4D-Healing Data-Driven Drug Discovery in Wound Healing

Wunden der Haut stellen eine der häufigsten Verletzungen dar, welcher der Mensch in allen Stadien seines Lebens erhält. Diese Wunden sind alle unterschiedlich und können ein Ergebnis von Kratzer, Feuer, Hitze oder ein Teil eines komplexeren Traumas sein. Detailliertes Wissen über die Hautheilung oder Regeneration ist daher ein Schlüssel für die Verbesserung der praktischen Ansätze in der Kliniken. Hierbei sind Tiermodelle von großer Hilfe, um die Mechanismen der Wundheilung zu untersuchen, jedoch unterscheidet sich die Haut der Tiere von der des Menschen erheblich. Darüber hinaus zeigt die menschliche Haut in verschiedenen Körperteilen eine hohe Varianz des Regenerationspotentials. Single Cell Transkriptomik, die einen sehr tiefen Einblick in jede komplexe Population von Zellen oder dessen Dynamikprozess bietet ist eine neuartige Methode, welche in diesem Fall von größtem Vorteil ist. Diese Methode erfasst einen Transkriptomzustand einer einzelnen Zelle und kann somit diese Einzelzellen auf der Ebene heterogener Populationen analysieren. Des Weiteren, kann diese Methode an einem beliebigen Gewebe angewendet werden. Der Wundheilungsprozess ist hochdynamisch und heterogen und das bessere Verständnis dieses Prozesses könnte Einblicke in die regenerative Medizin geben. Der Beitrag der verschiedenen Zelllinien an der Wundheilung kann nicht durch Massen- Transkriptomik-Analyse erfolgen, sondern nur mit einem individuellen Ansatz beurteilt werden. Jedoch kann eine statische Momentaufnahme durch Einzelzellanalysen nicht informativ sein. Daher wird 4D-HEALING die vier räumlich-zeitlichen Dimensionen der menschlichen Wundheilung in noch nie dagewesener Weise darstellen: Das Transkriptom von Tausenden von Zellen aus einer in vivo überwachten menschlichen Wunde wird von der RNAseq auf der Einzelzell-Ebene analysiert. Menschliche Hautproben in verschiedenen Stadien der Heilung können mit Single-Cell- Transkriptomik analysiert werden, um bisher unbekannte Orientierungspunkt dieses Prozesses aufzudecken. Unsere Rolle in diesem Projekt ist es, eine 4D-Karte der Zelltypen, die an der menschlichen Wundheilung beteiligt sind, zur Verfügung zu stellen. Diese wird es uns ermöglichen, ein dynamisches mathematisches Modell des Prozesses zu erschaffen, um die Überlagerung zwischen Zell-Signalisierung und Interaktionen zu enträtseln, sowie die Übergangszuständen und Position während der Heilung. Diese Modelle, die zusammen mit FDA-zugelassenen Arzneimitteldatenbanken integriert sind, erlauben sachkundige Entscheidungen über mögliche molekulare Kandidaten, die pharmakologisch moduliert werden können. Vielversprechende Arzneien werden in ex vivo menschlichen Hautorgankulturen getestet, die akute und chronische Wundumgebungen nachahmen.Diedaraus resultierendenKandidatenwerdendenüblichen Arzneimittelentwicklungsprogrammen unterzogen. Das Projekt wird nicht nur datengesteuertes und umfassendes Verständnis des menschlichen Wundheilungsprozesses liefern, sondern auch einen in vitro Beweis für das Konzept einer neuartigen topischen Therapie zur Verbesserung der chronischen Wundheilung.

Im Rahmen unseres Projektes wurde - sowohl in humanem als auch im Mausgewebe - die Einzelzell-Technologie angewandt, um spezifische Hautpopulationen zu definieren und nachzuweisen. Als Hauptergebnis konnten wir, durch Analyse von spezifisch exprimierten Genen, bei Mäusen bioinformatisch eine neue, bisher unbekannte Population von Hautzellen identifizieren, die mit großer Wahrscheinlichkeit an der Entstehung von Schmerzen sowie schmerzhaften Entzündungsreaktionen beteiligt ist. Da die Entschlüsselung dieser Reaktionen (Entzündung und Schmerz, Entzündungsschmerz und adrenerge Freisetzung in der Wunde) ebenso relevant für die menschliche Hautregeneration ist, wechseln wir derzeit zu den angereicherten humanen sequenzierten Einzelzelldatenbanken, um in Versuchen den homologen neuen Zelltyp in der menschlichen Haut zu identifizieren. Dabei soll das Verhalten, die Regeneration und der Übergang der entsprechenden Abstammungslinie während der humanen Hautregeneration überprüft werden. Dazu haben wir Fibroblasten, Keratinozyten, Endothelzellen, perivaskuläre Zellen und Schwann-Zellen stark annotiert. Die Subtypen der hämatopoetischen Abstammungszellen erfordern eine weitere Annotation. Um eine Zeitreihenanalyse durchzuführen, haben wir die Frage gestellt, wie sich die Anzahl der Zellen in jedem Zelltyp (visualisiert als Cluster einzelner Zellen) im Laufe der Zeit nach der Verwundung verändert hat. Wir haben Cluster entdeckt, deren Belegung sich zwischen den Zeitpunkten signifikant ändern. Wir konnten zeigen, dass mehrere große Cluster interne Heterogenität aufweisen, z.B. Mesenchym wurde durch zwei Subcluster repräsentiert, die durch eine Reihe von Markern unterscheidbar waren. Interessanterweise verteilen sich die Zellen nach der Verwundung zwischen den Subclustern neu. Die Größe der mesenchymalen Cluster, die DCN-, PTGDS- und CFH-Gene charakterisierten, nahm unmittelbar nach der Verwundung zu und nahm in den Tagen 2-5 ab, was eine frühe Reaktion auf eine Verletzung kennzeichnen könnte. Wir beobachteten auch die Zunahme des Anteils der Endothelpopulation unmittelbar nach der Verletzung. Dieses Ergebnis ist sehr wichtig, da es die Dynamik der Wundheilung beim Menschen widerspiegelt. Als nächstes suchten wir nach Stammzellpopulationen, um zu untersuchen, wie diese bei Verletzung beeinflusst werden. Es konnte jedoch bis dato keine spezifische Subpopulation humaner Stammzellen mit den in Mäusen identifizierten Markern identifiziert werden.