Epithelregeneration und -umsatz

Epithelien gehören zu den sich am schnellsten erneuernden Geweben des Körpers. Da sie an exponierten Oberflächen liegen, gehen ihre Zellen kontinuierlich verloren und müssen ersetzt werden, ein Prozess, der durch residente Stamm- und Vorläuferzellen angetrieben wird. Die Erneuerung hält die Barriere intakt, während sie dem Gewebe ermöglicht, sich nach einer Verletzung zu reparieren, und die Umsatzrate variiert stark zwischen verschiedenen Epithelien.

Definition

Epithelregeneration und -umsatz ist der kontinuierliche Ersatz von Epithelzellen, die von einer Oberfläche verloren gehen, durch die Proliferation und Differenzierung residenter Stamm- und Vorläuferzellen, wodurch die Gewebehomöostase aufrechterhalten und die Reparatur ermöglicht wird.

Scope

Das Thema behandelt das Konzept des Epithelumsatzes, die Stamm- und Vorläuferzellsysteme, die ihn aufrechterhalten (mit der intestinalen Krypta und der Epidermis als gut untersuchte Modelle), das Gleichgewicht zwischen Proliferation und Differenzierung, das die Homöostase aufrechterhält, und die Reparatur nach einer Verletzung. Es behandelt diese als histologisches und zellbiologisches Referenzmaterial und nicht als klinische Leitlinie.

Core questions

• Warum benötigen Epithelien eine kontinuierliche Erneuerung und wie schnell erfolgt diese?
• Wo befinden sich epitheliale Stammzellen in Geweben wie dem Darm und der Haut?
• Wie wird das Gleichgewicht zwischen Proliferation und Differenzierung aufrechterhalten?
• Wie hängt die Epithelreparatur nach einer Verletzung mit dem normalen Umsatz zusammen?

Key concepts

• Gewebsumsatz und Erneuerungsrate
• Stammzellen und Transit-amplifizierende (Vorläufer-)Zellen
• Intestinale Krypta-Zotten-Achse
• Basalschicht der Epidermis als Stammzellkompartiment
• Gleichgewicht von Proliferation und Differenzierung (Homöostase)
• Reparatur nach Verletzung
• Stammzell-Organoide (Krypta-Zotten-Strukturen in vitro)

Key theories

Unitarische (Einzelursprungs-)Theorie der intestinalen Epithelregeneration

Cheng und Leblond postulierten, dass die verschiedenen differenzierten Zelltypen des Dünndarmepithels alle von einer gemeinsamen Stammzellpopulation in der Krypta abstammen, ein Modell, das später durch die Identifizierung von Krypta-Stammzellen gestützt wurde.

Mechanisms

In sich erneuernden Epithelien teilen sich Stammzellen in einem definierten Kompartiment, um Transit-amplifizierende Vorläuferzellen zu bilden, die proliferieren und sich dann differenzieren, während sie sich zur Oberfläche bewegen, wo reife Zellen abgestoßen werden. Cheng und Leblond (1974) entwickelten die unitarische Theorie, dass die differenzierten Zellen des Dünndarmepithels einen gemeinsamen Krypta-Ursprung haben; spätere Arbeiten identifizierten Lgr5-exprimierende Krypta-Basal-Säulenzellen als residente Stammzellen (Barker et al., 2007), und einzelne solcher Zellen können sich selbst organisierende Krypta-Zotten-Organoide in Kultur erzeugen (Sato et al., 2009). In der Epidermis erhalten Stammzellen in der Basalschicht den kontinuierlichen Aufwärtsersatz des geschichteten Epithels (Blanpain und Fuchs, 2009). Die lebenslange Aktivität dieser Stammzellsysteme verbindet die Epithelhomöostase auch mit Alterung und Krebs (Rossi et al., 2008).

Clinical relevance

Sich schnell erneuernde Epithelien sind empfindlich gegenüber Schädigungen, die auf sich teilende Zellen abzielen, und eine gestörte Erneuerung ist relevant für die Wundheilung und für Krebs, der häufig in Epithelien mit hohem Umsatz entsteht. Diese Zusammenhänge werden als biologischer Hintergrund zusammengefasst und sind nicht als Diagnose- oder Behandlungsratschläge gedacht.

Evidence & guidelines

Die hier dargestellte Zell-Erneuerung basiert auf klassischen Markierungsstudien und auf moderner Stammzellbiologie, einschließlich der Lineage-Tracing-Identifizierung von Krypta-Stammzellen und Organoid-Experimenten (Cheng und Leblond, 1974; Barker et al., 2007; Sato et al., 2009; Blanpain und Fuchs, 2009).

History

Autoradiographische Markierungsstudien Mitte des 20. Jahrhunderts zeigten, dass Epithelien wie die Darmschleimhaut sich kontinuierlich erneuern und führten Cheng und Leblond (1974) zur unitarischen Theorie einer gemeinsamen Krypta-Stammzelle. Die molekulare Identität dieser Stammzellen wurde 2007 mit dem Lgr5-Marker etabliert (Barker et al., 2007), und die Demonstration von 2009, dass einzelne Stammzellen Organoide bilden (Sato et al., 2009), eröffnete einen neuen experimentellen Ansatz zur Epithelregeneration.

Key figures

• Charles Leblond
• Hazel Cheng
• Hans Clevers
• Nick Barker
• Elaine Fuchs

Seminal works

• cheng-leblond-1974
• barker-2007
• sato-2009

Frequently asked questions

Wie schnell erneuert sich das Darmepithel?

Die Auskleidung des Dünndarms ist eines der sich am schnellsten erneuernden Gewebe des Körpers; beim Menschen werden seine Oberflächenzellen typischerweise innerhalb weniger Tage ersetzt, wobei neue Zellen von Stammzellen an der Basis der Krypten produziert werden.

Wo befinden sich die Stammzellen, die die Epidermis der Haut erneuern?

Stammzellen in der Basalschicht der Epidermis (und in assoziierten Strukturen wie Haarfollikeln) teilen sich, um die kontinuierlich von der Hautoberfläche abgestoßenen Zellen zu ersetzen und so das geschichtete Epithel aufrechtzuerhalten.