Räumliche und zeitliche Bildung von Haarfollikeln beschrieben

Forschende der Johns Hopkins Medicine in Baltimore (USA) haben eine dreidimensionale molekulare „Momentaufnahme“ von Haarfollikeln während ihrer Entwicklung angefertigt und im zeitlichen Verlauf ihre Entstehung rekonstruiert.

Haarfollikel sind die kleinsten und zahlreichsten Organe unseres Körpers. Sie entstehen jedoch auf ähnliche Weise wie andere Organe. „Unsere vierdimensionale Karte des Haarfollikels der Maus dient als Modellsystem zum Verständnis grundlegender Prinzipien der Organentwicklung in groben Zügen“, sagt Dr. Reza Kalhor, Associate Professor für Biomedizintechnik an der Johns Hopkins University School of Medicine.

Durch die Analyse der 4D-Karte konnten die Forschenden unterschiedliche Phasen der Bildung von Haarfollikeln identifizieren. Zunächst organisieren sich die Vorläuferzellen im Raum, um die räumliche Achse des Organs senkrecht zur Hautoberfläche festzulegen. Anschließend differenzieren sich diese Vorläuferzellen in die zahlreichen Zelltypen, die zur Bildung von Haarfollikeln erforderlich sind. Schließlich wachsen diese neuen Zelltypen und wandeln sich zu einem reifen Follikel um, der sich darauf vorbereitet, den Haarschaft zu produzieren.

Die Forschenden verglichen außerdem die Haarfollikel normaler Mäuse mit denen haarloser Mäuse, denen ein für das Haarwachstum entscheidendes Gen, Foxn1, fehlt. Wie der Dermatologe Dr. Luis Garza von der Johns Hopkins University School of Medicine ausführt, könnte dieser Vergleich helfen, zu verstehen, wie Erkrankungen entstehen, die Haarausfall verursachen. Dies könnte zukünftig zu neuen Möglichkeiten führen, Haarausfall zu verhindern und zu behandeln. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden nun in „Cell“ veröffentlicht.

Besseres Verständnis komplexer Abläufe

Forschende haben lange nach einer Möglichkeit gesucht, sichtbar zu machen, wie sich Organe im Laufe der Zeit entwickeln. Dies könnte laut Kalhor zu einem besseren Verständnis dafür führen, wie bestimmte erbliche Erkrankungen die Organentwicklung beeinflussen können, oder dazu beitragen zu erfassen, wie und wann sich Tumoren entwickeln.

„Dieses Problem bleibt kompliziert, weil Organe durch Millionen von Zellen in sehr komplexen, koordinierten Prozessen erzeugt werden“, so Soichiro Asami, Erstautor der Arbeit und Doktorand in Kalhors Labor. „Wir entwickelten eine Technologie, die das Problem der Visualisierung dieses Vorgangs angeht, und wandten sie auf Haarfollikel an, weil es Hunderte von ihnen gibt, die jedes Stadium der Organentwicklung abdecken.“

Karte der Genexpression

Die Biomedizintechniker Kalhor und Asami arbeiteten mit Garza zusammen, der Foxn1-Mäuse häufig als Modell untersucht, um zu verstehen, wie Haarwachstumsstörungen entstehen, und um neue Behandlungsmöglichkeiten zu finden. Garza lieferte in dieser aktuellen Studie wesentlichen Kontext und Hintergrund zur Biologie des Haarfollikels sowie Gewebeproben normaler und haarloser Mäuse.

Die Forschenden entwickelten ein molekulares Bildgebungsinstrument (3DEEP), das ihnen ermöglicht, Gewebestücke zu analysieren, die groß genug sind, um Haarfollikelorgane in ihrer Gesamtheit in Hautproben normaler und haarloser Mäuse zu erfassen. 3DEEP entfernt genomische DNA aus den Hautproben, die chemische Reaktionen beeinträchtigen kann, mit denen empfindliche Messenger-RNA-Stücke sichtbar gemacht werden. Von dort aus markierten die Forschenden die Positionen von Millionen RNA-Molekülen in der Probe und erstellten eine präzise dreidimensionale räumliche Karte der Genexpression innerhalb des Gewebes.

Zeitkomponente öffnet Fenster in die Organogenese

Anschließend klassifizierten die Forschenden die Zelltypen, berechneten das molekulare Alter jedes Haarfollikels und reihten die Haarfollikel vom jüngsten zum ältesten auf, wodurch dreidimensionale Momentaufnahmen der Haut normaler und haarloser Mäuse in eine dreidimensionale Stop-Motion-Animation überführt wurden. Dann erstellten sie eine Online-Oberfläche, um diese Animation zu erkunden und mit ihr zu interagieren.

„Diese Werkzeuge zeigen uns, wie ein Haarfollikel von einer winzigen Verdickung der Haut zu einer tiefen, gereiften Struktur heranwächst“, sagt Garza. „Es ist ein Fenster in die Organogenese.“

Foxn1-Mutation stört die zelluläre Kommunikation

Beim Vergleich der Karten von Haarfollikelproben normaler und haarloser Mäuse stellten die Wissenschaftler nach eigener Aussage fest, dass Haarfollikel haarloser Mäuse während ihrer Bildung eine verzögerte Entwicklung zeigten. Die Zellen der Follikel haarloser Mäuse proliferierten stärker, hatten jedoch eine verminderte Fähigkeit, zum richtigen Zeitpunkt zu reifen und spezifische Funktionen zu übernehmen. Dadurch wurde die empfindliche Choreografie der Organentwicklung destabilisiert.

„Die Foxn1-Mutation führte zu einem Zusammenbruch der zellulären Kommunikation und des Timings, wodurch die Haarfollikelorgane strukturell kollabierten, bevor sich Haare bilden konnten“, sagt Asami. Künftig hat diese Technik zur Visualisierung der Haarfollikelentwicklung nach Aussage Garzas das Potenzial, Forschenden zu helfen, die Ursache bestimmter Formen von Haarausfall beim Menschen zu verstehen.

„Wenn wir diese Technologie letztlich beim Menschen anwenden können, dann können wir aus jedem Patienten enorm viel mehr herausfinden und dazu beitragen, ihn individuell zu behandeln“, sagt Garza. (ins)