Neue Forschungsergebnisse lösen das Rätsel, wie Eidechsen abgebrochene Schwänze regenerieren! Kann menschlicher Knorpel in Zukunft repariert werden?

Eidechsen sind die einzigen Amnioten, die über die Regenerationsfähigkeiten von Amphibien und Salamandern, nahen Verwandten der Säugetiere, verfügen. Zudem sind sie die einzigen erwachsenen Wirbeltiere, die sowohl regenerative Gliedmaßen (Schwänze) als auch nicht-regenerative Gliedmaßen (Gliedmaßen) in einem einzigen Tier vereinen. Dies ist ein äußerst leistungsfähiges Tiermodell für Wissenschaftler, die sich mit regenerativer Biologie beschäftigen.

Anolis-Echsen sind in warmen Gebieten sowohl im Süden als auch im Norden verbreitet. Bildquelle: Wikipedia

Und tatsächlich: Die kleine Eidechse hat die Erwartungen erfüllt. Am 10. August 2023 leistete es einen großen Beitrag im Bereich der Regeneration. Forscher der University of Southern California veröffentlichten diese Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Communications. Diese Entdeckung wird uns helfen zu verstehen, wie beschädigter Knorpel wieder aufgebaut werden kann . Als nächstes wollen wir untersuchen, wie Eidechsen Knorpel regenerieren!

Forscher der University of Southern California haben eine Arbeit veröffentlicht, in der sie die Knorpelregeneration bei Eidechsen analysieren. Bildquelle: Offizielle Website des Magazins Nature Communications

Welche Zellen befinden sich im regenerierten Schwanz einer Eidechse?

Um die Komplexität und zelluläre Heterogenität verschiedener Zustände während der Regeneration von Eidechsenschwänzen zu untersuchen, führten die Wissenschaftler eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung an Eidechsenschwänzen in verschiedenen Regenerationsstadien (ursprünglicher Schwanz, Entzündungsstadium, Blastemstadium und Regenerations-Steady-State) durch und identifizierten durch In-situ-Hybridisierung und histologische Überprüfung eine Vielzahl von Zellen, darunter Immunzellen und Fibroblasten-Bindegewebszellen.

Ergebnisse der Einzelzellsequenzierung zur Clusterung der Regeneration von Eidechsenschwänzen. Bildquelle: Angepasst von Referenz [1]

Interessanterweise nahmen die fibroblastischen Bindegewebszellen während des Blastemstadiums signifikant zu. Darüber hinaus zeigte die Pseudo-Zeit-Trajektorienanalyse, dass viele Blastemfibroblasten Osteopontin (spp1) exprimierten und einige (aber nicht alle) dieser Fibroblasten während der Schwanzregeneration weiterhin Sulfatase 1 (sulf1) exprimierten, anschließend zu sox9-positiven Chondrozyten wurden und Knorpel bildeten.

Die Anteile verschiedener Zellen in unterschiedlichen Stadien der Regeneration des Eidechsenschwanzes. Bildquelle: Angepasst von Referenz [1]

Die treibende Kraft hinter der Knorpelregeneration: Hh-Signalisierung

Wissenschaftler haben zuvor entdeckt, dass das Hedgehog-Signal (Hh) ein Schlüsselsignal für die Bildung von Blastemknorpel ist und dass Sulf1 in anderen Systemen durch das Hh-Signal reguliert wird. In dieser neuen Studie stellten die Forscher außerdem fest, dass Sulf1 auch bei der Amputation von Eidechsenschwänzen sehr empfindlich auf Hh-Signale reagiert.

Um die Beziehung zwischen den beiden weiter zu bestätigen, isolierten sie Fibroblasten aus den Schwänzen von Spenderechsen in verschiedenen Regenerationsstadien, markierten sie und injizierten sie in das Schwanzblastem von Empfängerechsen, die mit Hh-Aktivatoren behandelt wurden.

Am 14. Tag nach der Transplantation stellten die Forscher fest, dass die meisten der transplantierten sulf1-positiven Blastemfibroblasten an der Knorpelbildung beteiligt waren. Dies deutet darauf hin, dass Blastemfibroblasten über die einzigartige Fähigkeit verfügen, auf Hh-Stimulation zu reagieren und Knorpel zu bilden. Nachfolgende Studien ergaben außerdem, dass sulf1-negative Fibroblasten-Bindegewebszellen in abgetrennten Gliedmaßen diese Fähigkeit nicht besaßen.

Prüfung der Knorpelregenerationskapazität von Fibroblasten in verschiedenen Regenerationsstadien (Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Ein guter Partner von Fibroblasten und Bindegewebszellen - Septatzellen

Bei der Einzelzellsequenzierung des regenerierenden Schwanzes einer Eidechse entdeckten die Forscher eine Population von Septatzellen . Dabei handelt es sich um phagozytische Zellen, die aus Perizyten stammen und die Skelettentwicklung und -heilung bei Säugetieren regulieren.

Die neue Studie ergab außerdem, dass es während der Blastembildung im Schwanz seinen Höhepunkt erreicht und in einer Population von sulf1-positiven Blastemfibroblasten-Bindegewebszellen lokalisiert ist. Dies lässt darauf schließen, dass zwischen den Zuständen von Septatzellen und Blastemzellen eine gewisse Beziehung besteht.

Septumbrechende Zellen treten in einem Cluster von sulf1-positiven Blastemfibroblasten auf (Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Um die Beziehung zwischen den beiden Zelltypen zu entwirren, dezimierten die Forscher die Phagozytenpopulation im abgetrennten Schwanz der Eidechse künstlich mithilfe von Clodronat-Liposomen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Fähigkeit fibroblastischer Bindegewebszellen, als Reaktion auf Hh-Signale Knorpel zu bilden, reduziert war. Dies zeigt, dass die Fibroblasten des Eidechsenblastems, wenn sie unter der Stimulation von Hh-Signalen Knorpel bilden wollen, auch die Hilfe ihres guten Partners, der Phagozytengruppe, benötigen.

Prüfung der Abhängigkeit der Hh-Reaktionsfähigkeit von Blastemfibroblasten von Septatzellen (Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Von Septumzellen abgesonderte Faktoren – „Verfall in Magie verwandeln“

Da Septatzellen für die Knorpelregeneration notwendig sind, stellt sich die Frage, ob sie das chondrogene Potenzial von Eidechsenschwanzblastemzellen nach künstlicher Depletion von Phagozyten retten können.

Um diese Frage zu beantworten, sammelten und konzentrierten die Forscher Makrophagen-konditioniertes Medium (M-CM) und Septat-konditioniertes Medium (S-CM) und implantierten darin getränkte Alginatkügelchen in Eidechsenschwanzstümpfe, die gleichzeitig mit Clodronat-Liposomen und einem Hh-Aktivator behandelt wurden.

Die Ergebnisse zeigten, dass sulf1-positive Zellen nur im Schwanz nachgewiesen wurden, der mit Hh-Aktivator und konditioniertem Medium gleichzeitig behandelt wurde. Dies weist darauf hin, dass die von den Septatzellen der Eidechsen abgesonderten Energiefaktoren die Bildung eines Blastems verhindern und den Zerfall in Magie verwandeln können.

Prüfung, ob von septierten Zellen abgesonderte Faktoren die Bildung des schwanzgebrochenen Blastems verhindern können (Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Darüber hinaus wiederholten die Forscher die oben genannten Experimente an Eidechsengliedmaßen. Die Ergebnisse zeigten, dass abgetrennte Gliedmaßen, denen ursprünglich Septumzellen fehlten, durch die Zugabe von exogenen, von Septumzellen abgesonderten Faktoren tatsächlich Knorpel regenerieren konnten!

Wie nah sind wir an der Regeneration menschlichen Knorpels?

Mittlerweile haben Wissenschaftler herausgefunden, wie sich der Schwanzknorpel von Eidechsen regeneriert: Die ruhenden Fibroblasten im Schwanz reagieren auf die Amputationsverletzung, indem sie Markergene für Fibroblasten-Bindegewebszellen wie spp1 exprimieren. Nach der Infiltration von Makrophagen und der Signalisierung von Makrophagen-sekretierten Faktoren wandern die beschädigten Fibroblasten-Bindegewebszellen zur Amputationsstelle.

Der Eidechsenschwanz entwickelt nach einer Amputationsverletzung eine Population septierter Zellen, was zu einer erhöhten Hh-Empfindlichkeit der fibroblastischen Bindegewebszellen führt. Fibroblastische Bindegewebszellen, die von Septatzellen abgesonderten Faktoren ausgesetzt sind, behalten die Expression von spp1 bei und exprimieren sulf1 und sox9 bei Stimulation mit shh, das von Ependymzellen produziert wird, ein räumliches Muster, das letztendlich zur Knorpelbildung um den Ependymschlauch im Blastem führt.

In Abwesenheit von Septatzellen können Bindegewebszellen der Extremitätenfibroblasten die spp1-Expression nicht aufrechterhalten und reagieren nicht auf Hh-Signale. Selbst wenn exogene Hh-Signale hinzugefügt wurden, exprimierten die fibroblastischen Bindegewebszellen in der abgetrennten Extremität kein Sulf1 und bildeten keinen Knorpel, sondern bildeten stattdessen Narben.

Illustration des Mechanismus der Regeneration von Eidechsenschwänzen (Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Freuen Sie sich an diesem Punkt darauf, die wundersame Knorpelregeneration bei Säugetieren oder sogar Menschen nachzubilden? Ja, die Wissenschaftler werden zunächst mit Mäusen testen, ob Säugetiere zum Wiederaufbau beschädigten Knorpels angeregt werden können, und werden weitere Untersuchungen und Überprüfungen durchführen, um potenzielle Risiken zu vermeiden. Schließlich gibt es Unterschiede zwischen den biologischen Systemen von Eidechsen und Menschen, und es sind noch viele Herausforderungen zu bewältigen, bis diese Technologie erfolgreich auf den Menschen angewendet werden kann.

Abschluss

Ist menschliches Knorpelgewebe, insbesondere Gelenkknorpel, erst einmal beschädigt, kann es sich oft nicht mehr regenerieren, was die Heilung von Krankheiten wie Arthritis erschwert. Wenn der Mensch vom Mechanismus der Regeneration des Eidechsknorpels lernen und neue Behandlungsmethoden entwickeln kann, dürfte dies die Behandlung von Gelenkknorpelerkrankungen erheblich verbessern und den Patienten neue Hoffnung geben.

Verweise

[1]Vonk AC, et al., Einzelzellanalyse von Eidechsenblastem-Fibroblasten zeigt phagozytenabhängige Aktivierung der Hedgehog-responsiven Chondrogenese. Nat. Kommun. 2023 Aug 10;14(1):4489.

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Li Yuhuan Jilin Universität

Produzent: China Science Expo

Herausgeber｜Yang Yaping