Alkali-Verätzungen der Hornhaut: Einzelzellkartierungen zeigen verstärktes VEGF-Kommunikationsnetzwerk

Eine Studie aus China hat das Ökosystem der Hornhaut nach Alkali-Verätzung kartiert. Dabei deckten die Forschenden einen multizellulären Krankheitsprozess auf, in dessen Mittelpunkt eine verstärkte VEGF-Signalübertragung steht.

Warum kann sich eine chemische Augenverletzung noch lange nach der ursprünglichen Verätzung weiter verschlimmern und zu Hornhauttrübungen, abnormalem Blutgefäßwachstum und sogar zu Sehverlust führen? Hornhautverätzungen durch Laugen sind besonders gefährlich, weil alkalische Substanzen schnell tief in das Gewebe eindringen. Zudem können sie die zellulären Prozesse stören, die für die Regeneration der Hornhaut notwendig sind.

Eine neue Studie, die im Fachjournal „Eye Discovery“ von Forschern des Augeninstituts der Shandong First Medical University, China, und kooperierenden Einrichtungen veröffentlicht wurde, nutzte Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um zu kartieren, wie Hornhaut- und Limbusgewebe auf eine Alkaliverletzung reagieren. Die Forschenden identifizierten dabei eine kombinierte Störung der Stammzellfunktion, Entzündungen, eine Umgestaltung des Endothels sowie VEGF-Signalwege nach der chemischen Verletzung.

Umfassende Umgestaltung der Hornhaut-Mikroumgebung durch Alkali-Verätzung

Unter gesunden Bedingungen hängt die Transparenz der Hornhaut von einem fein ausbalancierten Ökosystem aus Limbusstammzellen, vorübergehend amplifizierenden Zellen, Epithelzellen, stromalen Keratozyten, Immunzellen und gefäßassoziierten Zellen ab. Eine Alkaliverletzung stört dieses Gleichgewicht.

Die Studie identifizierte wichtige Hornhautzellpopulationen, darunter Limbusstammzellen, vorübergehend amplifizierende Zellen, basale und differenzierte Epithelzellen, Bindehautepithelzellen, Keratozyten, Neutrophile, Monozyten-Makrophagen, T-Zellen, Schwann-Zellen, vaskuläre Endothelzellen und glatte Muskelzellen. Nach der Verletzung veränderten sich sowohl die Häufigkeit als auch der Transkriptionsstatus dieser Zelltypen deutlich. Das deutet den Forschenden zufolge auf eine umfassende Umgestaltung der Hornhaut-Mikroumgebung hin.

Limbaler Stammzellen und Transiente amplifizierende Zellen zeigten Funktionsbeeinträchtigung

Eine der zentralen Erkenntnisse betrifft die limbalen Stammzellen. Obwohl die verletzte Hornhaut einen offensichtlichen Anstieg der Anzahl limbaler Stammzellen aufwies, zeigten diese Zellen Anzeichen einer Funktionsbeeinträchtigung. Signalwege, die mit Stammzellcharakter und Selbsterneuerung in Verbindung stehen, darunter Hippo-bezogene Signalwege, waren unterdrückt. Apoptose, Zellzyklusstress und TNF-assoziierte Entzündungssignale hingegen waren aktiviert. Dies könnte drauf hindeuten, dass eine zahlenmäßige Vermehrung nach einer Alkali-Verletzung nicht zwangsläufig zu Regenerationsfähigkeit führt.

Transiente amplifizierende Zellen nahmen ebenfalls einen maladaptiven Zustand an. Sie vermehrten sich nach der Verletzung. Jedoch zeigten sie eine erhöhte Expression proapoptotischer Gene wie Casp3 und Bax sowie proangiogener Mediatoren wie Vegfa, Vegfd, Pgf und Hif1a. Diese Zellen schienen in einen Zustand abnormaler Proliferation, vorzeitiger Apoptose und angiogener Signalwege gedrängt zu werden. Nach Meinung der Wissenschaftler könnte dies erklären, warum bei durch Alkali verätzten Hornhäuten häufig sowohl eine fehlgeschlagene Epithelreparatur als auch ein übermäßiges Gefäßwachstum zu beobachten sind.

Stroma und Immunsystem waren stark aktiviert

Auch das Stroma und das Immunsystem waren stark aktiviert. Keratozyten-Subpopulationen zeigten eine Hochregulation von angiogenesebezogenen Programmen und Entzündungswegen wie der NF-κB- und TNF-Signalübertragung. Differenzierte Epithelzellen exprimierten Chemokine, Zytokine, Inflammasom-bezogene Gene und andere Immunmediatoren. Monozyten-Makrophagen zeigten HIF-1-Signalwege, metabolische Reprogrammierung und eine erhöhte Vegfa-Expression, während Neutrophile verstärkt entzündliche Effektorprogramme aufwiesen, darunter Tnf, Il1b, Cxcl2 und Ccl4. Laut den Autoren ordnen diese Befunde Entzündung und Angiogenese in dasselbe verletzungsbedingte Netzwerk ein, anstatt sie als getrennte Ereignisse zu behandeln.

VEGF-Signalübertragung war in verletzten Hornhäuten deutlich verstärkt

Vaskuläre Endothelzellen lieferten den nachgelagerten Nachweis für eine pathologische Angiogenese. Nach einer Alkaliverätzung zeigten Endothelzellen eine erhöhte Zellzyklusaktivität, DNA-Replikation und transkriptionelle Reprogrammierung mit erhöhter Expression von Genen wie Cdk1, Cdk6, Ccna2, Ccnb1, Mcm2 und Mcm5.

Die Analyse der Zell-Zell-Kommunikation zeigte ferner, dass die VEGF-Signalübertragung in verletzten Hornhäuten deutlich verstärkt war. In normalen Hornhäuten wurde angenommen, dass VEGF-Signale hauptsächlich von Keratozyten und transienten amplifizierenden Zellen ausgehen. Nach einer Alkaliverletzung traten limbusstammzellen und Monozyten-Makrophagen als zusätzliche VEGF-Signalgeber in Erscheinung und bildeten ein breiteres proangiogenes Kommunikationsnetzwerk, das auf Endothelzellen ausgerichtet war.

Alkaliverätzung der Hornhaut: Koordiniertes Versagen der Geweberegeneration und der Gefäßkontrolle

Die Bedeutung der Studie liegt darin, dass sie die Alkaliverätzung der Hornhaut als ein koordiniertes Versagen der Geweberegeneration und der Gefäßkontrolle neu definiert. Die Ergebnisse legen den Autoren zufolge nahe, dass zukünftige Therapien möglicherweise über eine Intervention mit nur einem Faktor hinausgehen müssen.

Wirksamere Strategien könnten die Wiederherstellung der Funktion der limbalen Stammzellen, die Erhaltung der Reparaturkapazität transienter amplifizierender Zellen, die Modulation der durch Makrophagen und Neutrophile ausgelösten Entzündung sowie die Verhinderung einer übermäßigen VEGF-vermittelten Endothelaktivierung erfordern. Die Schlussfolgerungen basieren jedoch in erster Linie auf Einzelzell-Transkriptom- und computergestützten Analysen, sodass Schlüsselmechanismen und therapeutische Ziele noch einer direkten experimentellen Validierung bedürfen, wie die Autoren anfügen.

(sas/BIERMANN)