本稿では、切断面上に全厚皮膚を直ちに縫合することにより、軸索四肢再生時の創傷表皮形成を抑制する外科的方法を実行する方法を説明する。この方法により、研究者は四肢再生の初期段階における創傷表皮の機能的役割を調査することができます。
前世紀にわたるサンショウウオ再生生物学における古典的な実験は、創傷表皮が切断後に急速に形成され、四肢再生に必要とされる重要なシグナル伝達構造であることを長い間確立してきた。しかし、過去数十年にわたり、その正確な機能を分子レベルで研究する方法は、サンショウウオモデルシステムで利用可能な正確な機能技術とゲノム情報の不足のために制限されてきた。近年のシーケンシング技術の多さと、さまざまなサンショウウオゲノムの公開、CRISPRを含む機能的遺伝子検査法の出現により、これらの基礎実験を前例のない分子分解能で再考することが可能になりました。ここでは、切断直後の創傷表皮形成を阻害するために、古典的に開発されたフルスキンフラップ(FSF)手術を成人の軸索軟体において行う方法について説明する。創傷表皮は、通常、切断面に近い皮膚における上皮細胞の遠位移動を介して形成され、創傷を外部環境から遮断する。手術では、切断面上に全厚の皮膚(表皮層と真皮層の両方を含む)を直ちに縫合して、上皮細胞の遊走および根底にある損傷した間葉系組織との接触を妨げる。手術が成功すると、芽球腫形成および四肢再生の阻害が生じる。この手術方法を現代の下流の分子および機能分析と組み合わせることにより、研究者は四肢再生中の創傷表皮機能および生物学の分子基盤を明らかにし始めることができる。
Lazzaro Spallanzaniが17681年に報告して以来、サンショウウオの四肢再生は、何世紀にもわたって生物学者を魅了してきた最もよく研究された自然再生現象の1つです。四肢の再生の成功は、芽球腫として知られる未分化の細胞構造の形成、伸長、およびその後のパターン化にかかっています。研究者らは、芽球腫の細胞組成と、その形成にどの支持組織および細胞型が必要であるかを理解する上で大きな進歩を遂げました2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 .しかし、芽球腫形成の開始につながる異なる組織および細胞型間の協調シグナル伝達機構は、ほとんど理解されていないままである。
芽球腫の形成と再生を成功させるための重要な要件は、切断後12時間以内に切断面を覆う一過性の特殊な上皮である創傷表皮です10。切断に続いて、損傷に近位にある無傷の皮膚から上皮細胞は、切断面上を急速に移動し、薄い創傷上皮14を形成する。次の数週間で芽球腫が形成されると、初期の創傷表皮は、頂端上皮キャップ(AEC)と呼ばれるより厚い上皮シグナル伝達構造に発達する15。通常の全厚皮膚は基底薄層によって分離された上皮層と真皮層の両方を含むが、創傷表皮/ AECは上皮層のみからなり、基底薄層を欠いている16,17。基底薄層および真皮の不在は、創傷上皮細胞と下層組織との間の直接接触を可能にし、これは、芽球腫形成および維持の両方にとって重要である2つの区画間の双方向シグナル伝達を促進する17,18。
古典的な実験的研究は、創傷表皮/AECの機能およびその形成を阻害することによって必要性を探るために、様々な革新的な外科的方法を考案した。これらの方法には、縫合19または切断面上の全厚皮膚20,21の移植、切断された四肢の体腔内への即時縫合22、および早期創傷表皮およびAEC23,24の毎日の連続的な除去または照射が含まれていた。全体として、これらの実験は創傷表皮/AECの重要性を確立しただけでなく、再生中は前駆細胞増殖と芽球外生を維持するだけでなく、初期の組織組織溶解におけるその役割をさらに決定しました13。
しかし、これらの以前の研究は、組織学的染色および細胞増殖を追跡するためのトリチウム化チミジンパルスに大きく制限されていた。実際、サンショウウオにおける現代のシーケンシング技術と機能的技術を用いてこれらの古典的な実験を再考することはごく最近になって行われ、再生の初期段階における炎症およびECM分解/沈着を調節する上で創傷表皮に対するさらなる役割の発見につながった25。様々なサンショウウオゲノムおよびトランスクリプトーム配列26,27,28,29,30,31,32,33,34の放出、ならびにサンショウウオ種で利用可能な機能的方法の急増により11,35,36,37,38研究者らは現在、創傷表皮の形成、機能、およびAEC発生を駆動する分子メカニズムを解明し始めるのに有利な立場にある。
残念なことに、創傷表皮形成を阻害するために使用されるこれらの古典的な方法のいくつかは技術的に困難であり、同じ実験における生物学的複製間の再現性に困難を提示する。例えば、移植片が最終的に宿主の四肢から脱落する可能性があり、創傷表皮/ AECの毎日の除去は、基礎となる組織を損傷することなく困難であるため、皮膚移植片を維持することは困難な場合がある。さらに、切断された四肢を体腔内に縫合することは困難であり、挿入部位で追加の傷害も必要とする。一方、切断面のすぐ上に全厚の皮膚を縫合することは比較的簡単で、技術的に再現性があり、組織損傷を最小限に抑えます。このフルスキンフラップ(FSF)外科的方法は、1976年にアンソニー・メッシャーによって成体のイモリ(Notophthalmus viridiscens)で以前に開発されました。彼は、FSF手術が切断面上での上皮細胞移動と上皮細胞と下層組織との間の直接接触の両方を禁止することによって、創傷表皮の形成および機能を阻害することを実証した。
ここでは、この外科的処置を、軸索四肢を用いて段階的に示している。現代の分子およびシーケンシング技術と組み合わせることで、この技術は、研究者が創傷表皮/ AECの形成および四肢再生中の機能についての理解を深めるために非常に有用であることが証明されるかもしれない。
この記事では、創傷表皮形成を阻害するために軸索四肢において皮膚全皮フラップ手術を行うためのプロトコルについて説明する。この手術は、創傷表皮形成を阻害する他の方法と比較して比較的簡単で技術的に再現可能であるが、手術の成功に影響を与える可能性のあるいくつかの重要なステップがある。まず、露出した下層組織の上に無傷のフルスキンフラップを引っ張るとき、フルスキンがいかなる方法でも損傷を受けないことが最も重要である。皮膚フラップの損傷は依然として小さな創傷表皮の形成をもたらし、これは小さな芽球腫様の伸長をもたらし得る。第二に、術後ケア中に縫合糸が抜けないようにし、小さな創傷表皮の形成にもつながり得る。この点まで、縫合された四肢と任意の表面との間の潜在的な接触を最小限に抑えることは、特に手術後の最初の週に重要である。これを防ぐいくつかの方法は、アキソロトルが手術後に動き回るのに十分なスペースがあるように、十分に大きな容器にアキソロトルを収容し、麻酔をかけることを伴う。
この手術にはいくつかの制限もあります。おそらく最も注目すべきは、手術の成功は2つの方法でしか評価できないということです:手術の最初の2週間に解剖範囲を使用して創傷表皮の不在を検索すること、および/または3週間以内に芽球腫が形成されるかどうかをチェックする。これらの方法は効果的ですが、スループットは比較的低くなります。創傷表皮特異的マーカーのための将来のトランスジェニックレポーターaxolotlsの開発は、成功した手術と失敗した手術のより迅速なスクリーニングに役立つ可能性がある。さらに、この手術は、無傷の皮膚がより壊れやすいため、若い動物に行うことがより困難です。したがって、亜成体または成人の軸索を使用することが推奨される。
この手術はもともとN. viridiscens19で開発されましたが、axolotls25,39に容易に適応されており、他のサンショウウオ種にも適用できる可能性があります。要約すると、この技術を将来の四肢再生研究に適用することで、研究者は創傷表皮生物学に対処するためのより多くのツールを開発し、芽球腫形成を開始する際にその機能を駆動する根底にあるメカニズムを特定することができます。
The authors have nothing to disclose.
著者は、ダグの絶え間ない励ましと揺るぎないサポート、そして原稿に関する有益なフィードバックとコメントをくれたメルトン研究所のメンバーに感謝します。著者はまた、ハーバード大学動物資源局(OAR)の献身的な動物ケアに感謝したいと思います。
Curved spring scissors | Fine Scientific Tools | 15009-08 | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (Tricaine) | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | |
Forceps | Fine Scientific Tools | 11252-40 | Need two pairs |
Nylon monofilament sutures (9-0) | Roboz | SUT-1000-21 | |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | |
Stereo microscope | Leica | MZ6 | |
Sulfamerazine sodium salt | Sigma-Aldrich | 127-58-2 | |
Surgical scissors | Fine Scientific Tools | 14002-14 |