Makoto Takeo

1 Departamentul de dermatologie Ronald O. Perelman, Universitatea New York, Facultatea de Medicină, New York, New York 10016

2 Departamentul de biologie celulară, Universitatea New York, Facultatea de Medicină, New York, New York 10016

Wendy Lee

1 Departamentul de dermatologie Ronald O. Perelman, Universitatea New York, Facultatea de Medicină, New York, New York 10016

2 Departamentul de biologie celulară, Universitatea New York, Facultatea de Medicină, New York, New York 10016

Mayumi Ito

1 Departamentul de dermatologie Ronald O. Perelman, Universitatea New York, Facultatea de Medicină, New York, New York 10016

2 Departamentul de biologie celulară, Universitatea New York, Facultatea de Medicină, New York, New York 10016

Abstract

Pielea este un organ complex format din epidermă, dermă și anexe ale pielii, inclusiv foliculul de păr și glanda sebacee. Vindecarea rănilor la mamiferele adulte are ca rezultat formarea cicatricilor fără apendicele pielii. Studiile au raportat exemple remarcabile de vindecare fără cicatrici la nivelul pielii fetale și de regenerare a apendicelui la pielea adultă în urma provocării rănilor mari. Modelele utilizate în aceste studii au oferit o nouă platformă pentru investigațiile mecanismelor celulare și moleculare care stau la baza vindecării rănilor și a regenerării pielii la mamifere. În acest articol, ne vom concentra pe contribuția apendicelor pielii la vindecarea rănilor și, dimpotrivă, la regenerarea apendicelui pielii după leziuni.

Pielea este o structură complicată compusă din epidermă și derm, inclusiv grăsimea subcutanată sau stratul de adipocite dermice. Provocările de mediu pentru barieră includ penetrarea razelor UV dăunătoare din soare, invazia agenților patogeni dăunători și evaporarea apei. Important, pielea protejează și organele subiacente, o funcție necesară pentru supraviețuirea organismului. Ca un scut protector pentru corp de mediul extern, pielea este expusă în mod constant la potențiale leziuni și, prin urmare, vindecarea rănilor este un proces vital pentru supraviețuirea tuturor organismelor superioare. Anexele epidermice, cum ar fi foliculii de păr, unghiile și glandele sudoripare, ajută la menținerea și protejarea pielii și rolurile lor importante în vindecarea rănilor continuă să fie elucidate. O mai bună înțelegere a mecanismelor celulare și moleculare care stau la baza vindecării rănilor ne vor permite în cele din urmă să influențăm și să accelerăm procesul de reparare/regenerare a rănilor. Acest lucru va aduce beneficii pacienților cu arsuri severe și amputați, în special în cazurile de pierdere extinsă a țesuturilor și cicatrici.

Vindecarea rănilor este un proces evolutiv conservat în rândul speciilor și cuprinde procese de suprapunere spațială și temporală, inclusiv inflamație, coagulare a sângelui și proliferarea celulară și remodelarea matricei extracelulare (ECM) (Seifert și colab. 2012b; Richardson și colab. 2013). Cu toate acestea, rezultatul vindecării rănilor în piele diferă de la o specie la alta. Unele vertebrate inferioare, inclusiv pești (pești zebră) și amfibieni (axolotl și Xenopus) posedă capacitatea de a regenera perfect pielea. Se știe că, după răni excizionale cu grosime completă în broaștele și axolotolii Xenopus, toată pielea, inclusiv apendicele secretorii, se regenerează (Yokoyama și colab. 2011; Seifert și colab. 2012b). În timpul acestui proces, chiar și modelul de pigmentare al pielii poate fi restabilit pe deplin (Seifert și colab. 2012b). Pielea zebră își poate recupera, de asemenea, modelul de pigmentare în dungi după rănire, precum și regenerarea adipocitelor subcutanate și a solzilor în timpul procesului de vindecare, făcând pielea regenerată aproape indistinctă de cea originală (Richardson și colab. 2013).

REEPITELIALIZAREA ȘI CELULE STEM EPITELIALE

Epidermul de mamifer este un epiteliu scuamos stratificat a cărui întreținere se bazează pe proliferarea și diferențierea stratului bazal al epidermei. Pe măsură ce celulele epidermice bazale se diferențiază și se deplasează spre suprafață, ele dau naștere la celule suprabazale și la stratul granular și, în cele din urmă, se diferențiază terminal în corneocite enucleate care compun stratul cornos. Fiind stratul cel mai exterior al organismului, epiderma este expusă constant la multiple forme de leziuni. Nerespectularea pielii rănite cauzează pierderea funcției de barieră a organului, deshidratare, infecție sau chiar moarte. Prin urmare, închiderea rapidă a locului plăgii prin migrarea și proliferarea celulelor epiteliale este esențială pentru restabilirea funcției de barieră care este vitală pentru supraviețuirea organismului. O mare cantitate de dovezi arată acum că prezența și funcția celulelor stem epiteliale rezidente în pielea adultă alimentează procesul de reepitelizare.

Mascré și colab. (2012) au folosit doi promotori distincti: Keratina14 care vizează celulele bazale din epidermă, inclusiv o populație de progenitori care proliferează și se diferențiază și Involculina care vizează exclusiv o populație de celule progenitoare angajate. După rănire, ambele populații sunt recrutate în zona plăgii, dar este predominant descendenți ai celulelor care exprimă cheratina 14, care supraviețuiesc pe termen lung, spre deosebire de descendenții celulelor care exprimă Involculin, care s-au pierdut mai devreme. Acest studiu ilustrează importanța celulelor relativ nediferențiate în stratul bazal al epiteliului pielii și contribuția lor la repararea epidermei după leziuni.

pielii

Contribuția celulelor stem ale foliculului de păr la reepitelizare. (A) Ilustrația schematică a markerilor de celule stem bombate care contribuie la reepitelizare. (B) Urmărirea liniei de celule stem ale foliculului de păr K15 + după rana excizională folosind șoareci K15-LacZ. Celulele LacZ-pozitive nu au fost găsite în IFE la 2 zile după rănire (panoul din dreapta). La 5 zile, celulele LacZ + încep să migreze de la foliculul pilos către centrul plăgii (panoul central). La 8 zile după rănire, re-epitelizarea este finalizată și aproximativ 26% din celulele reepitelizate sunt lacZ + (panoul din stânga). (Din Ito și colab. 2005; retipărit, cu permisiunea.)

Luate împreună, aceste studii ilustrează funcția vitală a foliculilor de păr ca rezervor celular pentru vindecarea pielii și ca centru de semnalizare care afectează comportamentul celulelor foliculare nonhair.

PROCES DE VÂNĂTARE A RĂNILOR SCARLE LA MAMIFERE

În 1970, un articol seminal a raportat că făturile de iepure pot vindeca rănile fără apariția formării cicatricilor (Somasundaram și Prathap 1970). De atunci, au fost raportate observații similare la alte mamifere, inclusiv oi, șoareci, șobolani și oameni (Somasundaram și Prathap 1970; Burrington 1971; Sopher 1972; Rowlatt 1979; Hallock 1985). În studiul lui Somasundaram și Prathap (Hallock 1985), a fost excizat un disc de 0,5 cm de piele fie de nou-născut, fie fetal (14-25 zile după gestație) iepuri. La iepurii nou-născuți, contracția plăgii și formarea crustei sunt observate la 6 zile după rănire, rezultând dezvoltarea țesutului de granulație și formarea cicatricilor. În schimb, un strat compact de celule în formă de fus, grosime de două până la trei celule, acoperea inițial suprafața plăgii fetale. Nu a existat niciun semn aparent de contracție a plăgii, dezvoltare ulterioară a țesutului de granulare sau formarea cicatricilor. Aceste studii de pionierat nu au descris și nu au discutat dacă și cum regenerarea apendicelui pielii a însoțit vindecarea fără cicatrici a rănilor, probabil din cauza limitărilor în a face distincția între procesele de dezvoltare embrionară ale apendicelor pielii și regenerarea de novo a apendicelor pielii indusă de rană în acel moment.

De atunci, vindecarea rănilor fără cicatrice a fetușilor umani a fost raportată în 1979 (Rowlatt 1979), iar eforturile ulterioare au fost îndreptate spre investigarea mecanismelor care stau la baza vindecării rănilor fără cicatrici prin compararea proceselor de vindecare a rănilor între rănile fără cicatrice și cicatrici în mai multe modele animale. O diferență cheie identificată în vindecarea rănilor fetale este o reacție inflamatorie scăzută datorită absenței unui sistem imunitar complet dezvoltat. În rănile fără cicatrici, neutrofilele, macrofagele și mastocitele au diferențe de mărime și maturitate în comparație cu rănile cicatriciale (Satish și Kathju 2010; Wulff și colab. 2012). În mod curios, urodelele, cum ar fi tritonii, capabili să regenereze perfect mai multe organe, inclusiv pielea și membrele, sunt imunodeficiente în comparație cu alți amfibieni, cum ar fi Xenopus, care arată o capacitate mai limitată de regenerare (revizuită de Cohen 1971). Corelația dintre sistemul imunitar și competența pentru regenerare a dus la o ipoteză tradițională în studiile de vindecare a rănilor: inflamația poate restricționa regenerarea prin promovarea fibrozei și a formării cicatricilor.

REGENERAREA APENDICELOR PIELELEI - NEOGENEZĂ A FOLICULULUI PĂRULUI

Câteva dintre evenimentele moleculare și celulare care orchestrează vindecarea rănilor la mamifere au fost elucidate în ultimii ani. Cu toate acestea, există încă o lipsă de intervenții terapeutice care să ducă la regenerarea perfectă a pielii fără cicatrici, care include anexe în pielea adultă. Cercetările care vizează influențarea procesului de reparare a plăgilor pentru a promova vindecarea regenerativă necesită modele experimentale în care interacțiunile moleculare și celulare pot fi disecate în mod eficient. Studiile anterioare au stabilit că foliculii de păr de novo se formează în zona plăgii prin recapitularea dezvoltării foliculilor de păr embrionari, ilustrând capacitatea regenerativă remarcabilă a pielii adulte (Ito și colab. 2007). Mai mult, acest fenomen s-a produs la șoareci normali de tip sălbatic și, prin urmare, servește ca un model puternic pentru a studia modul în care mecanismele de creștere și modelare pot fi activate corect și utilizate pentru a regenera anexele lipsă.

Formarea foliculului de păr apare de obicei numai în timpul dezvoltării embrionare în condiții homeostatice. În timpul dezvoltării embrionare, interacțiunile celulare dintre celulele epiteliale și mezenchimale duc la formarea unei placode a părului și a papilei dermice, iar interacțiunile lor reciproce duc la morfogeneză și la creșterea foliculului pilos. Activarea coordonată a mai multor căi de semnalizare cheie, inclusiv Wnt/β-catenina și regulatorii BMP, este esențială pentru acest proces (Fig. 2) (Millar 2002; Schmidt-Ullrich și Paus 2005; Myung și Ito 2012; Sennett și Rendl 2012). Odată ce foliculul de păr se formează, părul este produs ciclic prin interacțiunile dintre celulele stem epiteliale din zona foliculului de păr/zona secundară a germenilor părului și celulele papilei dermice de-a lungul vieții (Cotsarelis și colab. 1990; Kishimoto și colab. 2000; Botchkarev și colab. 2001; Ito și colab. 2002, 2004; Rendl și colab. 2008; Greco și colab. 2009; Zhang și colab. 2009; Enshell-Seijffers și colab. 2010; Garza și colab. 2011; Clavel și colab. 2012; Oshimori și Fuchs 2012; Myung și colab. 2013).