Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur Erzeugung von Wunden im Epithel einer lebenden Clytia hemisphaerica medusa und zur Abbildung der Wundheilung mit hoher Auflösung in vivo. Darüber hinaus wird eine Technik vorgestellt, mit der Farbstoffe und Medikamente eingesetzt werden können, um Signalprozesse in den Epithelzellen und der extrazellulären Matrix während der Wundheilung zu stören.
Alle tierischen Organe, von der Haut über die Augen bis hin zum Darm, sind mit Epithelschichten bedeckt, die es ihnen ermöglichen, die Homöostase aufrechtzuerhalten und sie gleichzeitig vor Infektionen zu schützen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Fähigkeit, Epithelwunden zu reparieren, für alle Metazoen von entscheidender Bedeutung ist. Die epitheliale Wundheilung bei Wirbeltieren beinhaltet überlappende Prozesse, einschließlich Entzündungsreaktionen, Vaskularisierung und Reepithelialisierung. Die Regulation dieser Prozesse beinhaltet komplexe Wechselwirkungen zwischen Epithelzellen, Nachbarzellen und der extrazellulären Matrix (EZM); Die EZM enthält Strukturproteine, regulatorische Proteine und aktive kleine Moleküle. Diese Komplexität, zusammen mit der Tatsache, dass die meisten Tiere undurchsichtiges Gewebe und unzugängliche EZMs haben, macht es schwierig, die Wundheilung an lebenden Tieren zu untersuchen. Viele Arbeiten zur epithelialen Wundheilung werden daher in Gewebekultursystemen durchgeführt, wobei ein einzelner Epithelzelltyp als Monoschicht auf einer künstlichen Matrix plattiert wird. Clytia hemisphaerica (Clytia) bietet eine einzigartige und spannende Ergänzung zu diesen Studien, die es ermöglicht, die epitheliale Wundheilung an einem intakten Tier mit einer authentischen EZM zu untersuchen. Das ektodermale Epithel von Clytia besteht aus einer einzigen Schicht großer Plattenepithelzellen, die eine hochauflösende Bildgebung mittels Differential Interfering Contrast (DIC)-Mikroskopie an lebenden Tieren ermöglichen. Das Fehlen von migratorischen Fibroblasten, Gefäßen oder Entzündungsreaktionen ermöglicht es, die kritischen Ereignisse bei der Reepithelialisierung in vivo zu analysieren. Die Heilung verschiedener Arten von Wunden kann analysiert werden, darunter einzellige Mikrowunden, kleine und große Epithelwunden sowie Wunden, die die Basalmembran schädigen. In diesem System können die Bildung von Lamellipodien, die Kontraktion der Geldbeutel, die Zelldehnung und die kollektive Zellmigration beobachtet werden. Darüber hinaus können pharmakologische Wirkstoffe über die EZM eingebracht werden, um Zell:EZM-Interaktionen und zelluläre Prozesse in vivo zu modifizieren. Diese Arbeit zeigt Methoden zur Erzeugung von Wunden in lebenden Klytien, zur Aufnahme von Heilungsfilmen und zur Untersuchung von Heilungsmechanismen durch Mikroinjektion von Reagenzien in die EZM.
Schichten von Epithelzellen bedecken die äußere Oberfläche aller Metazoen, kleiden innere Organe aus und unterteilen den tierischen Körper in diskrete Kompartimente. Das Epithel trennt auch das Körperinnere von der äußeren Umgebung und schützt es vor Schäden und Infektionen. Daher war das Aufkommen von Epithelschichten ein wesentlicher Bestandteil der Evolution vielzelliger Tiere, und Epithelschichten sind bei allen Tieren von Wirbeltieren bis zu den basalsten Metazoen zu sehen1. Das Epithel einiger Organe ist eine einzige Monoschicht, wie z. B. in den Lungenluftsäcken, Blutgefäßen und Darm2 sowie in der Epidermis von wirbellosen Tieren wie Planarien und Nesseltieren3. In anderen Geweben, wie z. B. der Haut4 und der Hornhaut5 von Wirbeltieren, ist das Epithel geschichtet, was bedeutet, dass es mehrere Epithelzellschichten2 gibt. In allen Fällen ist die basalste Epithelschicht an der Basalmembran befestigt, einem Proteinblatt, das eine spezialisierte Region der extrazellulären Matrix (EZM) bildet6,7,8.
Brüche im Epithel müssen schnell repariert werden, um eine durchgehende Epithelschicht wiederherzustellen. Die Schädigung des Epithels tritt bei natürlichen Prozessen auf, z. B. bei der Ablösung von Epithelzellen im Darm,9,10 und als Folge von Entzündungen oder körperlichen Traumata. Wenn eine einzelne Epithelzelle beschädigt ist, muss sie sich entweder selbst reparieren oder eliminiert werden, damit sich die umgebenden Zellen aneinander anheften und das Loch11,12 schließen können. In Wunden, die größer als die Größe einer einzelnen Zelle sind, müssen sich Epithelzellen bewegen, um sich gegenseitig zu erreichen und das Blatt13 zu reparieren. Dies kann durch Zellausbreitung erreicht werden, wenn die Lücken klein sind, oder kann die Migration von Epithelzellen von den Rändern einer Wunde erfordern, um die Wundlücke zu schließen; Letzteres wird als Reepithelialisierung bezeichnet14,15. In embryonalen Geweben breiten sich Epithelzellen aus und wandern, um Wunden zu schließen, oder werden durch die Kontraktion von Aktomyosinkabeln, die sich zwischen den Zellen am Wundrand bilden, in einem Mechanismus, der einer Geldbeutelschnurähnelt 16, über die Lücke gezogen. In vielen adulten Geweben beinhaltet die Reepithelialisierung die Migration kohärenter Zellschichten, wobei die Zellen ihre Verbindungen zu benachbarten Zellen beibehalten14,17,18. In anderen Geweben werden Zell-Zell-Verbindungen abgebaut und Epithelzellen verhalten sich eher wie mesenchymale Zellen, die sich während der Reepithelialisierung koordiniert, aber unabhängig in die Wundregion bewegen 14,19,20,21.
Die Bewegungen der Epithelzellen werden durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den migrierenden Zellen und zwischen den Zellen und der EZM reguliert. Obwohl es eine enorme Menge an experimenteller Literatur gibt, die sich mit den Mechanismen der Wundaktivierung von Epithelzellen und der anschließenden Migration befasst, bleibt noch viel zu entdecken. So ist beispielsweise das anfängliche Signal, das Epithelzellen dazu anregt, als Reaktion auf eine Wunde zu migrieren, nicht eindeutig identifiziert22, und es ist auch nicht vollständig verstanden, wie Aktin wieder eingesetzt wird, um Lamellipodien auf der Seite der Epithelzellen zu erzeugen, die der Wunde am nächsten liegt 22,23,24,25,26,27. Die kollektive Zellmigration erfordert, dass Informationen von Zellen an der Wunde mit Zellen distal der Wunde geteilt werden, und der Kommunikationsweg ist noch unklar28. Zell:Zell-Verbindungen und Zell:ECM-Anhänge müssen zerlegt und neu gebildet werden, wenn sich die Zellen in der Folie neu anordnen, aber die Regulation dieses Prozesses ist nur unzureichend verstanden14,29. Fortschritte bei diesen und anderen verwandten Fragen sind nicht nur als grundlegendes biologisches Problem wichtig, sondern auch wegen der klinischen Bedeutung der korrekten Wundheilung. Krankheiten, die die Fähigkeit der Epithelzellen, korrekt zu migrieren, beeinträchtigen, führen zu chronischen Wunden. Ein Beispiel ist die Erbkrankheit Epidermolysis bullosa, bei der Gene, die an der Anheftung der Epithelzellen an die EZM beteiligt sind, mutiert sind, was zu empfindlicher Haut führt, die sich schält und Blasen bildet. Die Reepithelialisierung ist auch in natürlich alternden Geweben beeinträchtigt30,31. Ein besseres Verständnis ist daher unerlässlich, um Interventionen zur Verbesserung der Wundheilungsergebnisse zu entwickeln.
Die Migration von Epithelzellen in der Wundheilung wurde sowohl mit In-vitro-Ansätzen als auch mit Modellorganismen untersucht. Die meisten Studien zur Wundheilung und zu den Mechanismen der Zellmigration wurden in Gewebekulturen durchgeführt, bei denen Monoschichten eines einzelnen Epithelzelltyps auf einem Substrat gezüchtet werden, das die EZM ersetzt. Zellmonoschichten werden entweder zerkratzt oder mit Schablonen gezüchtet, um Lücken in bestimmten Formen und Größen zu erzeugen, und dann beobachtet32,33,34. Das In-vitro-Modell ermöglicht eine ideale Visualisierung des Zellverhaltens sowie die Möglichkeit, die Eigenschaften des Substrats zu verändern, Zellen Medikamenten und abiotischen und biotischen Faktoren auszusetzen und Zellen mit Konstrukten zu transfizieren, die verschiedene Gene von Interesse exprimieren oder unterdrücken. Dieser reduktionistische Ansatz kann jedoch einige der wichtigen Parameter, die am Verhalten von Epithelzellen in einem In-vivo-Kontext beteiligt sind, nicht erfassen, einschließlich der Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen und Signalereignissen, die in der EZM auftreten11. In-vivo-Modelle liefern den authentischen Kontext einer Wunde mit mehreren Zelltypen, überlappenden Signalwegen und einer komplexen EZM35. Ein solches Modell für Wundheilungsstudien ist die Maus19, bei der die jüngsten Fortschritte es den Forschern ermöglicht haben, Epidermiszellen während der Heilung von Wunden in voller Dicke bei lebenden Tieren zu beobachten36. Die Maus und andere In-vivo-Systeme stellen jedoch eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, die Reepithelialisierung zu untersuchen. Erstens wird der große Vorteil der Beobachtung des Zellverhaltens in einem natürlichen Kontext durch die Komplexität der zeitlich überlappenden Ereignisse ausgeglichen, die während der Wundheilung von Wirbeltieren auftreten, einschließlich Blutgerinnung, Rekrutierung von Immunzellen und Entzündungen, Rekrutierung von Fibroblasten und Zelldedifferenzierung, Revaskularisierung und Remodellierung der EZM. Darüber hinaus erschweren undurchsichtige Gewebe die Bildgebung. Die Epidermissysteme der Drosophila-Larven und Zebrafische 37,38 haben einige dieser Schwierigkeiten aufgrund ihrer relativen Einfachheit überwunden 39.
Unser Labor hat kürzlich ein neues Modell zur Untersuchung der epithelialen Wundheilung vorgestellt: die Medusa-Form (Quallen) des Hydrozoen-Nesseltiers Clytia hemisphaerica (Clytia)40. Clytia ist ein aufstrebender Modellorganismus mit einem vollständig sequenzierten und annotierten Genom41, einem Einzelzell-RNAseq-Transkriptom 42 und Protokollen für die Genommodifikation (Mutagenese und Transgenese)43,44,45. Nesseltiere sind eine der ältesten erhaltenen Abstammungslinien mit Epithelschichten, so dass das Verständnis der Wundheilung von Nesseltieren Einblicke in die Ahnenwege bietet, die die Integrität des Epithels gewährleisteten. Für die Pfade, die im gesamten Baum des Lebens konserviert wurden, bietet Clytia ein aufregendes neues System zur Untersuchung der Epithelzelldynamik und der funktionellen Regulation der Wundheilung in vivo.
Das Epithel, das die Oberseite der Clytia medusa (Exumbrella) bedeckt, ist eine Monoschicht aus transparenten, plattenepithelialen Zellen, die etwa 50 μm breit und 1-2 μm dick sind (Abbildung 1). Sie sind an einer ECM befestigt, die Mesoglea genannt wird – das “Gelee” der Qualle. Die Mesoglea ähnelt in ihrer Zusammensetzung der EZM, die bei anderen Tieren46, 47, 48 einschließlich Wirbeltieren zu finden ist, hat eine Basalmembran 40 und ist vollständig transparent. Die Epithelschicht der Clytia medusa kann leicht zerkratzt oder verwundet werden (siehe unten). Die Einfachheit und Transparenz des Epithels und der EZM ermöglicht eine hochauflösende Bildgebung der Zellen und ihrer Bewegungen während der Heilung. Kürzlich haben Kamran et al. die Heilung kleiner Wunden im Clytia-Epithel detailliert charakterisiert40. Es konnte gezeigt werden, dass die Heilung bei Clytia durch Lamellipodien-basiertes Zellkrabbeln, Zellausbreitung und kollektive Zellmigration sowie durch den Verschluss der Geldbeutelschnur erfolgt, der eher für embryonale Systeme typisch ist (obwohl er zuvor bei erwachsenen Tierstrukturen wie der Hornhaut beobachtet wurde49). Die Wundheilung von Clytia ist extrem schnell, wie bei anderen Systemen beobachtet wurde, denen eine Entzündungsreaktion fehlt40,50. Die Heilung im Clytia exumbrella hängt vollständig von den Bewegungen der vorhandenen Epithelzellen ab – keine Zellen proliferieren oder wandern durch die EZM zur Wundstelle (Supplemental Movie 1). All diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Clytia ein nützliches Modellsystem ist, um die epitheliale Wundheilung zu untersuchen. In der Tat führte die einfache Bildgebung von Epithelzellen in Clytia während der Wundheilung zu der Entdeckung, dass sich Epithelzelllamellipodien über Bereiche exponierter EZM ausdehnen und ausbreiten, solange eine intakte Basalmembran vorhanden ist. Wenn die Basalmembran geschädigt ist, schaltet die Epithelheilung auf einen Geldbeutel-String-Mechanismus40 um. Dies war die erste Demonstration eines Mechanismus, der der Entscheidung zugrunde lag, durch Lamellipodien-basiertes Krabbeln im Vergleich zum Verschluss der Geldbörse zu schließen, was die Bedeutung spezifischer Zell-EZM-Interaktionen für die Heilung und der Beobachtung von Zellen in ihrem natürlichen Kontext unterstreicht.
Im Folgenden werden Protokolle für die Erzeugung und Bildgebung einzelliger Mikrowunden beschrieben, kleine Wunden, die sich hauptsächlich durch Zellausbreitung schließen, und große Wunden, die eine kollektive Zellmigration erfordern, um sich zu schließen. Des Weiteren wird ein Protokoll für die Einschleusung kleiner Moleküle in die EZM und Epithelzellen beschrieben, das experimentelle Störungen von mutmaßlichen Regulationswegen der Wundheilung ermöglicht.
In dieser Arbeit wird die Methodik zur Bildgebung von Wunden in vivo in Klytien, einem relativ neuen wirbellosen Modellorganismus, vorgestellt40,43,58. Es gibt mehrere Faktoren, die dieses System zu einem einzigartigen und leistungsstarken Forschungsinstrument machen, das sich von anderen Modellen unterscheidet, die zur Untersuchung der Wundheilung und Reepithelialisierung verwendet werden. Zuerst wird das Monolayer-Epithel an eine transparente EZM gebunden, wodurch es In-vitro-Gewebekultur-Assays ähnelt (Abbildung 1, Abbildung 2, Abbildung 3, Abbildung 4). Wie bei In-vitro-Assays können Zellen mit hoher Auflösung abgebildet werden. Anders als in der Gewebekultur gibt es jedoch ein authentisches zelluläres Milieu und eine EZM, so dass die Wundheilung im Kontext der komplexen Signalereignisse betrachtet werden kann, die bei einem lebenden verletzten Tier auftreten. Zweitens fehlen Clytia Entzündungsreaktionen, wandernde Fibroblasten, Gefäße und Blut. Auf diese Weise kann der Reepithelialisierungsprozess in vivo untersucht werden, ohne dass sich die Ereignisse überschneiden, die bei komplexeren erwachsenen Tieren während der Wundheilung auftreten59. Drittens ist die EZM azellulär (Supplemental Movie 1) und groß, so dass sie mit einer Mikroinjektionsnadel leicht zugänglich ist (Abbildung 5 und Abbildung 6). Mit diesem Ansatz können Forscher die Wirkung pharmakologischer Reagenzien, die die Struktur oder Signalübertragung der EZM stören, auf die Wundheilung in vivo testen. Reagenzien können auch in Epithelzellen eingebracht und ihre Auswirkungen auf die Wundheilung in vivo beurteilt werden. Viertens gibt es Protokolle für die Erzeugung von Mutanten und transgenen Tieren im Clytia-System42,43,44,45. In vivo kann die Wundheilung daher bei Tieren mit erhöhter/verminderter Expression von Genen beobachtet werden.
Bei dieser Technik gibt es mehrere kritische Schritte. Zunächst ist es, wie in Abbildung 3 gezeigt, notwendig, ein Mikroskop zu verwenden, das für die DIC-Mikroskopie korrekt konfiguriert ist, da die flachen, transparenten Epithelzellen mit der Standardlichtmikroskopie nahezu unsichtbar sind. Es ist auch wichtig, die Fähigkeit zu entwickeln, Tiere sanft zu wickeln, damit das Epithel beschädigt wird, ohne die EZM auszuhöhlen. Eine ähnlich sanfte Berührung ist für die Mikroinjektion von Materialien in die EZM erforderlich, da eine starke Schädigung des Tieres während der Injektion eine anschließende Analyse der Wundheilung beeinträchtigen kann. Obwohl es eine Lernkurve für diese Techniken gibt, haben selbst Anfänger sie im Malamy-Labor schnell gemeistert. Tatsächlich wurden diese Protokolle verwendet, um die Zellmigration in Laborkursen an der University of Chicago zu demonstrieren.
Für eine optimale Bildgebung ist es wichtig, dass sich das Tier nicht bewegt und der gewählte Wundbereich nicht aus dem Sichtfeld driftet. Wenn die Tiere pulsieren, ist die Behandlung mit Tricain wie beschrieben sehr effektiv. Zum Driften ist es oft notwendig, die Probe manuell neu zu positionieren. Diese Bewegungen können über die Registrierungsfunktion in FIJI/ImageJ aus dem endgültigen Film eliminiert werden.
Eine Einschränkung bei diesem System besteht darin, dass es nicht möglich ist, identische Wunden zu erzeugen, da Wunden mit den hier beschriebenen Methoden sowohl in Form als auch Größe variieren. Daher kann es schwierig sein, die genaue Rate des Wundverschlusses oder der Zellmigration zu quantifizieren. Positionsmarker wie Kohlenstoffkörner haften bei einem verwundeten Tier an der exponierten EZM und können verwendet werden, um die Rate der kollektiven Zellmigration in großen Wunden zu messen (nicht gezeigt). Für die Analyse kleiner Wundverschlüsse gibt es selbst bei variabler Wundgröße und -form einen begrenzten Bereich der Verschlussraten bei Wunden dieser Größe (Abbildung 4). Es ist daher möglich, die Wirkung von fördernden oder repressiven pharmakologischen Reagenzien quantitativ nachzuweisen.
Während diese Arbeit die Charakterisierung der Wundheilung nur mit der DIC-Mikroskopie beschreibt, können die gleichen Ansätze auch für die Darstellung der Wundheilung mittels Fluoreszenz- oder konfokaler Mikroskopie verwendet werden. Um dies zu unterstützen, gibt es Protokolle zur Erzeugung transgener Tiere, in denen verschiedene zelluläre und extrazelluläre Proteine fluoreszenzmarkiert sind. Die gleichzeitige Bildgebung mit DIC und Fluoreszenz, kombiniert mit einer Störung der Wundheilung mit pharmakologischen Wirkstoffen oder Mutantenlinien, wird ein leistungsfähiger Ansatz zum Verständnis der Mechanismen sein, die dem Wundheilungsprozess im Epithel zugrunde liegen.
The authors have nothing to disclose.
E.E.L.L. wird durch ein Stipendium der National Science Foundation PRFB 2011010 unterstützt. Wir bedanken uns bei Tsuyoshi Momose und Evelyn Houliston für die Hilfe beim Aufbau unserer Clytia-Kolonien, bei Jean-Baptiste Reynier für die Sammlung der Mikrowundheilungsbilder, bei Harry Kyriazes für den Bau der Pseudo-Kreisel-Tanks und bei Elizabeth Baldo für die Erhaltung des Clytia-Lebensraums. Abbildung 1B wurde mit BioRender.com erstellt.
20500 ACE EKE Microscope Fiber Optic Light Source | Kramer Scientific Corporation | ||
AxioCam 506 mono | ZEISS | 426557-0000-000-MA285 | |
Capillary tubes | World Precision Instruments | TW1004 | |
Cytochalasin B | Abcam | ab143482 | |
Depression slides | Amscope | BS-C12 | |
DMR with DIC options and fluorescence halogen lamp | Leica | ||
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Sigma Aldrich | E10521-10G | |
Fast Green FCF | Thermo Scientific | A16520-06 | |
FM1-43 | Biotium | 70022 | Excitation/Emission: 480/598 nm |
Hoechst 33342 | Thermo Scientific | 62249 | Excitation/Emission: 361/497 nm |
imageJ | NIH | ||
Microloader tips (0.5-10 μL /2-20 μL) | Eppendorf | 930001007 | |
Micromanipulator | World Precision Instruments | 3301R / M3301L | |
Microscope Cover Glass (22X40-1.5) | Fisherbrand | 12-544-BP | |
Petri Dish (60 mm x 15 mm) | Fisherbrand | FB085713A | |
PicoNozzle v2 | World Precision Instruments | 5430-ALL | |
Pipette puller | Sutter Instrument Co | P-97 | |
Pneumatic PicoPump | World Precision Instruments | PV820 | |
Polycarbonate vacuum, desiccator | Bel-art | F42025-0000 | |
Prism 9 | GraphPad | ||
STEMI Sv11 Dissection scope | ZEISS | STEMI SV11 | |
SYLGARD 184 | Dow Silicones | 1024001 | |
Transfer pipettes | Fisherbrand | 13-711-7M | |
Z-Hab mini system | Pentair | ||
ZEN Microscopy software | Zeiss |