Protein Piezo1 steuert Hautwachstum bei Dehnung

Forschende der Johns Hopkins Medicine in Baltimore (USA) berichten in „Nature Communications“, wie Piezo1 das Hautwachstum steuert. Das Protein erkennt, wann Haut gedehnt wird, und koordiniert anschließend die notwendigen Veränderungen.

Es ist seit Langem bekannt, dass übermäßige physische Belastung – verstanden als interne und externe Spannung, die auf Zellen und Strukturen im Körper wirkt – Hautrisse verursacht, während moderate Spannungsniveaus das Wachstum fördern, wie etwa die körperlichen Veränderungen während der Kindesentwicklung und Schwangerschaft.

Umsetzung physikalischer Kräfte in biologische Signale

Spannungsbasiertes Hautwachstum betrifft die Epidermis und Dermis. Wie dieser Prozess jedoch auf molekularer Ebene gesteuert wird, war bislang unklar. Dagegen ist bekannt, dass die Wundheilung durch den Hippo-Signalweg kontrolliert wird und eine enge Koordination zwischen Blut, Fettgewebe, Immun-, Nerven- und Hautzellen erfordert. Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass Piezo1, ein sogenanntes Mechanotransducer-Protein, das physikalische Kräfte in biologische Signale übersetzt, in hoher Konzentration in der Haut vorkommt. Dies deutete auf eine mögliche Rolle bei Hautwachstumsprozessen hin.

In einer Reihe von Experimenten untersuchte das von Johns Hopkins angeführte Forschungsteam, wie Piezo1 mechanische Dehnung wahrnimmt und beantwortet. Zunächst identifizierten die Forschenden die molekularen Signale, die beim Dehnen der Haut von Mäusen ausgelöst werden, anschließend untersuchten sie unter kontrollierter Modulation von Piezo1 deren Einfluss auf Wachstumsprozesse.

Untersuchung von Genexpressionsniveaus bei Mäusen

Laut Dr. Yingchao Xue, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Garza-Labor der Johns Hopkins University School of Medicine, nutzte das Team die Methode der räumlichen Transkriptomik, um Genexpressionsniveaus und den Ort der Genaktivierung in Hautproben zu vergleichen, die 14, 32 und 70 Tage nach einer Expansion entnommen wurden. In den expandierten Proben stellten die Forschenden fest, dass die von ihnen anhand vorhandener Literatur erstellten Score-Werte für Dehnung, Angiogenese und Stressgranula um das 2,1-Fache, 1,4-Fache bzw. 1,4-Fache anstiegen. Diese erhöhten Scores sowie die gesteigerte Aktivität von Immunzellen in den Proben deuteten auf eine systemische, koordinierte Antwort auf die erhöhte Hautspannung hin.

„Frühere Literatur wies darauf hin, dass die identifizierten Signalwege eng mit der Piezo1-Expression korreliert sind“, erklärt Xue. Einer dieser Signalwege, der TGF‑beta-Weg, reguliert sowohl Immunfunktionen als auch Zellwachstum.

Anpassung bei Piezo1-Knockout-Mauslinie beeinträchtigt

Im nächsten Schritt untersuchte das Team, wie sich eine Steigerung oder Hemmung der Piezo1-Aktivität auf das spannungsbasierte Hautwachstum auswirkt. Dazu wurde zunächst eine Gruppe von Mäusen mit dem Piezo1-Aktivator Yoda1 behandelt. Dabei zeigte sich, dass die Behandlung die Expression spannungsassoziierter Entzündungs- und Stoffwechselwege schneller steigerte als im Vergleich zwischen expandierter und nicht expandierter Haut. Dies führte bei behandelten Mäusen zu einem Anstieg der Hautoberfläche um 130 Prozent, des Hautgewichts um 120 Prozent und der Epidermisdicke um 130 Prozent im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren.

„Da die gesteigerte Piezo1-Expression die Signalwegaktivität weiter verstärkte, konnten wir zeigen, dass Piezo1 ein zentraler Auslöser des Hautwachstums ist“, so Xue.

Anschließend generierten die Forschenden eine Piezo1-Knockout-Mauslinie, in der das Protein selektiv in der Haut nach Tamoxifen-Gabe entfernt wurde. Bei diesen Knockout-Mäusen zeigten sich im Vergleich zur Kontrolle ein durchschnittlicher Rückgang der Hautoberfläche um den Faktor 0,9, des Hautgewichts um den Faktor 0,84 sowie der Epidermisdicke um den Faktor 0,80. Dies verdeutlicht, dass das Fehlen von Piezo1 die Fähigkeit des Organismus, sich unter physischer Belastung anzupassen und Hautwachstum zu initiieren, erheblich beeinträchtigt.

Zusammenfassend, so Xue, sind dies die ersten Hinweise darauf, dass Piezo1 eine entscheidende Rolle bei der Regulation molekularer Veränderungen spielt, die für das spannungsinduzierte Hautwachstum erforderlich sind.

Übertragbarkeit auf Menschen muss geprüft werden

Die Forschenden betonen, dass die Studie die Entwicklung sicherer und effektiver Strategien zur Hautneubildung vorantreiben könnte – mit großem Nutzen für Patienten, die sich rekonstruktiven Eingriffen nach Verbrennungen, Traumata oder angeborenen Defekten unterziehen müssen. Die derzeitigen Methoden sind zeitaufwendig und können Komplikationen wie Hautinfektionen verursachen. Zukünftig will das Forschungsteam prüfen, inwieweit die Ergebnisse auch auf den Menschen übertragbar sind. (ins)