Загоєння ран та регенерація шкіри

Макото Такео

1 Рональд О. Перелман, кафедра дерматології, Нью-Йоркський університет, Медичний факультет, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10016

2 Кафедра клітинної біології, Нью-Йоркський університет, Медичний факультет, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10016

Венді Лі

2 Кафедра клітинної біології, Нью-Йоркський університет, Медичний факультет, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10016

Маюмі Іто

2 Кафедра клітинної біології, Нью-Йоркський університет, Медичний факультет, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10016

Анотація

Шкіра - це складний орган, що складається з епідермісу, дерми та придатків шкіри, включаючи волосяний фолікул і сальну залозу. Загоєння ран у дорослих ссавців призводить до утворення рубців без шкірних придатків. Дослідження повідомляють про чудові приклади загоєння без рубців на шкірі плода та регенерації придатків на шкірі дорослого після нанесення великих ран. Моделі, використані в цих дослідженнях, запропонували нову платформу для дослідження клітинних та молекулярних механізмів, що лежать в основі загоєння ран та регенерації шкіри у ссавців. У цій статті ми зупинимось на внеску придатків шкіри у загоєння ран і, навпаки, на відновлення придатків шкіри після травм.

Шкіра - це складна структура, що складається з епідермісу та дерми, включаючи підшкірний жир або шкірний шар адипоцитів. Екологічні виклики бар’єру включають проникнення шкідливих УФ-променів від сонця, вторгнення шкідливих патогенних мікроорганізмів та випаровування води. Важливо, що шкіра також захищає підлеглі органи - функцію, необхідну для виживання організму. Як захисний захист для тіла від зовнішнього середовища, шкіра постійно піддається потенційним пошкодженням, і, отже, загоєння ран є життєво важливим процесом для виживання всіх вищих організмів. Епідермальні придатки, такі як волосяні фолікули, нігті та потові залози, допомагають підтримувати та захищати шкіру, і їх важлива роль у загоєнні ран продовжує з’ясовуватися. Краще розуміння клітинних та молекулярних механізмів, що лежать в основі загоєння ран, врешті-решт дозволить нам впливати та прискорювати процес відновлення/регенерації ран. Це допоможе пацієнтам із сильним опіком та ампутованим особам, особливо у випадках великої втрати тканин та утворення рубців.

Загоєння ран є збереженим еволюційним процесом серед видів і охоплює просторово та часово перекриваючіся процеси, включаючи запалення, згортання крові та клітинну проліферацію та ремоделювання позаклітинного матриксу (Seifert et al. 2012b; Richardson et al. 2013). Однак результат загоєння ран на шкірі відрізняється у різних видів. Деякі нижчі хребетні, включаючи риб (даніо) та земноводних (аксолотль та ксенопус), мають здатність ідеально регенерувати шкіру. Відомо, що після поранення на повній товщі у жабят і аксолотолів Xenopus вся шкіра, включаючи секреторні придатки, відновлюється (Yokoyama et al. 2011; Seifert et al. 2012b). Під час цього процесу навіть пігментаційний малюнок шкіри може бути повністю відновлений (Seifert et al. 2012b). Шкіра даніо також може відновити свою смугасту пігментацію після поранення, а також регенерувати підшкірні адипоцити та лусочки під час процесу загоєння, що робить регенеровану шкіру майже невідмінною від початкової (Richardson et al., 2013).

РЕЕПІТЕЛІАЛІЗАЦІЯ ТА ЕПІТЕЛІАЛЬНІ КЛІТИНИ

Епідерміс ссавців - це багатошаровий плоский епітелій, підтримка якого залежить від проліферації та диференціації базального шару епідермісу. Коли базальні клітини епідерми диференціюються і рухаються у бік поверхні, вони дають початок супрабазальним клітинам і зернистому шару і, врешті-решт, остаточно диференціюються в енуклейовані корнеоцити, що складають роговий шар. Як крайній шар організму, епідерміс постійно піддається різним формам пошкодження. Неможливість повторної епітелізації пошкодженої шкіри спричиняє втрату бар’єрної функції органу, зневоднення, інфекцію або навіть смерть. Отже, швидке закриття місця рани міграцією та проліферацією епітеліальних клітин має вирішальне значення для відновлення бар’єрної функції, життєво важливої для виживання організму. Зараз величезна кількість доказів показує, що наявність і функція резидентних стовбурових клітин епітелію в шкірі дорослої людини сприяє процесу реепітелізації.

Mascré та ін. (2012) використовували два різні промотори: кератин14, який націлений на базальні клітини епідермісу, включаючи популяцію попередників, яка проліферує та диференціюється, та інволкулін, який націлений виключно на прихильну популяцію клітин-попередників. Після поранення обидві популяції вербуються в область рани, але це переважно потомство клітин, що експресують кератин 14, які виживають довго, на відміну від нащадків клітин, що експресують інволют, які були втрачені раніше. Це дослідження ілюструє важливість відносно недиференційованих клітин в базальному шарі шкірного епітелію та їх внесок у відновлення епідермісу після травми.

Внесок стовбурових клітин волосяного фолікула в реепітелізацію. (А) Схематична ілюстрація маркерів опуклих стовбурових клітин, які сприяють реепітелізації. (B) Відстеження лінії походження стовбурових клітин волосяного фолікула K15 + після висічення рани за допомогою мишей K15-LacZ. LacZ-позитивні клітини не були знайдені в IFE через 2 дні після поранення (права панель). Через 5 днів клітини LacZ + починають мігрувати від волосяного фолікула до центру рани (середня панель). Через 8 днів після поранення повторна епітелізація закінчується, і близько 26% реепітелізованих клітин становлять lacZ + (ліва панель). (Іто та ін. 2005; передруковано з дозволу.)

У сукупності ці дослідження ілюструють життєво важливу функцію волосяних фолікулів як клітинного резервуара для загоєння шкіри та як сигнального центру, що впливає на поведінку неволосистих клітин фолікула.

БЕЗГРАНИЙ ПРОЦЕС ЗЦІЛЕННЯ РАН

У 1970 р. В основній статті повідомлялося, що плоди кроликів можуть загоювати рани без появи рубців (Somasundaram and Prathap 1970). З тих пір подібні спостереження були зареєстровані у інших ссавців, включаючи овець, мишей, щурів та людей (Somasundaram and Prathap 1970; Burrington 1971; Sopher 1972; Rowlatt 1979; Hallock 1985). У дослідженні Somasundaram and Prathap (Hallock 1985) було вирізано 0,5-сантиметровий диск шкіри новонародженого або плода (14-25 днів після вагітності) кроликів. У новонароджених кроликів скорочення рани та утворення струпа спостерігаються через 6 днів після поранення, що призводить до розвитку грануляційної тканини та утворення рубців. На відміну від них, компактний шар веретеноподібних клітин товщиною від двох до трьох клітин спочатку покривав поверхню рани плода. Не було явних ознак скорочення рани, подальшого розвитку грануляційної тканини або утворення рубців. Ці новаторські дослідження не описували та не обговорювали, чи супроводжувала і як регенерація придатків шкіри беззрубцеве загоєння рани, мабуть, через обмеження у розрізненні процесів ембріонального розвитку придатків шкіри та індукованої ранами de novo регенерації придатків шкіри на той час.

З тих пір у 1979 р. Було повідомлено про загоєння безрубцевих ран людських плодів (Rowlatt 1979), і подальші зусилля були спрямовані на вивчення механізмів загоєння безрубцевих ран шляхом порівняння процесів загоєння ран між безрубцевими та рубцевими ранами у багатьох моделі тварин. Ключовою відмінністю, яка виявляється у загоєнні ран плоду, є низька запальна реакція через відсутність повністю розвиненої імунної системи. У безрубцевих ранах нейтрофіли, макрофаги та тучні клітини мають різницю у розмірі та зрілості порівняно з рубцевими ранами (Satish and Kathju 2010; Wulff et al. 2012). Що цікаво, такі уродели, як тритони, здатні ідеально регенерувати безліч органів, включаючи шкіру та кінцівки, є імунодефіцитними в порівнянні з іншими земноводними, такими як Ксенопус, які виявляють більш обмежену здатність до регенерації (огляд Коен 1971). Кореляція між імунною системою та компетенцією щодо регенерації призвела до традиційної гіпотези у дослідженнях загоєння ран: запалення може обмежувати регенерацію, сприяючи фіброзу та утворенню рубців.

РЕГЕНЕРАЦІЯ ДОДАТКІВ ШКІРИ - НЕОГЕНЕЗ ВОЛОССЬКОГО ФОЛІКУЛА

Кілька молекулярних та клітинних подій, які організували загоєння ссавців, були з'ясовані протягом останніх кількох років. Однак досі не вистачає терапевтичних втручань, які призводять до ідеальної регенерації шкіри без рубців, яка включає придатки у дорослій шкірі. Дослідження, спрямовані на вплив на процес відновлення ран для сприяння регенеративному загоєнню, вимагають експериментальних моделей, в яких молекулярні та клітинні взаємодії можуть бути ефективно розібрані. Попередні дослідження встановили, що волосяні фолікули de novo утворюються в області рани шляхом рекапітуляції розвитку ембріонального волосяного фолікула, що ілюструє неабияку регенеративну здатність шкіри дорослої людини (Ito et al. 2007). Більше того, це явище відбулося у звичайних мишей дикого типу, а тому служить потужною моделлю для вивчення того, як механізми росту та формування малюнків можуть бути належним чином активовані та використані для регенерації відсутніх придатків.

Формування волосяних фолікулів зазвичай відбувається лише під час ембріонального розвитку в гомеостатичних умовах. Під час ембріонального розвитку клітинні взаємодії між епітеліальними та мезенхімальними клітинами призводять до утворення волосяного плакода та шкірного сосочка, а їх взаємні взаємодії - до морфогенезу та росту волосяного фолікула. Для цього процесу необхідна скоординована активація декількох ключових сигнальних шляхів, включаючи регулятори Wnt/β-катеніну та BMP (рис. 2) (Millar 2002; Schmidt-Ullrich and Paus 2005; Myung and Ito 2012; Sennett and Rendl 2012). Як тільки волосяний фолікул формується, волосся циклічно виробляється шляхом взаємодії між епітеліальними стовбуровими клітинами в опуклості волосяного фолікула/вторинної зони зародка волосся і клітинами шкірних сосочків протягом усього життя (Cotsarelis et al. 1990; Kishimoto et al. 2000; Botchkarev et al. 2001; Ito et al. 2002, 2004; Rendl et al. 2008; Greco et al. 2009; Zhang et al. 2009; Enshell-Seijffers et al. 2010; Garza et al. 2011; Clavel et al. 2012; Oshimori and Fuchs 2012; Myung та ін. 2013).