Mechanismen der Knochendynamik während der Regeneration der Fingerspitze in Axolotl, Maus und Mensch
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Regeneration von Gliedmaßen wird in Tiermodellen untersucht, die die Fähigkeit besitzen, diese komplexen Strukturen neu zu bilden. Die Regeneration einer Gliedmaße erfolgt zum Beispiel bei Tieren wie dem Salamander relativ schnell und zuverlässig, und dieses Potenzial erstreckt sich auf die gesamte Gliedmaße. Einige Nagetiere und Primaten (einschließlich des Menschen) sind in der Lage, das distale Ende der Fingerkuppe zu regenerieren, während proximalere Amputationen nicht regeneriert werden können. Wenn wir diese Regenerationsfähigkeit immer noch behalten haben, warum führt dann eine proximalere Amputation zu Wundheilung und Narbenbildung? Das ultimative Ziel der Regenerationsforschung besteht darin, zu verstehen, warum die Regenerationsfähigkeit des Menschen eingeschränkt ist und wie wir sie verbessern können. Mit den jüngsten Fortschritten in der Genomtechnologie sind Wissenschaftler bei der Aufdeckung zellulärer und molekularer Elemente der Regeneration vorangekommen, indem sie Tiermodelle wie den mexikanischen Salamander (Axolotl) untersucht haben. Nach wie vor ist unklar, wie nach einer Amputation das reife Gewebe am Stumpf gleichzeitig Vorläuferzellen produzieren kann, um mehrere Gewebe wiederherzustellen und sie mit dem bereits vorhandenen Gewebe zu einer funktionellen Einheit zu integrieren. Ein Scheitern dieser funktionellen Integration ist für jedes natürlich regenerierende Gewebe und jede zellbasierte Therapie nachteilig. Dieses Projekt zielte darauf ab, gemeinsame Mechanismen oder Alternativen zu finden, die eine erfolgreiche Regeneration in der Fingerkuppe von drei verschiedenen Arten antreiben: Axolotl, Maus und Mensch. Insbesondere nutzten wir die Regeneration der Fingerspitze, um die Knochenregeneration, den umfangreichen Umbau des Knochens am Stumpf und seine Interaktion mit dem neu entstehenden Knochen zu verstehen. Durch die Untersuchung dieses Prozesses bei verschiedenen Spezies erweitern und beschleunigen wir die Möglichkeiten für Experimente und die Validierung von Behandlungen. Beim Axolotl haben wir festgestellt, dass nach einer Verletzung innerhalb eines kurzen Zeitfensters ein umfassender Umbau des Skeletts stattfindet. Dieser Prozess wird von vielkernigen Zellen angetrieben, die auf die Knochenresorption spezialisiert sind und Osteoklasten genannt werden. Obwohl diese Zellen bereits mit histologischen Methoden beim Axolotl beschrieben worden waren, konnten wir sie anhand ihrer genetischen Marker identifizieren. Wir verfolgten ihre Aktivität in vivo und beobachteten den Zeitpunkt der Rekrutierung, ihre Lokalisierung entlang des Skeletts und ihre Beseitigung aus dem Gewebe. Auf diese Weise konnten wir den Zeitpunkt der Resorption bestimmen, der in den verschiedenen langen Knochen der Gliedmaßen gleich ist. Außerdem entspricht der Zeitpunkt der Resorption beim Axolotl dem Zeitpunkt der Knochenresorption bei der Regeneration der Fingerspitzen von Mäusen. Dieser schnelle Mechanismus, der durch die Regeneration ausgelöst wird, steht im Gegensatz zum lang anhaltenden Umbau während der Frakturheilung und deutet auf eine regenerationsbedingte Regulierung hin. Wir haben auch festgestellt, dass die Hemmung der Resorption des Skeletts die Integration des alten Skeletts mit dem regenerierten beeinträchtigt. Der Schweregrad dieser Nicht-Gelenkregeneration korreliert umgekehrt mit dem Ausmaß der Skelettresorption. Bei der Regeneration der menschlichen Fingerkuppe haben wir festgestellt, dass auch eine Knochenresorption stattfindet, wenn die Verletzung den Knochen betrifft. In diesem Projekt konnten wir auch die Entwicklung des Skeletts beim Axolotl charakterisieren. Wir verwendeten einen interdisziplinären Ansatz, der mathematische Modellierung, In-vivo-Messungen, mechanische Messungen und Histologie kombiniert. Wir haben den Zeitpunkt der Skelettverknöcherung und deren Verlauf bis ins hohe Alter bestimmt. Wir fanden heraus, dass Axolotl während ihres Lebens weiter wachsen und dass ihre Gliedmaßenknochen nie vollständig verknöchern. Darüber hinaus haben wir zum ersten Mal in vivo gemessen, wie sich die mechanischen Eigenschaften der Gliedmaßen während der Entwicklung und Regeneration verändern. Diese gründliche Charakterisierung ist ein Anhaltspunkt für künftige Studien zur Knochenregeneration bei Salamandern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Single-cell revolution unveils the mysteries of the regenerative mammalian digit tip. Developmental Biology, 461(2), 107-109.
Riquelme-Guzmán, Camilo & Contreras, Osvaldo
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Postembryonic development and aging of the appendicular skeleton in Ambystoma mexicanum. Developmental Dynamics, 251(6), 1015-1034.
Riquelme‐Guzmán, Camilo; Schuez, Maritta; Böhm, Alexander; Knapp, Dunja; Edwards‐Jorquera, Sandra; Ceccarelli, Alberto S.; Chara, Osvaldo; Rauner, Martina & Sandoval‐Guzmán, Tatiana
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In vivo assessment of mechanical properties during axolotl development and regeneration using confocal Brillouin microscopy. Open Biology, 12(6).
Riquelme-Guzmán, Camilo; Beck, Timon; Edwards-Jorquera, Sandra; Schlüßler, Raimund; Müller, Paul; Guck, Jochen; Möllmert, Stephanie & Sandoval-Guzmán, Tatiana
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Methods for Studying Appendicular Skeletal Biology in Axolotls. Methods in Molecular Biology, 155-163. Springer US.
Riquelme-Guzmán, Camilo & Sandoval-Guzmán, Tatiana
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Osteoclast-mediated resorption primes the skeleton for successful integration during axolotl limb regeneration. eLife, 11.
Riquelme-Guzmán, Camilo; Tsai, Stephanie L.; Carreon Paz, Karen; Nguyen, Congtin; Oriola, David; Schuez, Maritta; Brugués, Jan; Currie, Joshua D. & Sandoval-Guzmán, Tatiana
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The salamander limb: a perfect model to understand imperfect integration during skeletal regeneration. Biology Open, 13(2).
Riquelme-Guzmán, Camilo & Sandoval-Guzmán, Tatiana
