Mechanosensitive Adaption basaler und suprabasaler Keratinozyten in einem dreidimensionalen Epidermaläquivalent unter zyklischer Dehnung

Abstract

Die Epidermis erfüllt als äußere Hautbarriere eine essentielle Schutzfunktion. Gleichzeitig unterliegt dieses stratifizierte Epithel unterschiedlichsten mechanischen Belastungen. Dabei erfordert die Wahrung der Gewebeintegrität unter Dehnungsreizen im physiologischen Kontext eine ständige Anpassung der epidermalen Zellen. Die Umstrukturierung von Aktin Stressfasern sowie die Ausrichtung der Zellen und Zellkerne werden dabei als eine Form der Anpassung auf zyklische Dehnung sowohl in vitro als auch in vivo beobachtet. Hierbei fokussierten sich bisherige Untersuchungen auf Analysen einzelner Zellen und einlagiger Zellschichten, die über Zell Matrix-Adhäsionen an das Substrat binden. In der mehrschichtigen Epidermis bauen jedoch nur basale Zellen einen solchen Kontakt zur darunter liegenden Basalmembran auf. Suprabasale Zellen liegen dagegen in dreidimensionalem Kontakt zu Nachbarzellen vor und sind auf Zell Zell Verbindungen limitiert. Obwohl interzelluläre Kontakte bei substratadhäsiven Zellen in vitro eine verstärkte und beschleunigte Reorientierung des Zellverbands unter zyklischer Dehnung ermöglichen, ist über eine potentielle Adaption suprabasaler Zellen wenig bekannt. <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein mehrschichtiges, submerses Modell aus epidermalen Keratinozyten auf einem elastischen Substrat generiert. Dieses vereinfachte Epidermaläquivalent (genannt SEE, engl. Simplified Epidermal Equivalent) wies auch ohne graduelle Differenzierung und Verhornung strukturelle Ähnlichkeiten zur vitalen Epidermis auf. In repetitiven Zugversuchen physiologischer Amplituden konnte außerdem ein vergleichbares mechanisches Verhalten tierischer Vollhautexplantate und SEEs beobachtet werden. <br /> Durch die interzellulären Kontakte wurde eine Deformation des basalen Substrats nahezu unverändert auch über drei- bis fünf Zelllagen hinweg an der apikalen Oberfläche des SEEs nachgewiesen. Die suprabasalen Keratinozyten bildeten unter zyklischer Dehnung keine zu substratadhäsiven Zellen vergleichbaren Stressfasern aus, zeigten jedoch ebenso eine Parallelisierung und annähernd quer zur Dehnungsachse ausgerichtete Orientierung der Zellen und Zellkerne. Diese Adaption suprabasaler Zellen konnte vergleichbar auch in Abwesenheit eines funktionellen Mikrotubuli- oder Keratin-Netzwerks beobachtet werden. Dagegen wurde die Reorientierung basaler Stressfasern durch das Fehlern anderer Zytoskelettsysteme deutlicher beeinflusst. <br /> Weiterhin konnte anhand ein- und mehrschichtiger Untersuchungen eine dehnungsinduzierte Strukturänderung des apikalen Aktinkortex im Zellverband nachgewiesen werden. Hierbei induzierte zyklische Dehnung anisotrope Aktinfilamente im isotropen Netzwerk des Kortex. Diese Filamente zeichneten sich durch periodische Anordnungen mit nicht-muskulärem Myosin 2 aus und wurden durch den direkten Myosin-Inhibitor Blebbistatin reprimiert, während die Hemmung der Myosin-Leichte-Ketten-Kinase keinen Effekt zeigte. Dabei verliefen die Filamente quer zur Dehnungsachse in gegenüberliegende Zellgrenzen und wiesen zellübergreifend ähnliche Orientierungswinkel auf. <br /> Diese Arbeit untersuchte erstmals in-vitro die räumliche Orientierung mehrschichtiger Zellsysteme unter zyklischer Dehnung und verdeutlicht die Bedeutung des dynamischen Aktinkortex und der interzellulären, mechanischen Kopplung für die mechanosensitive Adaption im Gewebeverband.