Echtzeit-Bildgebung der CCL5-induzierten Migration von periostalen Skelettstammzellen in Mäusen

Die Frakturreparatur ist ein dynamischer, mehrzelliger Prozess, der sich von der embryonalen Skelettentwicklung und dem Umbau unterscheidet. Während dieses Prozesses folgt auf die Induktion von Verletzungssignalen aus geschädigtem Gewebe die schnelle Rekrutierung, Proliferation und anschließende Differenzierung von Skelettstamm- / Vorläuferzellen, die alle für die Gesamtstabilität und Fixierung von Frakturen entscheidend ^sind1. Insbesondere erfordern frühe Stadien der Frakturheilung eine weiche Kallusbildung, die hauptsächlich auf periostale residente Zellen zurückgeführt ^wird2. Wenn Knochen verletzt werden, reagiert eine Untergruppe von Periostzellen schnell und trägt zu neu differenzierten Knorpelzwischenprodukten und Osteoblasten innerhalb des ^Kallus3 bei, was das Vorhandensein einer ausgeprägten Skelettstamm- / Vorläuferzellpopulation im Periost impliziert. Daher stellen die Identifizierung und funktionelle Charakterisierung der periostresidenten Skelettstammzellen (SSCs) einen vielversprechenden Therapieansatz für degenerative Knochenerkrankungen und Knochendefekte ^dar4.

Es wird angenommen, dass sich SSCs an mehreren Gewebestandorten befinden, einschließlich des Knochenmarks. Ähnlich wie im Knochenmark wurden auch osteogene/chondrogene SSCs im Periost ^{identifiziert4,5,6}.  Diese periostalen SSCs (P-SSCs) können während der fetalen Knochenentwicklung mit frühen mesenchymalen Lineage-Markern (d. h. Prx1-Cre5, Ctsk-Cre7 und Axin2-CreER8) markiert werden4,7,8,9,10. Eine wesentliche Einschränkung dieser Modelle zur Verfolgung einzelner genetischer Abstammungslinien besteht darin, dass innerhalb der markierten Zellpopulationen eine erhebliche Heterogenität besteht. Darüber hinaus können sie markierte SSCs in vivo nicht von ihren Nachkommen unterscheiden. Um diese Einschränkung zu beheben, haben wir kürzlich eine Dual-Reporter-Maus (Mx1-Cre⁺Rosa26-Tomato⁺α SMA-GFP⁺) entwickelt, um P-SSCs aus Knochenmark-SSCs (BM-SSCs)¹¹ deutlich sichtbar zu machen. Mit diesem Modell wurde festgestellt, dass P-SSCs durch Mx1⁺αSMA⁺-Doppelmarkierung gekennzeichnet sind, während sich differenziertere Mx1^+-Zellen im Knochenmark, in endostalen und periostalen Oberflächen sowie in kortikalen und trabekulären Knochen ^{befinden11,12}.

Es ist bekannt, dass mehrere Zytokine und Wachstumsfaktoren den Knochenumbau und die Knochenreparatur regulieren und wurden auf die Verbesserung der Skelettreparatur bei kritischen Segmentdefekten ^getestet1,13. Aufgrund der zellulären Komplexität von Verletzungsmodellen, die durch die Störung der physikalischen Barriere des Knochenkompartiments entstehen, sind die direkten Auswirkungen dieser Moleküle auf die endogene P-SSC-Migration und -Aktivierung während der Heilung jedoch unklar. Die funktionellen Eigenschaften und die Migrationsdynamik von SSCs werden häufig in vitro durch die Durchführung eines Transwell- oder Scratch-Assays in Kombination mit Zytokinen oder Wachstumsfaktoren bewertet, von denen bekannt ist, dass sie die Migration in anderen Zellpopulationen induzieren. Daher ist die Interpretation der Ergebnisse dieser In-vitro-Experimente für die Anwendung in den entsprechenden in vivo-Systemen eine Herausforderung. Derzeit wird die In-vivo-Bewertung der Skelettstamm-/Vorläuferzellmigration in der Regel nicht in Echtzeit beobachtet; Vielmehr wird es zu festen Zeitpunkten nach der Fraktur gemessen5,7,14,15,16.

Eine Einschränkung dieser Methode besteht darin, dass die Migration nicht auf Einzelzellebene bewertet wird; Vielmehr wird es über Veränderungen der Zellpopulationen gemessen. Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der intravitalen Mikroskopie lebender Tiere und der Erzeugung zusätzlicher Reportermäuse ist nun eine In-vivo-Verfolgung einzelner Zellen möglich. Unter Verwendung der intravitalen Mikroskopie von Lebendtieren beobachteten wir die deutliche Migration von P-SSCs aus der Calvaria-Nahtnnische zu einer Knochenverletzung innerhalb von 24-48 h nach der Verletzung bei Mx1/Tomato/αSMA-GFP-Mäusen.

CCL5/CCR5 wurde kürzlich als Regulierungsmechanismus identifiziert, der die Rekrutierung und Aktivierung von P-SSCs während des frühen Verletzungsreaktionsverhaltens beeinflusst. Interessanterweise wurde keine signifikante P-SSC-Migration als Reaktion auf eine Verletzung in Echtzeit festgestellt. Die Behandlung einer Verletzung mit CCL5 führt jedoch zu einer robusten, richtungsdifferierten Migration von P-SSCs, die in Echtzeit erfasst werden kann. Daher ist es das Ziel dieses Protokolls, eine detaillierte Methodik für die Aufzeichnung der In-vivo-Migration von P-SSCs in Echtzeit nach der Behandlung mit CCL5 bereitzustellen.