Autophagie, nicht Apoptose, spielt eine Rolle bei der Lumensbildung in Organoiden der ekkrinen Schweißdrüsen
Ekkrine Schweißdrüsen sind essenzielle Hautanhangsgebilde bei Menschen und Säugetieren, die eine kritische Rolle bei der Thermoregulation, Sekretion und dem Stoffwechsel spielen. Diese Drüsen entwickeln sich von soliden Zellknospen zu reifen Strukturen mit einem Lumen, der den Schweiß zur Hautoberfläche transportiert. Die Mechanismen der Lumensbildung in ekkrinen Schweißdrüsen sind jedoch weitgehend unklar. Diese Studie untersucht die Rolle von Autophagie und Apoptose bei der Lumensbildung in Organoiden ekkriner Schweißdrüsen (EGOs) unter Verwendung eines dreidimensionalen (3D) Rekonstruktionsmodells in Matrigel.
Einführung
Ekkrine Schweißdrüsen bestehen aus einem sekretorischen Anteil in der Dermis und einem Ausführungsgang, der an der Hautoberfläche mündet. Während der Embryonalentwicklung bilden Schweißdrüsenvorläuferzellen Plakoden in der epidermalen Basalschicht, die in die Dermis einwachsen. Diese Plakoden differenzieren sich in luminale und myoepitheliale Zellen, die den sekretorischen, gewundenen Anteil formen. Die Basalzellen der Ausführungsgänge erstrecken sich zur Hautoberfläche und bilden Öffnungen, die den gewundenen Anteil mit der Außenwelt verbinden. Während andere exokrine Drüsen wie Milch- oder Speicheldrüsen ihr Lumen durch Kavitation oder Aushöhlung von Zellverbänden bilden, bleibt der genaue Mechanismus bei Schweißdrüsen unklar.
Die Bildung dreidimensionaler Organstrukturen ist ein zentrales Thema der regenerativen Biologie, da sie Einblicke in die Organentwicklung und potenzielle medizinische Anwendungen ermöglicht. Bisherige Studien nutzten 3D-Modelle, um die Entwicklung von Milch-, Pankreas- und Speicheldrüsen zu simulieren. Diese Modelle basieren auf Zellpolarisation, Migration und Differenzierung. Für ekkrine Schweißdrüsen wurde ein 3D-Modell in Matrigel entwickelt, um die Lumensbildung zu erforschen.
Methoden
Ethische Genehmigung und Primärkultur ekkriner Schweißdrüsenzellen (ESGCs)
Die Studie erhielt eine ethische Genehmigung der Hubei University of Medicine. Vollhautproben von fünf plastisch-chirurgischen Patienten wurden aufgearbeitet, um ekkrine Schweißdrüsen zu isolieren. Diese wurden 14 Tage in Matrigel kultiviert. Das Kulturmedium enthielt essentielle Wachstumsfaktoren; die Autophagie wurde mit 3-Methyladenin (3MA) gehemmt.
Rekonstruktion von EGOs
Isolierte ESGCs wurden in Matrigel suspendiert und in Sechswellplatten kultiviert. Das Medium wurde in den ersten sieben Tagen alle 48 Stunden und anschließend täglich gewechselt. Die Morphologie der EGOs wurde mittels Hellfeldmikroskopie und Hämatoxylin-Eosin (H&E)-Färbung analysiert.
Immunfluoreszenz und Western-Blot-Analyse
EGOs wurden fixiert, in Paraffin eingebettet und geschnitten. Proliferationsmarker Ki67, zellulärer Beweglichkeitsmarker F-Aktin und Autophagiemarker LC3B wurden immunfluoreszent untersucht. Western Blots quantifizierten die Expression dieser Marker sowie apoptoseassoziierter Proteine wie Poly(ADP-Ribose)-Polymerase (PARP) und gespaltenes Caspase-3.
Detektion von Apoptose und Autophagie
Apoptose wurde mittels TUNEL-Assay nachgewiesen. Autophagie wurde durch LC3B-Immunfluoreszenz und Western Blot analysiert. Die Hemmung der Autophagie mit 3MA evaluierte deren Einfluss auf die Lumensbildung.
Ergebnisse
Morphologische Entwicklung der EGOs
EGOs entwickelten sich ab Tag 4 zu multizellulären Strukturen. Ab Tag 6 zeigten sich erste Lumens, deren Bildung zwischen Tag 8 und 14 signifikant zunahm. H&E-Färbung offenbarte, dass innere Zellen der EGOs sich von umgebenden Zellen abtrennten und ein rudimentäres Lumen bildeten. Das Volumen der EGOs nahm zu, und das Lumen wurde deutlicher.
Rolle von Zellproliferation und Polarisation
Die Ki67-Expression war in frühen Entwicklungsstadien am höchsten und nahm zeitabhängig ab. F-Aktin, ein Marker der Zellpolarisation, war in gesamten EGOs exprimiert, besonders an der Oberfläche sphärischer Strukturen. Während der Lumensbildung akkumulierte F-Aktin an der Innenseite der EGOs, und die Kerne peripherer Zellen flachten ab, was die Lumenexpansion förderte.
Autophagie in der Lumensbildung
LC3B wurde in inneren EGO-Zellen exprimiert, während Apoptosemarkter fehlten. Der Anteil autophagischer Zellen stieg zwischen Tag 8 und 14 parallel zur Lumensbildung. Die Behandlung mit 3MA reduzierte LC3B-Expression und unterdrückte die Lumenbildung, was die Rolle der Autophagie bestätigte.
Diskussion
Diese Studie zeigt, dass Autophagie – nicht Apoptose – die Lumensbildung in EGOs steuert. Das 3D-Modell in Matrigel ermöglichte die Beobachtung von Zellproliferation, Polarisation und Autophagie während der Lumenentstehung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass innere EGO-Zellen aufgrund von Nährstoffmangel Autophagie durchlaufen, was zur Lumensbildung führt. Dieser Mechanismus unterscheidet sich von der apoptosegetriebenen Kavitation in anderen exokrinen Drüsen.
Die Befunde stimmen mit früheren Studien überein, die Autophagie als Überlebensmechanismus unter Stressbedingungen wie Nährstoffmangel beschreiben. Im 3D-Modell umgibt die polarisierte äußere Zellschicht die inneren Zellen und erzeugt ein nährstoffarmes Milieu, das Autophagie auslöst. Dieser Prozess ähnelt Aushöhlungsmechanismen in tubulären Organen wie Blutgefäßen oder dem Zebrafisch-Darm.
Die Studie unterstreicht das Potenzial von 3D-Modellen in der regenerativen Biologie. Durch Nachbildung der Schweißdrüsenentwicklung bieten sie Einblicke in die Organogenese und dienen als Plattform für Therapietests. Die Hemmung der Lumensbildung durch 3MA betont die Bedeutung der Autophagie für die Drüsenentwicklung und legt mögliche Ansatzpunkte zur Modulation der Schweißdrüsenfunktion nahe.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass Autophagie entscheidend für die Lumensbildung in Organoiden ekkriner Schweißdrüsen ist. Das 3D-Rekonstruktionsmodell in Matrigel bietet ein wertvolles Werkzeug zur Erforschung der Schweißdrüsenentwicklung und eröffnet neue Perspektiven für die regenerative Medizin. Weitere Studien müssen die molekularen Signalwege der Autophagie in ekkrinen Schweißdrüsen aufklären und Strategien zur funktionellen Verbesserung dieser Drüsen entwickeln.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001936