PMC

Az emlősök között az autotómia többször is kialakulhatott, de taxonómiailag ritkán fordul elő. A dokumentált autotómia jellemzően a farokra korlátozódik, és a farokhüvely elvesztése (hamis autotómia) vagy a csigolyán keresztüli törés (valódi autotómia)2,5 révén jön létre. A farok-autotómián kívül alkalmi említés történik a gyenge vagy törékeny bőrrel rendelkező emlősfajokról is, bár az, hogy ezek az állatok képesek-e bőr-autotómiára, továbbra sem ismert. Ezért először azt az anekdotikus bizonyítékot igyekeztünk megvizsgálni, hogy az afrikai tüskésegér két faja (Acomys kempi és Acomys percivali) ragadozó elől való menekülésként készségesen leveti bőrének egy részét.

Az A. kempi és az A. percivali bőr-autotómiára való képességének hipotézis tesztelésére élő csapdába ejtettünk egyedeket Kenya középső részén lévő sziklás kiemelkedéseken (kopjes). Az Acomys nemzetségbe tartozó fajok az őrszőrök mellett a háton található tüskeszerű szőrszálakkal is feltűnnek (1a, b ábra). Mindkét faj kezelése a terepen megerősítette, hogy az erőteljes mozgás gyakran a bőr felszakadásához vezetett. A szakadás nagy nyílt sebeket vagy bőrveszteséget eredményezett, amely a kis daraboktól a teljes hátfelület 60%-át megközelítő területekig terjedt (1c. ábra). Az integumentális veszteség mellett mindkét fajnál megfigyelhető volt a farokhüvely autotómiája, ahogyan arról korábban más Acomys fajok esetében is beszámoltak, és az egyedek gyakran hiányzó farokkal kerültek befogásra2. A fogságban tartott egyedeknél megfigyeltük, hogy a súlyos bőrsérülések gyorsan gyógyultak, és a szőrszálak gyors újranövekedése teljesen eltakarta a sérült területet (1d., e. ábra). A terepen befogott egyedek hasonló gyógyulást mutattak, és néhány esetben az anagén (azaz növekedési fázisban lévő) szőrtüszők mintázódtak, amelyek a sérült területeken regenerálódni látszottak (1f. ábra).

Az Acomys bőrének ilyen könnyű szakadásának értékeléséhez feltettük a kérdést, hogy vajon az Acomys bőrének mechanikai tulajdonságai állhatnak-e a megfigyelt gyengeség hátterében. A gekkók bőr-autotómiáját vizsgáló kísérletek3 alapján a gyenge bőr (azaz az egységes szerkezeti tulajdonságokkal rendelkező bőr, amely viszonylag alacsony indukált terhelés hatására tönkremegy vagy elszakad) megkülönböztethető a törékeny bőrtől (azaz a specifikus morfológiai jellemzőkkel rendelkező bőrtől, mint például a törési sík, amely lehetővé teszi a külső rétegek felszabadulását). A bőr gyengeségének értékeléséhez összehasonlítottuk az Acomys és a Mus bőr mechanikai tulajdonságait. Mechanikai terhelés során a Mus-bőr a törés előtt rugalmas tulajdonságokat mutatott, míg az Acomys-bőr törékeny volt, és röviddel a terhelés után elkezdett szakadni (2a. ábra). A háti bőrből feszültség-nyúlás görbéket vezettünk le az átlagos szakítószilárdság (σm) meghatározásához, és megállapítottuk, hogy a Mus bőr 20-szor erősebb, mint az Acomys bőr (2,3 MPa ±0,19 és 0,11 MPa ±0,03) (2a, b ábra). Végül, az átlagos szívósságot (W) kiszámítva, közel 77-szer több energiára volt szükség a Mus bőr eltöréséhez az Acomys bőréhez képest (2b. ábra). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az Acomys bőre könnyen szakad (vagy szakad) alacsony feszültség hatására, és mechanikai alapot adnak bőrük gyengeségének.

Az Acomys bőrének szerkezeti tulajdonságai hozzájárulnak-e mechanikai gyengeségéhez, ezért megvizsgáltuk az A. percivali bőrének sejtes jellemzőit, és megállapítottuk, hogy anatómiailag hasonló a Mus és más rágcsálók bőréhez, bár sokkal nagyobb szőrtüszőkkel (2c, d ábra). Nem találtunk nyomát törési síknak, ami a bőr autonómiájának mechanizmusa a gekkóknál és a szkinkáknál3. A bőr rugalmasságát fokozó elasztinrostokat vizsgálva azt találtuk, hogy mindhárom fajnál hasonló eloszlású és mennyiségű elasztin található a dermiszben és a panniculus carnosus alatt (S1a-f ábra). Megvizsgáltuk, hogy az Acomys bőrében a nagyobb szőrtüszők csökkentik-e a kötőszövet által elfoglalt teljes bőrfelületet az adnexek (pl. szőrtüszők és a hozzájuk tartozó mirigyek) bőrön belüli arányát vizsgálva, és azt találtuk, hogy ez nagyobb az A. percivali (55,61% ±4,28), mint a M. musculus (43,65% ±4,62) esetében (t=1,9, P=0,043) (2e, f ábra). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy bár az Acomys bőrének alapszöveti szerkezete hasonló a Musculuséhoz, az adnexek által a dermiszben elfoglalt hely csökkenti az abszolút kötőszövet-tartalmat, ami potenciálisan hozzájárulhat a csökkent rugalmassághoz és az alacsonyabb szakítószilárdsághoz, amikor a bőrt feszültség alá helyezik6. A törési sík hiánya aláhúzza ezt a megállapítást, és alátámasztja az Acomys bőr megfigyelt gyengeségének hátterében álló eredendő szerkezeti különbséget.

Az Acomys bőr eredendő szerkezeti gyengeségére és szakadásra való hajlamára tekintettel, kis (4 mm) és nagy (1,5 cm), teljes vastagságú kimetszési (FTE) sebek segítségével megvizsgáltuk az Acomys bőr sebgyógyító képességét. Mindkét méretű sebben a hegképződés és a vérzéscsillapítás gyors volt, és a nagy sebek esetében hozzájárult a seb területének 64% ±3,1 %-os csökkenéséhez 24 órával a sérülés után (S2a. ábra). A szárazföldi szalamandrák7 és emlős magzatok8 hegmentes gyógyulása során a sebágy néhány napon belül újraepitelizálódik, míg felnőtt patkányok bőrén egy 4 mm-es seb újraepitelizálódása 5-7 napot vesz igénybe9. Az Acomysban azt találtuk, hogy hat 4 mm-es sebből öt teljesen újraepitelizálódott a sérülést követő 3. napra (D3), míg a Mus sebek nem tudtak ilyen gyorsan újraepitelizálódni (2g, h ábra). Az újraepitelizációt követően a laza bőrű emlősök (pl. rágcsálók, nyulak stb.) elsősorban az összehúzódásra támaszkodnak a sebek gyógyulásához10. Hasonlóképpen magas kontrakciós arányt figyeltünk meg, amely 17 nap után a sebzáródás 95%-át tette ki (S2a-c ábra). A hegesedéssel ellentétben, ahol a kollagénrostok a felhámmal párhuzamos, sűrű hálózattá szerveződnek, a heg nélküli gyógyulás során a kollagénrostok a seb nélküli dermiszhez hasonló mintázatot vesznek fel10. Az extracelluláris mátrixot (ECM) D10-ben vizsgálva a Mus-ban hegesedést figyeltünk meg, míg az Acomys-ban a kollagénfibrillák kevésbé sűrűn voltak csomagolva, és porózusabb szerkezetet tartalmaztak (2i, j ábra). Pikrosiriusvörös segítségével azt találtuk, hogy D10-ben a Mus-ban az I-es típusú kollagén dominált a sebágyban, míg az Acomys-ban a III-as típusú kollagén volt nagyobb mennyiségben jelen (2k, l ábra). Ez a különbség még kifejezettebb volt a 1,5 cm-es sebeknél (S3a-b’ ábra). Ezek az adatok együttesen azt mutatják, hogy a gyors reepithelizáció és a sebszélek összehúzódása nagymértékben csökkenti a nyílt bőrrepedések méretét az Acomysban. Eredményeink, miszerint a seb ECM (1) lassan rakódik le, (2) porózus konfigurációjú, és (3) III-as típusú kollagén dominál, azt sugallják, hogy ez az összetétel a regenerációnak kedvez a fibrózissal szemben az Acomys bőrjavítás során.

A sebkörnyezet regenerációs képességének vizsgálatához nagyméretű gyógyuló sebekben mintát vettünk a szőrtüsző neogenezis és a bőr regenerációjának bizonyítékaiért. A porózusabb ECM-hez társulva D21 és D28 között megfigyeltük a sebágyban a normál fedőszőrök és a nagy tüskés szőrök tüszőgenezisét, és meg tudtuk különböztetni a régi, nagy tüszőket a sebszélek közelében a sebágyon belüli újonnan regenerálódott tüszőktől (3a-d ábra és S3c-e ábra). Úgy tűnt, hogy az új tüszők nem csak a központi régióban, hanem az egész sebágy összehúzódásmentes részén regenerálódnak (3c. ábra és S3e. ábra), és a fejlődés különböző stádiumaiban regenerálódó szőrtüszőket figyeltünk meg (3a-m. ábra és S4a-c. ábra). Az epidermális sejtek lokalizált és erősen proliferatív populációja hajtja a szőrtüszők fejlődését, és hasonló jelenséget figyeltünk meg a tüszőregeneráció során (3e. ábra és S4a-c. ábra). Annak vizsgálatára, hogy a szőrtüszőfejlődés során használt embrionális jelátviteli hálózatok bevetésre kerülnek-e a szőrtüszőregeneráció során, megvizsgáltuk a Keratin-17-et (Krt17); amely a bőrfejlődés során diffúzan expresszálódik az epidermiszben, és fokozatosan a fejlődő szőrtüszőkre korlátozódik11. Az újraepitelizációt követően D14-ben a KRT17 erősen feldúsult a sebágyat fedő neoepidermiszben, és ahogy a sebágyban új szőrtüszők képződtek, a KRT17 a tüszőhámra korlátozódott (3f. ábra és S5. ábra). A Musban a sebgyógyulás során azt találtuk, hogy a KRT17 szintén erősen felszabályozott volt az újraepithelizált epidermiszben D14-ben (S5. ábra), és bár a KRT17 néhány bazális keratinocitára lokalizálódott a Mus epidermiszében D21-ben, ezek a helyek nem aggregálódtak placódákká vagy új szőrtüszőkké, így a KRT17 teljesen hiányzott az új epidermiszből D26-ra (3f. ábra). A KRT17 eltűnése a bazális keratinocitákból a Musban, valamint az Acomysban az új placódákban és szőrtüszőkben való folyamatos lokalizáció megfigyeléseinkkel együtt arra utal, hogy a Musban a placódaképződés indukálásához szükséges alapvető dermális jelek hiányoznak.

Noha a placode-képződés pontos jelzése továbbra is homályos, a normális tüszőképződés során a Wnt-jelátvitel feltétlenül szükséges12. A LEF1 fehérje nukleáris lokalizációját ennek az induktív jelátvitelnek a leolvasására használták13. A LEF1 nukleáris felhalmozódását kimutattuk a regenerálódó epidermális placódákban, a hajcsíra alatti kondenzálódó dermális fibroblasztokban, valamint a dermális papilla- és mátrixsejtekben (3g, h ábra és S6a ábra). Alacsony szintű nukleáris LEF1-festődést észleltünk néhány nem placodális bazális keratinocitában is, míg a Mus-ban a sebgyógyulás során nem észleltünk nukleáris LEF1-et az epidermiszben, ami arra utal, hogy az epidermális Wnt-aktiváció az Acomys-ban részben a szőrtüszőregenerációval kapcsolatos megfigyeléseink hátterében állhat (ábra. S6b, c).

A kanonikus Bmp-jelátvitel szabályozása szintén szerepet játszik a szőrtüsző indukciója és a follikuláris progenitorpopulációk érett szőrtüszővé differenciálódása során (áttekintve14). A SMAD 1, 5 és 8 foszforilációja (pSMAD1/5/8) a kanonikus Bmp-szignalizáció robusztus jelzése. A pSMAD1/5/8-at a tüszőindukció során alacsony szinten, később pedig magasabb szinten mutattuk ki a hajhagymában differenciálódó bőrpapilla- és mátrixsejtekben (3i, j ábra). Emellett SOX2 pozitív dermalis papillát detektáltunk néhány regenerálódó szőrtüszőben, ami összhangban van a különböző szőrtípusok specifikálásában betöltött szerepével az egér szőrtüsző fejlődése során15 (3k. ábra). Ezek az eredmények együttesen azt mutatják, hogy a regenerálódó szőrtüszők az Acomysban a szőrtüszőfejlődés meghatározott szakaszain haladnak keresztül, nagy arányú proliferációt mutatnak, és az embrionális szőrtüszőfejlődés során használt molekuláris útvonalakat újrahasznosítják az új szőrtüszők regenerálása érdekében.

A felnőtt emlősök bőre általában nem képes regenerálni az epidermális eredetű struktúrákat (pl. mirigyek és szőrtüszők) sebzésre adott válaszként. Kivételt képez ez alól a spontán follikuláris genezis megfigyelése nagy kimetszési sebekben nyulakban, és újabban laboratóriumi egerekben (C57BL6/SJ, SJL vagy kevert törzs)16,17,18. A nyulak azon kevés emlősfajok közé tartoznak, amelyek képesek regenerálni a nagy füllyukasztási sebeket19. Feltételeztük, hogy az Acomysban megfigyelt regenerációs képesség a fülszövetükre is kiterjedhet. Ennek tesztelésére mindkét Acomys faj fülén 4 mm-es lyukasztásokat végeztünk, és meglepetésünkre azt tapasztaltuk, hogy a nyulak képesek bezárni ezeket a nagy lyukakat (4a-c. ábra és S7a-c. ábra). A sérülés nélküli fülszövet tartalmaz bőrt (epidermisz és dermisz), kapcsolódó szőrtüszőket, zsírsejteket, izmot és porcot; azt találtuk, hogy az Acomys az izom kivételével minden ilyen szövetet képes volt teljes mértékben és nagy hűséggel regenerálni (4b-c. ábra). Tizenkét nappal a sérülés után megfigyeltük a sejtek felhalmozódását a seb kerülete körül az epidermisz alatt, és bár az új szövetek regenerációja centripetális irányú volt, a sejtek nagyobb mértékben halmozódtak fel a lyuk proximális oldalán. A szőrtüsző és a porc regenerációja proximalis-disztális hullámban haladt (4d, e ábra), és a bőrhöz hasonlóan a fülben lévő tüszős epidermisz is aktiválta a Wnt-jelátvitelt (S6d, e ábra). Az Acomys-szal ellentétben azt találtuk, hogy a Mus nem volt képes regenerálni a 4 mm-es fülszúrásokat, ehelyett hegszövetet képeztek (S8a, b ábra). Érdekes módon a hegképződés ellenére a Mus füljavítás a vágott porctól distalisan de novo porckondenzációk kialakulását eredményezte, ami arra utal, hogy a Mus beindíthatja, de nem fenntartja a regeneratív választ a fül sérülését követően (S8b ábra).

Még mindig nem világos, hogy az emlősök regenerációja blastema kialakulásával megy-e végbe, vagy ehelyett a hiperplasztikus növekedés eltúlzott változata20,21,22. A blastema kialakulását az epimorfikus regeneráció egyik jellemzőjének tekintik. A regenerációs blastema egyik jellemzője, hogy proliferáló sejteket tartalmaz, és a regeneráció során fenntartja a proliferációt23. Kiterjedt proliferációt figyeltünk meg az egész fülregenerátumban Acomysban és meglepő módon az egész gyógyuló fülszövetben Musban (4f, g ábra). Megállapítottuk azonban, hogy az Acomys disztális epidermiszében hiányzik a proliferáció, míg a Mus epidermiszében a disztális csúcsig terjedő proliferációt észleltünk (4f., g. ábra). Míg az Acomys füleiben a proliferáció fennmaradt, a későbbi stádiumú Mus-fülben szinte egyáltalán nem figyeltünk meg proliferáló sejteket (4h, i. ábra).

A blastema második jellemzője egy speciális epidermális jelzőközpont (a sebepidermisz) kialakulása, amely szükséges ahhoz, hogy a proliferáló blastemasejtek a sejtciklusban maradjanak24 , és amelyet az epidermális rétegződés elvesztése, a bazális keratinocita polaritás elvesztése és az érett bazális lamina hiánya jellemez25. Az Acomysban a reepithelizációt követően a distalis epidermisz megvastagodását, a bazális keratinociták dezorganizációját és az érett bazális membrán hiányát észleltük (4j. ábra). Ehhez képest az amputációs síkhoz közeli epidermisz normális rétegződést mutatott, és kiemelkedő bazálmembránnal rendelkezett (4k. ábra). Ezzel szemben úgy tűnt, hogy a Mus csak átmenetileg, a reepithelizációt követően képzett sebepidermiszt, és egy aránylag kisebb disztális terület rövid ideig mutatta ezeket a jellemzőket (az adatok nem láthatóak). D12-re a Mus esetében a IV típusú kollagénfestés érett bazálmembránt mutatott ki a gyógyuló fül teljes epidermise alatt (4l. ábra). Emellett az epidermisz normális rétegződést és a bazális keratinociták megfelelő apikális-bazális polaritását mutatta (4g, l ábra).

A sebes epidermisz tartós proliferációja és kialakulása mellett az extracelluláris mátrix (ECM) molekulák kulcsszerepet játszanak a proliferáció támogatásában és a későbbi differenciálódás irányításában a regeneráció során26. Ezzel szemben az olyan molekulák, mint a laminin és az I. típusú kollagén, amelyek kedveznek a differenciálódásnak, a kétéltűek végtagregenerációja során a blasztémában downregulálódnak, és az izom-csontrendszer differenciálódásának előrehaladtával expresszálódnak26,27 . Az Acomys-fül szövettani vizsgálata D12-ben magas fibronektin (FN) és némi tenaszcin-C (TN-C) szintet mutatott ki a sűrűn tömött sejtek körül, de nagyon alacsony volt az I. típusú kollagén szintje (S9a-c ábra). A III-as típusú kollagén szintén nagyobb mennyiségben fordult elő, mint az I-es típusú kollagén a regeneráció során (S9d-d’ ábra). A TN-C korlátozódott azokról a területekről, ahol az új porc differenciálódni kezdett, és ezeken a differenciálódó sejteken belül a Bmp-jelátviteli útvonal aktiválódását találtuk az új fülporcot adó sejtekben (4o. ábra és S10. ábra). A Mus-fül hiperplasztikus növekedése során az ECM kezdetben magas FN- és alacsony TN-C-szintet mutatott, akárcsak az Acomys-fül, de viszonylag magasabb I. típusú kollagénszintet termelt (S9e-g ábra). A kollagéntermelés a Mus-ban nemcsak gyorsabb és bőségesebb volt, hanem az I-es és III-as típusú kollagén aránya is magasabb volt (S9h, h’ ábra). Tekintettel az I. típusú kollagén túlburjánzó termelésére a Mus-ban, megkérdeztük, hogy a rezidens fibroblasztok nem differenciálódnak-e myofibroblasztokká, amelyek a regeneráció helyett a hegesedéshez járulnak hozzá (lásd28). Az alfa simaizomaktin (αSMA) segítségével a Mus fülszövetében nagy mennyiségben találtunk myofibroblasztokat, míg az Acomys fülében szinte teljesen hiányoztak (4m, n ábra). Ezek az adatok megerősítik a seb ECM-jének fontosságát a proliferáció elősegítésében, miközben a differenciálódás ellen hat, és alátámasztják a korábbi munkákat, amelyek szerint a korai I-es típusú kollagénképződés antagonizálja a függelék regenerációját27.

Az adataink arra utalnak, hogy a reparatív fülregeneráció az Acomysban egyensúlyt teremt a dermis korai reformációja (hegesedés) és a sejtproliferáció fenntartása között egy pro-regeneratív környezetben. Ezzel szemben a Mus nem képez (vagy nem tartja fenn) a sebes epidermiszt, ami egybeesik az alaphártya korai kialakulásával és az epidermisz rétegződésével. Ez a sejtproliferáció elmaradásához, fokozott I-es típusú kollagén lerakódáshoz (a III-as típusú kollagén helyett), myofibroblaszt aktivációhoz és végül hegképződéshez vezet. Bár adataink arra utalnak, hogy a fül regenerációja hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a blastema kialakulása, a sebes epidermisz szerveződéséhez és fenntartásához szükséges molekuláris jelek megértése és a regenerálódó sejtek vonalának azonosítása elengedhetetlen ahhoz, hogy meg lehessen vizsgálni, hogyan történik a regeneráció ezekben az állatokban. A jövőbeni munka, amely azt vizsgálja, hogy az Acomys hogyan képes kontrollálni a fibrózist, fényt fog deríteni arra, hogy a regeneráció és a hegesedés hogyan tartható egyensúlyban a fertőzés és a gyulladás során a vadon élő emlősökben, és ideális modellrendszert biztosít az epimorfikus regeneráció vizsgálatára az emlősökben.