Epitelets förnyelse och reparation

Sammanfattning

Epitel täcker kroppens yttre och inre ytor och utsätts ständigt för mekanisk, kemisk och mikrobiell belastning. Vävnaden upprätthålls genom kontinuerlig cellomsättning där stamceller och progenitorceller i avgränsade nischer ersätter celler som avstöts. Omsättningshastigheten skiljer sig kraftigt mellan organ: tarmepitelet förnyas på några dygn, epidermis på drygt sex veckor och alveolepitelet betydligt långsammare [3, 5, 7]. Vid skada aktiveras reparationsprogram som skiljer sig från den normala förnyelsen. Celler intill defekten migrerar över den blottade ytan [16], reservstamceller och progenitorceller som redan påbörjat sin differentiering kan återfå stamcellsegenskaper [4, 11], och i huden bidrar hårfolliklarnas stamceller till reepiteliseringen [14, 15]. Sårläkning sker i fyra överlappande faser, hemostas, inflammation, proliferation och remodellering, och störs av bland annat ischemi, diabetes, infektion, rökning och glukokortikoider [17, 20]. Kunskapen har direkt klinisk betydelse för kroniska sår, mukosit efter cytostatika och strålbehandling, slemhinneläkning som behandlingsmål vid inflammatorisk tarmsjukdom, limbal stamcellsbrist, lungfibros, sambandet mellan kronisk skada, metaplasi och cancer samt kärlväggens läkning efter koronar stentning.

Grundprinciper

Förnyelse, regeneration och reparation

Tre begrepp bör hållas isär:

• Homeostatisk förnyelse är den ständigt pågående ersättningen av celler som går förlorade genom avstötning eller celldöd, utan att vävnadens arkitektur förändras.
• Regeneration innebär att skadad vävnad återskapas med normal struktur och funktion.
• Reparation innebär att defekten sluts, men ofta med ärrvävnad som saknar den ursprungliga vävnadens funktion.

Epitel har generellt god regenerativ förmåga så länge basalmembranet och stamcellsnischerna är bevarade. Hos vuxna människor leder däremot skador som engagerar den underliggande bindväven vanligen till ärrbildning, medan skadad fostervävnad tidigt under graviditeten kan återskapas helt utan fibros [1].

Cellomsättningen är kvantitativt betydande. Människokroppen omsätter uppskattningsvis 80 ± 20 g cellmassa per dygn, och massomsättningen domineras av blodceller och tarmepitelceller [2].

Kinetik och stamcellspopulationer i olika epitel

Stamceller och stamcellsnischer

Nischbegreppet

En stamcellsnisch är den lokala mikromiljö som avgör om en stamcell ska förbli odifferentierad, dela sig eller differentiera. Nischen utgörs av närliggande epitelceller, mesenkymala celler, extracellulär matrix och basalmembran samt lösliga och membranbundna signaler. I huden återanvänds de signalvägar som styr epitelets morfogenes under fosterlivet för att reglera förnyelsen hos vuxna [12]. I tarmkryptan är Wnt-, Notch- och EGF-signalering avgörande för stamcellernas fortlevnad [10].

Två principer har förändrat synen på epiteliala stamceller:

• Balans på populationsnivå. I epidermis delar sig progenitorcellerna både symmetriskt och asymmetriskt, och jämvikten upprätthålls av populationen som helhet snarare än av att varje enskild stamcell alltid ger en stamcell och en differentierande dottercell [13]. I tarmkryptan konkurrerar Lgr5-positiva stamceller om begränsade nischsignaler [10].
• Plasticitet. Vid skada kan reservstamceller och redan specialiserade dotterceller återfå stamcellsegenskaper [4, 11]. Stamcellsidentiteten bestäms alltså delvis av nischen och inte enbart av en fast egenskap hos cellen.

Tarmkryptan

Tarmepitelet är organiserat i kryptor och, i tunntarmen, villi. Stamcellerna ligger i kryptbasen som smala, cykliska kolumnära celler som uttrycker Wnt-målgenen Lgr5. Genetisk härstamningsanalys i mus visade att Lgr5-positiva celler under 60 dygn gav upphov till samtliga epiteliala celltyper i tunntarm och kolon [9]. Dottercellerna förökar sig i en transitamplifierande zon, differentierar till absorberande och sekretoriska celler och vandrar mot villusspetsen eller kolonytan där de avstöts.

Panethcellerna, som ligger insprängda mellan stamcellerna i tunntarmens kryptbas, utgör en central del av nischen. De uttrycker EGF, TGF-α, Wnt3 och Notch-liganden Dll4, och genetisk eliminering av Panethceller i mus leder till förlust av Lgr5-positiva stamceller. Panethcellernas funktion i odling kan ersättas av tillfört Wnt [10]. Enskilda Lgr5-positiva celler kan i odling bilda självorganiserande kryptvillusstrukturer, så kallade organoider, vilket ligger till grund för organoidtekniken [10].

Tarmepitelet är robust mot förlust av stamceller. När Lgr5-positiva celler eliminerades i mus upprätthölls epitelet av Bmi1-uttryckande celler ovanför kryptbasen, som även kunde återbilda Lgr5-positiva celler [4]. Sekretoriska progenitorceller som uttrycker Notch-liganden Dll1 kan efter kryptskada återgå till stamcellstillstånd [11]. Sådan plasticitet bidrar sannolikt till att tarmslemhinnan kan återhämta sig efter exempelvis strålning och cytostatika.

Huden

Epidermis är ett flerskiktat förhornande skivepitel. Celler i basalskiktet förökar sig, lämnar basalmembranet och genomgår terminal differentiering tills de avstöts från stratum corneum. Den totala omsättningstiden för epidermis har beräknats till cirka 45 dygn utifrån avstötningshastigheten från stratum corneum [5].

Huden har flera åtskilda stamcellspooler: i interfollikulär epidermis, i hårfolliklarna och i talgkörtlarna [12]. Klonanalyser i mus talar för att interfollikulär epidermis i vila underhålls av en enda typ av progenitorcell som delar sig både symmetriskt och asymmetriskt [13].

Hårfollikelns utbuktning (bulge) innehåller långlivade stamceller som i vila förnyar hårfollikeln men inte bidrar till epidermis. Efter sårskada rekryteras de till epidermis, vandrar i ett radiärt mönster mot sårets centrum och bildar kortlivade transitamplifierande celler, som till största delen elimineras inom några veckor [14]. Stamceller i follikelns istmusregion bidrar däremot med långlivade avkomlingar till den läkta epidermis [15]. Den läkta epidermis får därmed en mosaikartad sammansättning av celler från både interfollikulära och follikulära stamceller [15]. Follikelns stamceller står alltså för en snabb men delvis övergående reepitelisering, medan interfollikulära stamceller och istmusstamceller ger den varaktiga. Hårfolliklarna är ändå inte nödvändiga: i musmodeller kan hud som saknar folliklar reepiteliseras fullständigt från sårkanten, men med fördröjning [15].

Luftvägar och alveoler

Det pseudostratifierade luftvägsepitelet i trakea och bronker förnyas från basalceller som uttrycker transkriptionsfaktorn p63 och cytokeratin 5 och 14. Basalcellerna kan självförnya sig och bilda luminala celler, inklusive cilierade celler, både under normal förnyelse och vid epitelreparation. Motsvarande egenskaper har påvisats hos humana luftvägsbasalceller [6].

Alveolepitelet består av tunna alveolära typ 1-celler (AT1), som utgör gasutbytesytan, och kubiska typ 2-celler (AT2), som bland annat producerar surfaktant. AT2-cellerna fungerar som alveolernas stamceller. De självförnyar sig och differentierar till AT1-celler, och efter riktad förlust av många AT2-celler expanderar de överlevande cellerna snabbt klonalt. I odling växer och differentierar AT2-cellerna bäst tillsammans med PDGFRα-positiva stromaceller, bland dem lipofibroblaster som normalt ligger nära AT2-cellerna, och dessa kan därför utgöra en del av den alveolära nischen [7].

Hornhinnan och limbus

Hornhinnans epitel förnyas och repareras från stamceller i limbus, den smala övergångszonen mellan kornea och bulbär konjunktiva [8]. Organisationen är ett tydligt exempel på att stamceller kan ligga anatomiskt avskilda från den yta de försörjer.

Mekanismer vid epitelreparation

Restitution av ytliga slemhinnedefekter

Ytliga defekter i tarmslemhinnan sluts mycket snabbt genom restitution. Friska epitelceller intill skadan plattar ut sig och kryper över det blottade basalmembranet, en process som inte kräver celldelning. I tunntarmen föregås restitutionen av att villi kontraheras genom subepiteliala myofibroblaster, vilket minskar den yta som behöver täckas. Migrationen styrs av integrinsignalering via basalmembranet, bland annat genom fokaladhesionskinas, och av tillväxtfaktorer. För att barriärfunktionen ska återställas krävs dessutom att de täta förbindelserna (tight junctions) och det paracellulära utrymmet sluts. Den snabba förslutningen begränsar risken för att luminala bakterier och toxiner tränger in och orsakar sepsis [16].

Om skadan är djupare och även kryptorna är påverkade krävs proliferation från överlevande kryptor, och då blir stamcellernas plasticitet avgörande [4, 11].

Sårläkningens faser

Läkning av hudsår beskrivs som fyra integrerade och överlappande faser som måste ske i rätt ordning, vid rätt tidpunkt och med lämplig intensitet och varaktighet [17]:

Sår som inte läker har i regel inte fullföljt dessa faser och befinner sig ofta i ett tillstånd av patologisk, förlängd inflammation [17]. Utebliven läkning kan ses som en följd av bristande reglering av inflammation, angiogenes, matrixbildning och cellrekrytering, vanligen kopplad till en bakomliggande sjukdom som kärlsjukdom eller diabetes, eller till åldrande [18].

Reepitelisering av hudsår

Reepitelisering är den process där keratinocyter återskapar epidermis över sårytan. Ett sår kan inte betraktas som läkt utan fullständig reepitelisering, och processen är störd i alla typer av kroniska sår [19]. Reepiteliseringen omfattar flera delvis överlappande moment [19]:

1. Migration. Keratinocyter vid sårkanten lossar sina förankringar till basalmembranet och grannceller och vandrar över den provisoriska matrixen.
2. Proliferation. Celler bakom den migrerande fronten förökar sig och ersätter de celler som vandrat ut.
3. Differentiering och återförankring. När defekten är täckt återbildas basalmembranet, och epidermis stratifieras och differentierar på nytt.

Keratinocyterna är inte enbart strukturella celler. De deltar i det medfödda immunförsvaret och samverkar med fibroblaster, endotelceller och immunceller under läkningen [19]. I musmodeller producerar dendritiska epidermala T-celler bland annat keratinocyttillväxtfaktor (FGF-7), som stödjer keratinocyternas proliferation, och brist på dessa celler fördröjer sårförslutningen [17].

I stora sår i mus kan epitelceller i sårets centrum tillsammans med den underliggande dermis bilda helt nya hårfolliklar genom en process som liknar fosterutvecklingen [15]. Fenomenet visar att vuxen hud under vissa betingelser kan regenerera och inte bara reparera.

Faktorer som försämrar epitelreparation

Faktorer som påverkar sårläkningen kan delas in i lokala och systemiska. Systemiska faktorer verkar i stor utsträckning genom lokala effekter i såret [17].

Klinisk betydelse

Kroniska sår

Kroniska sår definieras av att de inte läker inom förväntad tid [22]. De flesta är bensår eller fotsår relaterade till ischemi, diabetes, venös insufficiens eller tryck [17]. Gemensamt är en kvarstående inflammatorisk miljö och utebliven reepitelisering [17, 19]. Behandlingen riktas därför i första hand mot den bakomliggande orsaken, till exempel revaskularisering vid ischemi, kompression vid venös insufficiens och tryckavlastning vid diabetiska fotsår, i kombination med infektionskontroll och sårvård [21, 22].

Mukosit vid cytostatika och strålbehandling

Snabbt förnyade epitel, framför allt munhålans och mag-tarmkanalens slemhinnor, är särskilt känsliga för cytostatika och strålning. Mukosit uppstår inte enbart genom direkt avdödning av basala epitelceller. Skadan utvecklas i en sekvens där påverkan på submukosan, aktivering av transkriptionsfaktorer som NF-κB och frisättning av proinflammatoriska cytokiner förstärker vävnadsskadan innan ulceration och slutligen läkning följer [23].

Palifermin, en rekombinant human keratinocyttillväxtfaktor, illustrerar att epitelets motståndskraft och reparation kan påverkas farmakologiskt. I en randomiserad studie av 212 patienter med hematologisk cancer som genomgick helkroppsbestrålning, högdoscytostatika och autolog stamcellstransplantation minskade palifermin incidensen av oral mukosit av WHO-grad 3 eller 4 från 98 till 63 procent, och mediantiden med sådan mukosit, räknat på samtliga patienter, från 9 till 3 dygn [24].

Inflammatorisk tarmsjukdom

Vid ulcerös kolit och Crohns sjukdom är slemhinneläkning ett centralt behandlingsmål. Enligt den internationella konsensusen STRIDE-II är klinisk remission och endoskopisk läkning långsiktiga mål, medan symtomlindring och normalisering av CRP eller SR och fekalt kalprotektin är kortsiktiga mål. Histologisk läkning vid ulcerös kolit och transmural läkning vid Crohns sjukdom är inte formella mål men bör bedömas som mått på remissionens djup [25].

Limbal stamcellsbrist

Kemiska brännskador och andra svåra skador på ögats yta kan förstöra limbus och därmed hornhinnans förmåga att förnya sitt epitel. I en serie av 112 patienter, de flesta med brännskaderelaterad limbal stamcellsbrist, gav transplantation av autologa limbala stamceller odlade på fibrin ett permanent genomskinligt och självförnyande hornhinneepitel i 76,6 procent av ögonen. Utfallet berodde på andelen kraftigt p63-positiva stamceller i odlingen. När dessa celler utgjorde mer än 3 procent av de klonogena cellerna lyckades transplantationen hos 78 procent av patienterna, jämfört med 11 procent när andelen var 3 procent eller lägre [8]. Resultatet visar att långsiktig förnyelse kräver stamceller och inte enbart epitelceller.

Alveolär reparation och lungfibros

Vid alveolär skada differentierar AT2-celler till AT1-celler via ett övergångsstadium (pre-alveolar type 1 transitional cell state, PATS). Cellerna i detta stadium sträcks ut kraftigt, är sårbara för DNA-skada och uppvisar ökad TP53- och TGF-β-signalering samt cellulär senescens. Hos patienter med lungfibros ansamlas celler som liknar detta övergångsstadium, vilket talar för att fibros delvis kan förstås som en reparation som stannat av halvvägs [26].

Metaplasi och cancer

Långvarig skada kan leda till metaplasi, där en differentierad celltyp ersätts av en annan i samma vävnad. Typiska exempel är intestinal metaplasi i esofagus och ventrikel. Metaplasi kan utgöra ett förstadium till låggradig dysplasi, som i sin tur kan utvecklas till höggradig dysplasi och karcinom [27].

Tumörer utnyttjar dessutom sårläkningsprogrammet. VEGF-medierad kärlpermeabilitet, en extravaskulär fibrinmatrix, angiogenes och granulationsvävnad ger tumören det stroma den behöver, och slutresultatet motsvarar ärrvävnad, i tumörsammanhang kallad desmoplasi. Detta ligger bakom beskrivningen av tumörer som sår som inte läker [28].

Endotelets läkning efter koronar stentning

Endotelet är histologiskt ett enkelt skivepitel men har mesodermalt ursprung och brukar därför behandlas separat från övriga epitel. Dess läkning efter perkutan koronarintervention är ändå ett kliniskt viktigt exempel på samma principer. I en obduktionsstudie av första generationens läkemedelsavgivande stentar var i genomsnitt 55,8 procent av stentytan endotelialiserad, jämfört med 89,8 procent för metallstentar utan läkemedel, och läkningen var fördröjd med kvarstående fibrin. Fördröjd läkning, tillsammans med faktorer som utsättning av trombocythämmare, malapposition och stentning av bifurkationer, var kopplad till sen stenttrombos [29]. Antiproliferativa läkemedel som hämmar neointimal hyperplasi kan alltså samtidigt fördröja den önskade täckningen av stentytan.

Källor

1. Gurtner GC m.fl. Wound repair and regeneration. Nature 2008. PMID: 18480812
2. Sender R, Milo R. The distribution of cellular turnover in the human body. Nat Med 2021. PMID: 33432173
3. Darwich AS m.fl. Meta-analysis of the turnover of intestinal epithelia in preclinical animal species and humans. Drug Metab Dispos 2014. PMID: 25233858
4. Tian H m.fl. A reserve stem cell population in small intestine renders Lgr5-positive cells dispensable. Nature 2011. PMID: 21927002
5. Bergstresser PR, Taylor JR. Epidermal 'turnover time': a new examination. Br J Dermatol 1977. PMID: 871385
6. Rock JR m.fl. Basal cells as stem cells of the mouse trachea and human airway epithelium. Proc Natl Acad Sci U S A 2009. PMID: 19625615
7. Barkauskas CE m.fl. Type 2 alveolar cells are stem cells in adult lung. J Clin Invest 2013. PMID: 23921127
8. Rama P m.fl. Limbal stem-cell therapy and long-term corneal regeneration. N Engl J Med 2010. PMID: 20573916
9. Barker N m.fl. Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature 2007. PMID: 17934449
10. Sato T m.fl. Paneth cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in intestinal crypts. Nature 2011. PMID: 21113151
11. van Es JH m.fl. Dll1+ secretory progenitor cells revert to stem cells upon crypt damage. Nat Cell Biol 2012. PMID: 23000963
12. Blanpain C, Fuchs E. Epidermal homeostasis: a balancing act of stem cells in the skin. Nat Rev Mol Cell Biol 2009. PMID: 19209183
13. Clayton E m.fl. A single type of progenitor cell maintains normal epidermis. Nature 2007. PMID: 17330052
14. Ito M m.fl. Stem cells in the hair follicle bulge contribute to wound repair but not to homeostasis of the epidermis. Nat Med 2005. PMID: 16288281
15. Plikus MV m.fl. Epithelial stem cells and implications for wound repair. Semin Cell Dev Biol 2012. PMID: 23085626
16. Blikslager AT m.fl. Restoration of barrier function in injured intestinal mucosa. Physiol Rev 2007. PMID: 17429041
17. Guo S, DiPietro LA. Factors affecting wound healing. J Dent Res 2010. PMID: 20139336
18. Eming SA m.fl. Wound repair and regeneration: mechanisms, signaling, and translation. Sci Transl Med 2014. PMID: 25473038
19. Pastar I m.fl. Epithelialization in wound healing: a comprehensive review. Adv Wound Care (New Rochelle) 2014. PMID: 25032064
20. Sørensen LT. Wound healing and infection in surgery. The clinical impact of smoking and smoking cessation: a systematic review and meta-analysis. Arch Surg 2012. PMID: 22508785
21. Armstrong DG m.fl. Diabetic foot ulcers and their recurrence. N Engl J Med 2017. PMID: 28614678
22. Falanga V m.fl. Chronic wounds. Nat Rev Dis Primers 2022. PMID: 35864102
23. Sonis ST. The pathobiology of mucositis. Nat Rev Cancer 2004. PMID: 15057287
24. Spielberger R m.fl. Palifermin for oral mucositis after intensive therapy for hematologic cancers. N Engl J Med 2004. PMID: 15602019
25. Turner D m.fl. STRIDE-II: an update on the Selecting Therapeutic Targets in Inflammatory Bowel Disease (STRIDE) initiative of the International Organization for the Study of IBD (IOIBD). Gastroenterology 2021. PMID: 33359090
26. Kobayashi Y m.fl. Persistence of a regeneration-associated, transitional alveolar epithelial cell state in pulmonary fibrosis. Nat Cell Biol 2020. PMID: 32661339
27. Giroux V, Rustgi AK. Metaplasia: tissue injury adaptation and a precursor to the dysplasia-cancer sequence. Nat Rev Cancer 2017. PMID: 28860646
28. Dvorak HF. Tumors: wounds that do not heal, redux. Cancer Immunol Res 2015. PMID: 25568067
29. Joner M m.fl. Pathology of drug-eluting stents in humans: delayed healing and late thrombotic risk. J Am Coll Cardiol 2006. PMID: 16814667