Dieser Artikel beschreibt, wie man eine chirurgische Methode durchführt, um die Bildung von Wundepidermis während der Regeneration der Axolotlgliedmaßen zu hemmen, indem sofort die Haut in voller Dicke über die Amputationsebene näht wird. Diese Methode ermöglicht es den Forschern, die funktionellen Rollen der Wundepidermis in den frühen Stadien der Regeneration der Gliedmaßen zu untersuchen.
Klassische Experimente in der regenerativen Biologie des Salamanders im letzten Jahrhundert haben seit langem gezeigt, dass die Wundepidermis eine entscheidende Signalstruktur ist, die sich nach der Amputation schnell bildet und für die Regeneration der Gliedmaßen erforderlich ist. Die Methoden zur Untersuchung seiner genauen Funktion auf molekularer Ebene in den letzten Jahrzehnten waren jedoch aufgrund eines Mangels an präzisen funktionellen Techniken und genomischen Informationen, die in Salamander-Modellsystemen verfügbar sind, begrenzt. Aufregenderweise ermöglicht es die jüngste Fülle von Sequenzierungstechnologien, gepaart mit der Freisetzung verschiedener Salamandergenome und dem Aufkommen funktioneller genetischer Testmethoden, einschließlich CRISPR, diese grundlegenden Experimente mit beispielloser molekularer Auflösung erneut zu besuchen. Hier beschreibe ich, wie man die klassisch entwickelte Vollhautlappenoperation (FSF) bei erwachsenen Axolotls durchführt, um die Bildung der Wundepidermis unmittelbar nach der Amputation zu hemmen. Die Wundepidermis bildet sich normalerweise durch distale Migration von Epithelzellen in der Haut proximal zur Amputationsebene, um die Wunde von der äußeren Umgebung abzudichten. Die Operation beinhaltet das sofortige Nähen der Haut in voller Dicke (die sowohl epidermale als auch dermale Schichten umfasst) über der Amputationsebene, um die Migration von Epithelzellen und den Kontakt mit dem darunter liegenden beschädigten mesenchymalen Gewebe zu behindern. Erfolgreiche Operationen führen zur Hemmung der Blastembildung und der Regeneration der Gliedmaßen. Durch die Kombination dieser chirurgischen Methode mit zeitgenössischen nachgelagerten molekularen und funktionellen Analysen können Forscher beginnen, die molekularen Grundlagen der Funktion und Biologie der Wundepidermis während der Regeneration der Gliedmaßen aufzudecken.
Seit Lazzaro Spallanzani es 17681 gemeldet hat, ist die Regeneration der Salamandergliedmaßen eines der am besten untersuchten natürlichen regenerativen Phänomene, das Biologen seit Jahrhunderten verliebt. Eine erfolgreiche Regeneration der Gliedmaßen hängt von der Bildung, dem Auswachsen und der anschließenden Musterung einer undifferenzierten Zellstruktur ab, die als Blastema bekannt ist. Forscher haben bedeutende Fortschritte beim Verständnis der zellulären Zusammensetzung des Blastomas gemacht und welche unterstützenden Gewebe und Zelltypen für seine Bildung notwendig sind2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 . Die koordinierten Signalmechanismen zwischen verschiedenen Geweben und Zelltypen, die zur Initiierung der Blastembildung führen, sind jedoch nach wie vor kaum verstanden.
Eine Schlüsselvoraussetzung für eine erfolgreiche Blastomenbildung und Regeneration ist die Wundepidermis, ein vorübergehendes und spezialisiertes Epithel, das die Amputationsebene innerhalb von 12 Stunden nach der Amputation abdeckt10. Nach der Amputation wandern Epithelzellen von der intakten Haut proximal zur Verletzung schnell über die Amputationsebene und bilden ein dünnes Wundepithel14. Wenn sich das Blastema in den folgenden Wochen bildet, entwickelt sich die frühe Wundepidermis zu einer dickeren epithelialen Signalstruktur, der apikalen Epithelkappe (AEC)15. Während normale Haut in voller Dicke sowohl eine Epithel- als auch eine Hautschicht enthält, die durch eine Basallamina getrennt sind, besteht die Wundepidermis/AEC nur aus einer Epithelschicht und es fehlt eine Basallamina16,17. Das Fehlen der Basallamina und der Dermis ermöglicht einen direkten Kontakt zwischen den Wundepithelzellen und den darunter liegenden Geweben, was eine bidirektionale Signalübertragung zwischen den beiden Kompartimenten erleichtert, die sowohl für die Blastembildung als auch für die Aufrechterhaltung von Blastemen entscheidend ist17,18.
Klassische experimentelle Studien entwickelten verschiedene innovative chirurgische Methoden, um die Funktion und Notwendigkeit der Wundepidermis / AEC durch Hemmung ihrer Bildung zu untersuchen. Diese Methoden umfassten das Nähen19 oder das Pfropfen der Haut in voller Dicke20,21 über die Amputationsebene, das sofortige Einnähen der amputierten Extremität in die Körperhöhle22 und die kontinuierliche tägliche Entfernung oder Bestrahlung der frühen Wundepidermis und AEC23,24. Insgesamt stellten diese Experimente nicht nur die Bedeutung der Wundepidermis/AEC fest, sondern bestimmten auch ihre Rolle bei der frühen Gewebehistolyse sowie bei der Aufrechterhaltung der Progenzellproliferation und des blastemalen Auswachsens13 während der gesamten Regeneration.
Diese früheren Studien beschränkten sich jedoch weitgehend auf histologische Färbungen sowie tritiierte Thymidinimpulse, um die Zellproliferation zu verfolgen. Tatsächlich wurde die Überprüfung dieser klassischen Experimente mit modernen Sequenzierungstechnologien und Funktionstechniken bei Salamandern erst kürzlich durchgeführt und hat zur Entdeckung zusätzlicher Rollen für die Wundepidermis bei der Modulation von Entzündungen und ECM-Abbau / -Ablagerung in frühen Stadien der Regeneration geführt25. Mit der Freisetzung verschiedener Salamandergenom- und Transkriptomsequenzen26,27,28,29,30,31,32,33,34, sowie der wachsenden Anzahl von funktionellen Methoden, die in Salamanderarten verfügbar sind11,35,36,37,38 sind die Forscher nun gut positioniert, um die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die die Bildung, Funktion und AEC-Entwicklung der Wundepidermis antreiben.
Leider sind einige dieser klassischen Methoden, die zur Hemmung der Wundepidermisbildung verwendet werden, technisch anspruchsvoll und stellen im selben Experiment Schwierigkeiten für die Reproduzierbarkeit zwischen biologischen Replikaten dar. Zum Beispiel kann die Aufrechterhaltung von Hauttransplantaten eine Herausforderung sein, da Transplantate schließlich von der Wirtsextremität fallen können und die Entfernung der Wundepidermis / AEC täglich schwierig ist, ohne das darunter liegende Gewebe zu schädigen. Darüber hinaus ist das Nähen der amputierten Extremität in die Körperhöhle eine Herausforderung und erfordert zusätzliche Verletzungen an der Insertionsstelle. Auf der anderen Seite ist das Nähen von Haut in voller Dicke unmittelbar über der Amputationsebene relativ einfach, technisch reproduzierbar und führt zu minimalen Gewebeschäden. Diese Vollhautlappen-Operationsmethode (FSF) wurde bereits 1976 von Anthony Mescher bei erwachsenen Molchen (Notophthalmus viridiscens) entwickelt. Er zeigte, dass die FSF-Operation die Bildung und Funktion der Wundepidermis hemmte, indem sie sowohl die Migration von Epithelzellen über die Amputationsebene als auch den direkten Kontakt zwischen Epithelzellen und den darunter liegenden Geweben verbot.
Hier wird dieser chirurgische Eingriff Schritt für Schritt mit dem Axolotlglied gezeigt. In Verbindung mit modernen Molekular- und Sequenzierungstechnologien kann sich diese Technik für Forscher als sehr hilfreich erweisen, um unser Verständnis der Bildung und Funktion von Wundepidermis / AEC während der Regeneration der Gliedmaßen zu vertiefen.
Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll zur Durchführung von Operationen mit vollem Hautlappen in Axolotl-Gliedmaßen, um die Bildung von Wundepidermis zu hemmen. Während diese Operation im Vergleich zu anderen Methoden zur Hemmung der Wundepidermisbildung relativ einfach und technisch reproduzierbar ist, gibt es mehrere kritische Schritte, die den Erfolg der Operation beeinflussen können. Erstens, wenn Sie den intakten vollen Hautlappen über das freiliegende darunter liegende Gewebe ziehen, ist es von größter Bedeutung, dass die Haut in voller Dicke in keiner Weise beschädigt wird. Eine Schädigung des Hautlappens kann immer noch zur Bildung einer kleinen Wundepidermis führen, die zu einem kleinen blastemartigen Auswuchs führen kann. Zweitens, stellen Sie sicher, dass während der postoperativen Versorgung keine Nähte ausfallen, da dies auch zur Bildung einer kleinen Wundepidermis führen kann. Bis zu diesem Punkt ist es wichtig, den potenziellen Kontakt zwischen der vernähten Extremität und allen Oberflächen zu minimieren, insbesondere in der ersten Woche nach der Operation. Mehrere Möglichkeiten, dies zu verhindern, bestehen darin, den Axolotl in einem ausreichend großen Behälter unterzubringen und zu betäuben, so dass der Axolotl nach der Operation viel Platz hat, um sich zu bewegen.
Diese Operation hat auch mehrere Einschränkungen. Am bemerkenswertesten ist vielleicht, dass der Erfolg von Operationen nur auf zwei Arten beurteilt werden kann: mit dem Sezierbereich während der ersten zwei Wochen der Operation, um nach dem Fehlen einer Wundepidermis zu suchen und / oder zu überprüfen, ob sich innerhalb von 3 Wochen ein Blastema bildet. Während diese Methoden effektiv sind, haben sie einen relativ geringen Durchsatz. Die Entwicklung zukünftiger transgener Reporter-Axolotls für Wundepidermis-spezifische Marker kann zu einem schnelleren Screening auf erfolgreiche und erfolglose Operationen beitragen. Darüber hinaus ist diese Operation bei jüngeren Tieren schwieriger durchzuführen, da die intakte Haut zerbrechlicher ist. Die Verwendung von subadulten oder adulten Axolotls wird daher empfohlen.
Während diese Operation ursprünglich in N. viridiscens19 entwickelt wurde, wurde sie leicht für Axolotls25,39 angepasst und kann wahrscheinlich auch auf andere Salamanderarten angewendet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anwendung dieser Technik auf zukünftige regenerative Studien zu Gliedmaßen die Forscher in die Lage versetzen wird, sowohl mehr Werkzeuge zur Behandlung der Wundepidermisbiologie zu entwickeln als auch die zugrunde liegenden Mechanismen zu identifizieren, die ihre Funktion bei der Einleitung der Blastomabildung antreiben.
The authors have nothing to disclose.
Der Autor dankt Doug für seine ständige Ermutigung und unerschütterliche Unterstützung sowie den Mitgliedern des Melton-Labors für ihr hilfreiches Feedback und ihre Kommentare zum Manuskript. Der Autor möchte auch dem Harvard Office of Animal Resources (OAR) für seine engagierte Tierpflege danken.
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