Dołącz do czytelników
Brak wyników

Z praktyki ortopedy

29 maja 2020

NR 18 (Maj 2020)

Skóra, rany i blizny

109

Wstęp: Ludzka skóra jest wysoce wyspecjalizowanym układem regeneracyjnym i mechanicznie oddzielającym nasze ciała od środowiska zewnętrznego. Musi stale dostosowywać się do nieustannie zmiennej dynamiki 
i rodzaju bodźców: mechanicznych, fizycznych i chemicznych.

Począwszy od szybkiego powstawania oraz wzrostu podczas rozwoju zarodkowego i wczesnego rozwoju pourodzeniowego aż poprzez wszechobecne siły zewnętrzne przez całe życie człowieka, skóra podlega nieustannym zmianom.

Mimo podejrzenia, że w procesie wykształcania się skóry rolę istotną odgrywa przede wszystkim środowisko fizyczne, to podstawowe mechanizmy odpowiedzialne za tę reakcję pozostają niejasne.

Zmienność szlaków wewnątrzkomórkowych oraz sygnały mechaniczne w odpowiedziach biochemicznych (to proces znany jako mechanotransdukcja) powstające przez kompleksowo reagujące mechanicznie elementy molekularne skóry, które często zacierają rozróżnienie między sygnalizacją fizyczną i chemiczną w tych układach.

Komórkowe komponenty ogniskowej adhezji wykazują podwójne funkcje: biochemiczne i rusztowania, które są krytycznie modulowane działającą na nie siłą [1].

Naskórek skóry ssaków oraz jego włosy i gruczoły potowe zapewniają ochronną barierę, która zatrzymuje niezbędne płyny ustrojowe, chroni przed inwazją szkodliwych drobnoustrojów oraz reguluje temperaturę ciała poprzez zdolność do pocenia się.

Na granicy między środowiskiem zewnętrznym i ciałem, skóra jest ciągle narażona na urazy fizyczne i musi również być przygotowana do nieustannej naprawy ran w odpowiedzi na obrażenia. U dorosłych skóra odradza się poprzez homeostazę naskórka, regenerację włosów i naprawę swojej struktury wykorzystując komórki macierzyste.

Przez ponad trzy dekady laboratoria istotnie interesowały się właściwościami macierzy komórek skóry.
Zadawano sobie podstawowe pytania:

POLECAMY

  • Gdzie znajdują się te komórki?
  • Kiedy zostają ustalone podczas embriogenezy i w jaki sposób są w stanie budować tkanki przy tak niezwykle różnych architekturach?
  • Jak komórki macierzyste utrzymują homeostazę tkanek i naprawiają rany oraz jak regulują delikatną równowagę między proliferacją a różnicowaniem?
  • Jaki jest związek między rakami skóry i mutacjami, które zaburzają regulację komórek macierzystych? [2]

 

Budowa skóry


Skóra właściwa jest mezenchymalnym składnikiem skóry, oddzielonym od naskórka przez błonę podstawną. Skóra właściwa składa się z dwóch strukturalnie różnych warstw, zwanych brodawkowatą i warstwą siatkowatą.

Warstwa brodawkowata, która znajduje się bliżej powierzchni skóry, osiąga szerokość 300–400 mikronów, w zależności od wieku i lokalizacji.

W górnej części jest podzielona na sznury, zwane brodawkami skórnymi, które zawierają zakończenia nerwowe i naczynia mikrokrążenia, niezbędne do odżywiania i unerwienia.

Skóra właściwa brodawkowata różni się od siatkowatej wyższą gęstością komórek, wyższą zawartością proteoglikanów i słabszym wyprostowaniem włókien kolagenowych.

Skóra właściwa brodawkowata ma nierówną strukturę polarną: jej gęstość maleje w kierunku od błony podstawnej do siatkowatej skóry właściwej.

Siatkowata część skóry właściej jest oddzielona od brodawkowatej przez splot naczyniowy: rete subpapillare.

Matryca zewnątrzkomórkowa (extracellular matrix – ECM) skóry siatkowatej ma bardziej wyraźną strukturę: wiązki kolagenu są zorganizowane w gęste włókna, które wraz z pasmami elastyny tworzą uporządkowaną sieć. Z wiekiem brodawkowata warstwa skóry zmniejsza swoją objętość, staje się cieńsza i stopniowo zastępuje ją siatkowata.

Ogólnie rzecz biorąc, struktura ludzkiej skóry istotnie różni się np. od mysiej skóry – o czym należy zawsze pamiętać wyciągając wnioski z badań eksperymentalnych [4]. Naskórek jest warstwowym nabłonkiem, którego najbardziej wewnętrzna (podstawowa) warstwa jest przymocowana do leżącej u samych podstaw skóry błony postawnej – macierzy bogatej w zasoby pozakomórkowe i czynniki wzrostu.

Podstawowa warstwa naskórka jest jedyną pojedynczą warstwą o potencjale proliferacyjnym.

Okresowo komórki te będą się odłączać od znajdującej się pod spodem membrany i wyruszą w „podróż różnicującą“, która osiąga punkt kulminacyjny w postaci martwych spłaszczonych łusek, które są następnie usuwane z powierzchni skóry, a nieustannie zastępowane przez wewnętrzne komórki poruszające się na zewnątrz. Proces końcowego różnicowania może być morfologicznie i molekularnie podzielony na cztery etapy.

Proliferacyjne podstawowe progenitory mają wysoki poziom integryn, takich jak keratyny K14 i K5, które tworzą rozległą nitkowatą sieć, która zapewnia komórkom odporność mechaniczną (Fuchs i Green, 1980; Jones, Harper i Watt, 1995).

Kołowate komórki nadpodstawowe są dynamicznie powielane, odcinając ekspresję K14 i K5 oraz indukując ekspresję K1 i K10, które tworzą „kable“ o wyższym porządku i które się do tego procesu dodają tworząc infrastrukturę mechaniczną (Fuchs i Cleveland, 1998; Fuchs i Green, 1980). Te komórki tworzą również skomplikowane desmosomy, które wzmacniają kontakty międzykomórkowe i zapewniają kolczastą morfologię (Johnson, Najor i Green, 2014).

Gdy komórki kolczaste są wypychane w górę, wchodzą w warstwę ziarnistą, tworząc skomplikowaną powierzchnię bogatych w filagriny granulek keratohyaliny i granulki blaszkowate wypełnione dwuwarstwami lipidowymi.

Zarówno kolczaste, jak i komórki ziarniste pozostają aktywne transkrypcyjnie i wytwarzają białka bogate w glutaminę i lizynę, w tym lorikryna i inwucryna, które osadzają się pod błoną plazmatyczną. Jako końcowe różnicowanie, co zbliża je do punktu końcowego, napływ wapnia aktywuje transglutaminazy do generowania γ-glutamylolizyn sieciujących, które tworzą zrogowaciałą kopertę.

W tym procesie organelle, np. jądra komórkowe, są tracone, blaszkowate granulki wytłaczają swoje lipidy, tworząc wypełnione lipidami kanapki z martwymi blaszkami naskórka. Komórki naskórka wytłaczane z powierzchni są niezniszczalne jako zrogowaciałe woreczki z włókien keratynowych.


Rana i jej gojenie


Gojenie rany to awaryjna naprawa przez komórki macierzyste mieszków włosowych.

Potomstwo wybrzuszonych komórek macierzystych rekrutuje się w kierunku nowego naskórka podczas wzrostu ponownego nabłonka rany w skórze z włosami (Ito M i in. 2005).

Istnieje wiele rodzajów nabłonkowych komórek macierzystych, które zostały zidentyfikowane w mieszku włosowym, a ich względny udział w epitelializacji rany został niedawno zbadany. Pionierską pracę w tym kierunku wykonali Taylor i wsp. (2000), którzy zastosowali znakowanie podwójnego impulsu jako strategię wskazującą, że komórki wypukłe przyczyniają się do powstania nowego śródnaczyniowego naskórka w ranie.

Te wyniki zostały później zweryfikowane i rozszerzone przez inne laboratoria.

Ito M i wsp. (2005) zastosowali strategię śledzenia linii genetycznych, aby ustalić, że wybrzuszone Krt15 + komórki macierzyste uczestniczą w rozwoju wczesnych stadiów komórek nabłonka rany.

Pięć dni później naskórkowe potomstwo (wybrzuszonych komórek macierzystych) migruje w kierunku środka rany od mieszków włosowych wzdłuż krawędzi rany.

Co ciekawe, do 20. dnia po zranieniu początkowo promieniowy wzór rozmieszczenia komórek macierzystych Krt15 + staje się bardzo rzadki i do 50. dnia większość tych komórek zanika (Ito M i in., 2005; Cotsarelis, 2006).


Długoterminowe odtwarzanie naskórka przez komórki macierzyste mieszków włosowych 


Podczas gdy komórki macierzyste z wybrzuszenia mieszków włosowych kierują tylko przejściowo linie komórkowe w kierunku naskórka rany w ramach „awaryjnej” strategii naprawy (Ito M i in., 2005), inne pęcherzykowe komórki macierzyste mogą generować długotrwałe populacje naskórka. Pierwsze eksperymentalne poparcie dla tej możliwości zgłosili Levy i wsp. (2007), którzy zastosowali podejście genetyczne oparte na Shh-Cre, aby szeroko oznaczyć cały nabłonek pęcherzykowy, w przeciwieństwie do wybrzuszonych komórek macierzystych.

W eksperymentach na ranach analogiczne do opisanych przez Ito i wsp. (2005), Levy i wsp. (2007) wykazali, że pęcherzykowy Shh-Cre; R26R komórki wytwarzają długotrwałe klony w naskórku rany.
W innym badaniu Nowak i wsp. (2008) wykorzystali model Sox9-Cre do osiągnięcia szerokiego genetycznego znakowania wszystkich przedziałów mieszków włosowych – osiągneli podobne do uzyskanych przez Levy i wsp. (2007) w oparciu o Shh-Cre wyniki.

Podobnie, prekursory mieszków włosowych znakowane Sox9-Cre; R26R tworzyły długotrwałe klony naskórka po naprawie rany.

Podsumowując – wyniki te sugerują, że progenitory mieszków włosowych, różne od komórek macierzystych wybrzuszonych Krt15 +, są w stanie trwale przekształcać się w międzyfilarowe komórki macierzyste naskórka w odpowiedzi na zranienie.

Kilka ostatnich badań wykazało, że takie progenitory znajdują się w części przesmyku i strefy połączenia mieszków włosowych i można je zidentyfikować na podstawie ekspresji Gli1 (Brownell I i in., 2011), Lgr6 (Snippert H i in., 2010) i Lrig1 (Jensen K i in., 2009). W śledzeniu pochodzenia w badaniach wszystkie trzy typy komórek macierzystych przesmyku generują długotrwałe klony naskórka w ranie, co sugeruje, że ich potomstwo przekształca się w samowystarczalne naskórkowe komórki macierzyste.

Brownell i wsp. (2011) wykazali również, że konwersja naskórkowa komórek macierzystych Gli1 + jest silnie zależna od parakrynnej sygnalizacji Shh z nerwu czuciowego okołopęcherzykowego zakończenia, rzucając nieco światła na mechanizm interkonwersji komórek linii mieszków włosowych do naskórka u dorosłych.

Gojenie się ran w skórze zależy od skoordynowanej zbiorowej aktywności kilku rodzajów komórek.

Keratynocyty i fibroblasty (FB) migrują do rany, aby przywrócić zaburzoną strukturę skóry.

Ponadto inne komórki też mogą uczestniczyć w tym procesie, np. komórki krwiotwórcze, śródbłonkowe, immunologiczne, nerwowe, białe komórki tłuszczowe, perycyty, Komórki Schwanna, tkankowe komórki macierzyste i ich przekursorzy.

Fibroblasty odgrywają kluczową rolę w: gojeniu ran, mają pośrednictwo w zwłóknieniu, udział w stanach zapalnych, syntezie macierzy i modulowaniu funkcji komórek odpornościowych.

Krótko po zranieniu rana jest wypełniona FB z siatkowatej warstwy skóry właściwej i komórek podskórnych. Fibroblasty warstwy siatkowatej są w stanie wytwarzać grube i dobrze zorganizowane włókna kolagenowe w przeciwieństwie do brodawkowatych FB, które są przyciągane później i słabo syntetyzują zorganizowany kolagen.

Siatkowate FB wytwarzają macierz kolagenową typową dla zwłóknienia. Natychmiastowy udział siatkowych FB w regeneracji może wyjaśniać brak mieszków włosowych (HF) w nowo powstałej bliźnie tkankowej, ponieważ wykazano, że te przedziały FB nie wpływają na mezenchymalne składniki podczas rozwoju HF, w przeciwieństwie do brodawkowatych FB.

Sygnalizacja WNT/β-kateniny odgrywa kluczową rolę złożoną zarówno w zdolności tworzenia HF w miejscu rany, jak i w rozwoju zwłóknienia.

Należy zauważyć, że utrata zdolności tworzenia się włosów w skórze dorosłej prawdopodobnie nie odzwierciedla braku zdolności naskórka do tworzenia nowych HF. U myszy ektopowe HF mogą być indukowane w skórze z urazem lub bez urazu za pomocą naskórkowej aktywacji β-kateniny. Zostało też wykazane, że aktywacja β-kateniny w naskórku aktywuje zarówno siateczkowe, jak i brodawkowate FB. Jednak tylko stymulacja części brodawkowej pozwala na nowe tworzenie HF.

Wyniki Rognoni i wsp. odzwierciedlają model, w którym brak umiejętności formowania się HF przez zranioną skórę wiąże się ze wzrostem aktywacji sygnalizacji WNT/β-kateniny w loży rany, co z kolei zwiększa liczbę siatkowatych FB, niezdolnych do indukowania tworzenia HF.

W badaniach ukierunkowanych na określenie różnic w odpowiedzi siatkowatej i brodawkowatej populacji FB do uszkodzenia, i indukcji regeneracji HF. Rola sygnalizacji WNT i jej cel w tym procesie ma ogromny wpływ na przezwyciężenie problemów zwłóknienia i braku przydatków skórnych w regenerowanej tkance. Po zranieniu gęstość...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 4 wydania czasopisma "Praktyczna Ortopedia i Traumatologia"
  • Nielimitowany dostęp do całego archiwum czasopisma
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy