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Unter den Säugetieren scheint sich die Autotomie mehrfach entwickelt zu haben, ist aber taxonomisch nur spärlich vertreten. Die dokumentierte Autotomie ist in der Regel auf den Schwanz beschränkt und erfolgt durch den Verlust der Schwanzscheide (falsche Autotomie) oder durch den Bruch der Wirbelsäule (echte Autotomie)2,5. Neben der Autotomie des Schwanzes wird gelegentlich auch auf Säugetierarten mit schwacher oder brüchiger Haut verwiesen, obwohl nicht bekannt ist, ob diese Tiere zur Autotomie der Haut fähig sind. Daher haben wir zunächst versucht, anekdotische Hinweise darauf zu untersuchen, dass zwei afrikanische Stachelmausarten (Acomys kempi und Acomys percivali) Teile ihrer Haut abwerfen, um Raubtieren zu entkommen.

Um die Hypothese zu testen, dass A. kempi und A. percivali zur Hautautotomie fähig sind, haben wir Individuen auf Felsvorsprüngen (Kopjes) in Zentralkenia lebend gefangen. Die Arten der Gattung Acomys zeichnen sich nicht nur durch ihre Schutzhaare, sondern auch durch stachelartige Haare auf dem Rücken aus (Abb. 1a, b). Der Umgang mit beiden Arten im Feld bestätigte, dass heftige Bewegungen oft zum Einreißen der Haut führten. Das Einreißen führte zu großen offenen Wunden oder zu Hautverlusten, die von kleinen Stücken bis hin zu Bereichen reichten, die etwa 60 % der gesamten Rückenfläche ausmachten (Abb. 1c). Zusätzlich zum Verlust der Haut wiesen beide Arten eine Autotomie der Schwanzscheide auf, wie sie bereits für andere Acomys-Arten berichtet wurde, und die Tiere wurden oft mit fehlenden Schwänzen gefangen2. Bei den in Gefangenschaft gehaltenen Tieren konnten wir beobachten, dass schwere Hautwunden schnell heilten und das rasche Nachwachsen der Stachelhaare die verletzte Stelle völlig verdeckte (Abb. 1d, e). Im Freiland gefangene Individuen zeigten eine ähnliche Heilung und in einigen Fällen gemusterte Haarfollikel in der Anagen- (d. h. Wachstums-) Phase, die sich in den verletzten Bereichen zu regenerieren schienen (Abb. 1f).

Um herauszufinden, warum die Haut von Acomys so leicht reißt, fragten wir uns, ob die mechanischen Eigenschaften der Haut von Acomys die Ursache für die beobachtete Schwäche sein könnten. Auf der Grundlage von Experimenten zur Hautautotomie bei Geckos3 lässt sich schwache Haut (d. h. Haut mit gleichmäßigen strukturellen Eigenschaften, die bei relativ geringer induzierter Belastung versagt oder reißt) von zerbrechlicher Haut unterscheiden (d. h. Haut mit spezifischen morphologischen Merkmalen wie einer Bruchebene, die das Ablösen der äußeren Schichten ermöglicht). Um die Schwäche der Haut zu beurteilen, haben wir die mechanischen Eigenschaften der Haut von Acomys und Mus verglichen. Bei mechanischer Belastung zeigte die Mus-Haut elastische Eigenschaften, bevor sie brach, während die Acomys-Haut spröde war und kurz nach dem Aufbringen der Last zu reißen begann (Abb. 2a). Wir leiteten Spannungs-Dehnungskurven von der Rückenhaut ab, um die mittlere Zugfestigkeit (σm) zu bestimmen, und stellten fest, dass die Mus-Haut 20 Mal stärker war als die Acomys-Haut (2,3 MPa ±0,19 und 0,11 MPa ±0,03) (Abb. 2a, b). Berechnet man schließlich die mittlere Zähigkeit (W), so war fast 77-mal mehr Energie erforderlich, um die Mus-Haut im Vergleich zur Acomys-Haut zu brechen (Abb. 2b). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Haut von Acomys als Reaktion auf eine geringe Spannung leicht reißt (oder bricht) und liefern eine mechanische Grundlage für die Schwäche ihrer Haut.

Um festzustellen, ob die strukturellen Eigenschaften der Haut von Acomys zu ihrer mechanischen Schwäche beitragen, untersuchten wir die zellulären Merkmale der Haut von A. percivali und stellten fest, dass sie anatomisch mit der Haut von Mus und anderen Nagetieren vergleichbar ist, wenn auch mit viel größeren Haarfollikeln (Abb. 2c, d). Wir fanden keine Anzeichen für eine Bruchebene, die bei Geckos und Skinken für die Hautautonomie verantwortlich ist3. Bei der Untersuchung der Elastinfasern, die die Elastizität der Haut erhöhen, stellten wir fest, dass alle drei Arten eine ähnliche Verteilung und Häufigkeit von Elastin in der Dermis und unter dem Panniculus carnosus aufwiesen (Abb. S1a-f). Wir testeten, ob größere Haarfollikel in der Haut von Acomys die gesamte von Bindegewebe eingenommene Hautfläche verringerten, indem wir den Anteil der Adnexe (z. B. Follikel und zugehörige Drüsen) innerhalb der Dermis untersuchten, und stellten fest, dass er bei A. percivali (55,61 % ±4,28) größer war als bei M. musculus (43,65 % ±4,62) (t=1,9, P=0,043) (Abb. 2e, f). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass, obwohl die grundlegende Gewebestruktur der Acomys-Haut der von M. musculus ähnelt, der von den Adnexen eingenommene Raum in der Dermis den absoluten Bindegewebsgehalt verringert, was möglicherweise zu der geringeren Elastizität und der geringeren Zugfestigkeit beiträgt, wenn die Haut unter Spannung gesetzt wird6. Das Fehlen einer Bruchebene unterstreicht diesen Befund und spricht für einen inhärenten strukturellen Unterschied, der der beobachteten Schwäche der Acomys-Haut zugrunde liegt.

Angesichts der inhärenten strukturellen Schwäche und der Neigung zu reißen, haben wir die Fähigkeit von Acomys, Hautwunden zu heilen, anhand von kleinen (4 mm) und großen (1,5 cm), vollflächigen Exzisionswunden (FTE) untersucht. Bei Wunden beider Größen kam es zu einer raschen Schorfbildung und Blutstillung, die bei großen Wunden zu einer Verringerung der Wundfläche um 64 % ± 3,1 % 24 Stunden nach der Verletzung führte (Abb. S2a). Bei der narbenfreien Heilung von Landsalamandern7 und Säugetierföten8 wird das Wundbett innerhalb weniger Tage reepithelisiert, während eine 4 mm große Wunde in der Haut erwachsener Ratten 5-7 Tage zur Reepithelisierung benötigt9. Bei Acomys stellten wir fest, dass fünf von sechs 4 mm Wunden bis zum dritten Tag nach der Verletzung (D3) vollständig reepithelisiert waren, während Mus-Wunden nicht so schnell reepithelisierten (Abb. 2g, h). Nach der Reepithelisierung verlassen sich Säugetiere mit lockerer Haut (z. B. Nagetiere, Kaninchen usw.) hauptsächlich auf die Kontraktion, um ihre Wunden zu heilen10. In ähnlicher Weise beobachteten wir hohe Kontraktionsraten, die nach 17 Tagen 95 % des Wundverschlusses ausmachten (Abb. S2a-c). Im Gegensatz zur Narbenbildung, bei der sich die Kollagenfasern in einem dichten Netzwerk parallel zur Epidermis organisieren, nehmen die Kollagenfasern bei der narbenfreien Heilung ein Muster an, das dem der unverletzten Dermis ähnelt10. Bei der Untersuchung der extrazellulären Matrix (ECM) bei D10 beobachteten wir bei Mus eine Narbenbildung, während bei Acomys die Kollagenfibrillen weniger dicht gepackt waren und eine eher poröse Struktur aufwiesen (Abb. 2i, j). Bei der Verwendung von Picrosirius-Rot stellten wir fest, dass der Wundgrund bei D10 in Mus überwiegend aus Kollagen vom Typ I bestand, während in Acomys Kollagen vom Typ III in größerer Menge vorhanden war (Abb. 2k, l). Dieser Unterschied war bei 1,5 cm langen Wunden noch deutlicher ausgeprägt (Abb. S3a-b‘). Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass die schnelle Reepithelisierung und die Kontraktion der Wundränder die Größe offener Hautrisse bei Acomys stark reduziert. Unsere Ergebnisse, dass die Wund-ECM (1) langsam abgelagert wird, (2) eine poröse Konfiguration aufweist und (3) von Typ-III-Kollagen dominiert wird, deuten darauf hin, dass diese Zusammensetzung die Regeneration gegenüber der Fibrose während der Hautreparatur bei Acomys begünstigt.

Um die Regenerationsfähigkeit der Wundumgebung zu testen, untersuchten wir große heilende Wunden auf Anzeichen von Haarfollikel-Neogenese und dermaler Regeneration. In Verbindung mit der poröseren ECM beobachteten wir im Wundbett zwischen D21 und D28 die Follikelneubildung normaler Pelagehaare und großer Stachelhaare, und wir konnten alte, große Follikel in der Nähe der Wundränder von neu regenerierten Follikeln innerhalb des Wundbetts unterscheiden (Abb. 3a-d und Abb. S3c-e). Neue Follikel schienen sich im gesamten nicht kontrahierten Teil des Wundbetts zu regenerieren, nicht nur in der zentralen Region (Abb. 3c und Abb. S3e), und wir beobachteten regenerierende Haarfollikel in verschiedenen Entwicklungsstadien (Abb. 3a-m und Abb. S4a-c). Eine lokalisierte und stark proliferative Population von Epidermiszellen treibt die Haarfollikelentwicklung voran, und wir beobachteten ein ähnliches Phänomen während der Follikelregeneration (Abb. 3e und Abb. S4a-c). Um zu untersuchen, ob die embryonalen Signalnetzwerke, die während der Haarfollikelentwicklung genutzt werden, auch während der Haarfollikelregeneration zum Einsatz kommen, untersuchten wir Keratin-17 (Krt17), das während der Hautentwicklung diffus in der Epidermis exprimiert wird und sich nach und nach auf die sich entwickelnden Haarfollikel beschränkt11. Nach der Reepithelisierung war KRT17 in der gesamten Neoepidermis, die über dem Wundbett lag, bei D14 stark angereichert, und als sich im Wundbett neue Haarfollikel bildeten, wurde KRT17 auf das Follikelepithel beschränkt (Abb. 3f und Abb. S5). Während der Wundheilung in Mus stellten wir fest, dass KRT17 in der reepithelisierten Epidermis bei D14 ebenfalls stark hochreguliert war (Abb. S5), und obwohl KRT17 bei D21 an einigen basalen Keratinozyten in der Mus-Epidermis lokalisiert war, gelang es diesen Stellen nicht, zu Plakoden oder neuen Haarfollikeln zu aggregieren, so dass KRT17 in der neuen Epidermis bei D26 vollständig fehlte (Abb. 3f). Das Verschwinden von KRT17 aus den basalen Keratinozyten in Mus, zusammen mit unserer Beobachtung der fortgesetzten Lokalisierung in neuen Plakoden und Haarfollikeln in Acomys, deutet darauf hin, dass die zugrundeliegenden dermalen Signale, die zur Induktion der Plakodenbildung in Mus erforderlich sind, nicht vorhanden sind.

Obwohl das genaue Signal für die Plakodenbildung unklar bleibt, ist die Wnt-Signalisierung für die normale Follikelbildung unbedingt erforderlich12. Die nukleäre Lokalisierung des LEF1-Proteins wurde als Indikator für diese induktive Signalübertragung verwendet13. Wir konnten eine nukleäre Anhäufung von LEF1 in regenerierenden epidermalen Plakoden, kondensierenden dermalen Fibroblasten unter dem Haarkeim und in dermalen Papillen- und Matrixzellen nachweisen (Abb. 3g, h und Abb. S6a). Wir konnten auch in einigen basalen Keratinozyten, die keine Plakoden sind, eine Färbung des LEF1-Kerns in geringen Mengen nachweisen, wohingegen wir in der Epidermis während der Wundheilung bei Mus kein LEF1-Kern nachweisen konnten, was darauf hindeutet, dass die epidermale Wnt-Aktivierung in Acomys teilweise unserer Beobachtung der Haarfollikelregeneration zugrunde liegt (Abb. S6b, c).

Die Regulierung der kanonischen Bmp-Signale spielt auch eine Rolle bei der Haarfollikelinduktion und der Differenzierung von Follikelvorläuferpopulationen zum reifen Haarfollikel (siehe14). Die Phosphorylierung der SMADs 1, 5 und 8 (pSMAD1/5/8) ist ein robuster Indikator für die kanonische Bmp-Signalübertragung. Wir wiesen pSMAD1/5/8 in niedrigen Konzentrationen während der Follikelinduktion und später in höheren Konzentrationen in dermalen Papillen- und Matrixzellen nach, die sich in der Haarzwiebel differenzieren (Abb. 3i, j). Darüber hinaus konnten wir in einigen regenerierenden Haarfollikeln SOX2-positive dermale Papillen nachweisen, was mit ihrer Rolle bei der Spezifizierung verschiedener Haartypen während der Haarfollikelentwicklung der Maus übereinstimmt15 (Abb. 3k). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass regenerierende Haarfollikel in Acomys bestimmte Stadien der Haarfollikelentwicklung durchlaufen, hohe Proliferationsraten aufweisen und molekulare Pfade, die während der embryonalen Haarfollikelentwicklung genutzt wurden, erneut nutzen, um neue Haarfollikel zu regenerieren.

Die Haut erwachsener Säugetiere ist normalerweise nicht in der Lage, von der Epidermis abgeleitete Strukturen als Reaktion auf eine Verletzung zu regenerieren (z. B. Drüsen und Haarfollikel). Eine Ausnahme bildet die Beobachtung der spontanen Follikelgenese in großen Schnittwunden bei Kaninchen und neuerdings auch bei Labormäusen (C57BL6/SJ, SJL oder gemischter Stamm)16,17,18. Kaninchen sind auch eine der wenigen Säugetierarten, die in der Lage sind, große Ohrstanzwunden zu regenerieren19. Wir stellten die Hypothese auf, dass sich die bei Acomys beobachtete Regenerationsfähigkeit auch auf ihr Ohrgewebe erstrecken könnte. Um dies zu testen, stachen wir 4 mm große Löcher in die Ohren beider Acomys-Arten und stellten zu unserer Überraschung fest, dass sie in der Lage waren, diese großen Löcher zu schließen (Abb. 4a-c und Abb. S7a-c). Das unverletzte Ohrgewebe enthält Haut (Epidermis und Dermis), Haarfollikel, Fettzellen, Muskeln und Knorpel; wir stellten fest, dass Acomys in der Lage waren, all diese Gewebe mit hoher Zuverlässigkeit vollständig zu regenerieren, mit Ausnahme der Muskeln (Abb. 4b-c). Zwölf Tage nach der Verletzung beobachteten wir eine Anhäufung von Zellen rund um den Umfang der Wunde unter der Epidermis, und obwohl die Regeneration neuen Gewebes zentripetal verlief, sammelten sich die Zellen in größerem Umfang auf der proximalen Seite der Stanze. Die Haarfollikel- und Knorpelregeneration verlief in einer Welle von proximal nach distal (Abb. 4d, e), und ähnlich wie bei der Haut aktivierte die follikuläre Epidermis im Ohr die Wnt-Signalisierung (Abb. S6d, e). Im Gegensatz zu Acomys waren Mus nicht in der Lage, 4 mm große Ohrlöcher zu regenerieren und bildeten stattdessen Narbengewebe (Abb. S8a, b). Interessanterweise führte die Mus-Ohrreparatur trotz der Narbenbildung zu einer de novo-Bildung von Knorpelkondensationen distal des durchtrennten Knorpels, was darauf hindeutet, dass Mus eine regenerative Reaktion nach einer Ohrverletzung einleiten, aber nicht aufrechterhalten könnte (Abb. S8b).

Es ist nach wie vor unklar, ob die Regeneration bei Säugetieren durch die Bildung eines Blastemas erfolgt oder stattdessen eine übertriebene Version des hyperplastischen Wachstums ist20,21,22. Die Blastamabildung gilt als ein Kennzeichen der epimorphen Regeneration. Ein Merkmal eines Regenerationsblastems ist, dass es proliferierende Zellen enthält und die Proliferation während der Regeneration aufrechterhält23. Wir beobachteten eine weit verbreitete Proliferation im gesamten Ohrregenerat von Acomys und überraschenderweise auch im gesamten heilenden Ohrgewebe von Mus (Abb. 4f, g). Allerdings stellten wir einen Mangel an Proliferation in der distalen Epidermis von Acomys fest, während wir bei Mus eine Proliferation in der gesamten Epidermis bis zur distalen Spitze nachweisen konnten (Abb. 4f, g). Während die Proliferation in den Acomys-Ohren erhalten blieb, beobachteten wir in den Mus-Ohren im späteren Stadium fast keine proliferierenden Zellen (Abb. 4h, i).

Ein zweites Merkmal eines Blastemas ist die Bildung eines spezialisierten epidermalen Signalzentrums (die Wund-Epidermis), das erforderlich ist, damit proliferierende Blastemazellen im Zellzyklus verbleiben24, und das durch einen Verlust der epidermalen Schichtung, den Verlust der basalen Keratinozytenpolarität und das Fehlen einer reifen Basallamina25 gekennzeichnet ist. Nach der Reepithelisierung bei Acomys stellten wir eine Verdickung der distalen Epidermis, eine Desorganisation der basalen Keratinozyten und das Fehlen einer reifen Basalmembran fest (Abb. 4j). Im Vergleich dazu wies die Epidermis in der Nähe der Amputationsebene eine normale Schichtung auf und besaß eine ausgeprägte Basalmembran (Abb. 4k). Im Gegensatz dazu schien Mus nach der Reepithelisierung nur vorübergehend eine Wundepidermis zu bilden, wobei ein verhältnismäßig kleiner distaler Bereich diese Merkmale für kurze Zeit aufwies (Daten nicht gezeigt). Bei D12 in Mus zeigte die Kollagen-Typ-IV-Färbung eine reife Basalmembran unter der gesamten Epidermis des heilenden Ohrs (Abb. 4l). Darüber hinaus wies die Epidermis eine normale Schichtung und eine korrekte apikal-basale Polarität der basalen Keratinozyten auf (Abb. 4g, l).

Neben der anhaltenden Proliferation und Bildung der Wundepidermis spielen Moleküle der extrazellulären Matrix (ECM) eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung der Proliferation und der Steuerung der nachfolgenden Differenzierung während der Regeneration26. Im Gegensatz dazu werden Moleküle wie Laminin und Kollagen Typ I, die die Differenzierung begünstigen, während der Regeneration der Gliedmaßen von Amphibien im Blastem herunterreguliert und bei fortschreitender Differenzierung des Bewegungsapparats exprimiert26,27. Die histologische Untersuchung von Acomys-Ohren bei D12 ergab hohe Mengen an Fibronektin (FN), etwas Tenascin-C (TN-C), das dicht gepackte Zellen umgibt, aber sehr geringe Mengen an Kollagen Typ I (Abb. S9a-c). Auch Kollagen Typ III war während der Regeneration häufiger vorhanden als Kollagen Typ I (Abb. S9d-d‘). TN-C wurde auf Bereiche beschränkt, in denen sich neuer Knorpel zu differenzieren begann, und innerhalb dieser differenzierenden Zellen fanden wir eine Aktivierung des Bmp-Signalwegs in Zellen, aus denen neuer Ohrknorpel entstand (Abb. 4o und Abb. S10). Während des hyperplastischen Wachstums der Mus-Ohren wies die ECM anfänglich einen hohen FN-Gehalt und einen niedrigen TN-C-Gehalt auf, wie dies auch bei den Acomys-Ohren der Fall war, produzierte aber relativ hohe Mengen an Kollagen Typ I (Abb. S9e-g). Die Kollagenproduktion in Mus war nicht nur schneller und reichhaltiger, sondern wies auch ein höheres Verhältnis von Kollagen Typ I zu III auf (Abb. S9h, h‘). Angesichts der übermäßigen Produktion von Kollagen Typ I in Mus stellten wir uns die Frage, ob sich die ansässigen Fibroblasten zu Myofibroblasten differenzieren, die anstelle der Regeneration zur Narbenbildung beitragen (siehe28). Mit Hilfe von Alpha-Glattmuskel-Aktin (αSMA) fanden wir Myofibroblasten in großer Zahl im gesamten Ohrgewebe von Mus, während sie in den Ohren von Acomys fast vollständig fehlten (Abb. 4m, n). Diese Daten bestätigen die Bedeutung der Wund-ECM für die Förderung der Proliferation bei gleichzeitiger Antagonisierung der Differenzierung und untermauern frühere Arbeiten, die zeigen, dass die frühzeitige Bildung von Kollagen Typ I die Regeneration von Anhängseln behindert27.

Unsere Daten legen nahe, dass die reparative Ohrregeneration bei Acomys ein Gleichgewicht zwischen der vorzeitigen Neubildung der Dermis (Narbenbildung) und der Aufrechterhaltung der Zellproliferation in einem regenerationsfreundlichen Umfeld darstellt. Im Gegensatz dazu gelingt es Mus nicht, eine Wundepidermis zu bilden (oder aufrechtzuerhalten), was mit einer verfrühten Bildung der Basalmembran und einer Schichtung der Epidermis einhergeht. Dies führt zu einem Verlust der Zellproliferation, einer verstärkten Ablagerung von Kollagen Typ I (anstelle von Kollagen Typ III), einer Aktivierung der Myofibroblasten und schließlich zu einer Narbenbildung. Während unsere Daten darauf hindeuten, dass die Ohrregeneration ähnliche Merkmale wie die Blastembildung aufweist, ist das Verständnis der molekularen Signale, die für die Organisation und Aufrechterhaltung einer Wundepidermis erforderlich sind, und die Identifizierung der Abstammung der regenerierenden Zellen von entscheidender Bedeutung, um zu klären, wie die Regeneration bei diesen Tieren erfolgt. Zukünftige Arbeiten, die untersuchen, wie Acomys in der Lage sind, die Fibrose zu kontrollieren, werden Aufschluss darüber geben, wie Regeneration und Narbenbildung angesichts von Infektionen und Entzündungen bei wilden Säugetieren ausgeglichen werden können, und stellen ein ideales Modellsystem dar, um die epimorphe Regeneration bei Säugetieren zu untersuchen.