Die Haut enthält zwei Haupttypen von adulten Stammzellen: epidermale Stammzellen und Haarfollikelstammzellen. Normalerweise hat jeder Typ eine klare Aufgabe – der eine erhält die Haut, während der andere das Haarwachstum unterstützt. Forschungen der Rockefeller University haben jedoch gezeigt, dass Haarfollikelstammzellen (HFSCs) überraschend anpassungsfähig sind. Wenn die Haut verletzt wird, können diese Zellen vom Haarwachstum auf die Wundheilung umschalten. Was sagt ihnen also, wann es Zeit für diesen Wechsel ist?
Ein Stresssignal, das das Zellverhalten verändert
Dasselbe Forschungsteam der Rockefeller University hat nun das Schlüsselsignal hinter dieser Transformation identifiziert. Haarfollikelstammzellen reagieren auf eine sogenannte integrierte Stressreaktion (ISR) – ein zelluläres Alarmsystem, das ihnen hilft, Energie zu sparen und sich auf Überlebensaufgaben zu konzentrieren. In der Haut ist diese Stressreaktion mit der Aminosäure Serin verbunden, einem nicht essenziellen Nährstoff, der in gängigen Lebensmitteln wie Fleisch, Getreide und Milch enthalten ist. In ihrer in Cell Metabolism veröffentlichten Studie zeigten die Wissenschaftler, dass bei sinkendem Serinspiegel die ISR aktiviert wird und die Haarproduktion verlangsamt wird. Ist die Haut zusätzlich verletzt, wird die ISR noch weiter verstärkt, sodass das Haarwachstum vollständig zum Stillstand kommt und sich die Zellen auf die Reparatur des geschädigten Gewebes konzentrieren können. Diese Verschiebung der Prioritäten hilft der Haut, schneller zu heilen.
„Serinmangel löst einen hochsensiblen zellulären ‚Regler‘ aus, der das Schicksal der Zelle feinabstimmt – hin zur Haut und weg vom Haar“, erklärt Erstautor Jesse Novak, MD-PhD-Student am Tri-Institutional MD-PhD-Programm der Weill Cornell Medical College und ehemaliger Doktorand im Rockefeller-Labor von Elaine Fuchs. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wir die Heilung von Hautwunden beschleunigen könnten, indem wir den Serinspiegel durch Ernährung oder Medikamente beeinflussen.“
Erwachsenes Gewebe ist auf Stammzellen angewiesen, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten – indem es abgestorbene Zellen ersetzt und beschädigtes Gewebe repariert. Dennoch wissen Wissenschaftler noch wenig darüber, wie diese Zellen ihre Energie und Nährstoffe bei verschiedenen Aufgaben verwalten. Novak und sein Team wollten die Stoffwechselfaktoren verstehen, die dafür sorgen, dass Stammzellen normal funktionieren, und wissen, was sich ändert, wenn sie umschalten müssen, um eine Wunde zu heilen.
„Die meisten Hautwunden, die wir erleiden, sind Abschürfungen, die den oberen Teil der Haut zerstören“, sagt Novak. „In diesem Bereich befindet sich ein Pool von Stammzellen, die normalerweise für die Wundheilung zuständig sind. Wenn diese Zellen jedoch zerstört werden, müssen die Haarfollikel-Stammzellen die Reparatur übernehmen“, erklärt Novak. „Mit diesem Wissen kamen wir zu dem Schluss, dass die Verfolgung dieser Hautzellen während der Wundheilung ein sehr gutes Modell darstellt, um zu testen, ob und wie Metaboliten diesen Prozess insgesamt regulieren.“
Die Rolle von Serin über Haare und Haut hinaus
Frühere Forschungen aus dem Fuchs-Labor zeigten, dass präkanzeröse Hautstammzellen von zirkulierendem Serin abhängig werden können, und dass eine serinarme Ernährung dazu beiträgt, die Entartung dieser Zellen zu verhindern. Diese Erkenntnisse unterstrichen den starken Einfluss von Serin auf das Zellverhalten und inspirierten sogar Studien, in denen serinfreie Diäten als Krebsbehandlung getestet wurden. Es blieb jedoch unklar, wie sich eine Verringerung des Serinspiegels auf gesundes Gewebe auswirken könnte. Um dies zu untersuchen, konzentrierte sich Novak auf die Rolle von Serin bei der normalen Stammzellaktivität und darauf, wie dessen Fehlen die Regeneration verändern könnte.
Die Forscher untersuchten, wie Haarfollikel-Stammzellen auf metabolischen Stress reagieren. Sie entzogen Mäusen entweder Serin aus der Nahrung oder blockierten mithilfe genetischer Methoden die körpereigene Serinproduktion der Zellen. In beiden Fällen zeigten die Ergebnisse, dass Serin direkt mit dem ISR kommuniziert – einem System, das überwacht, wenn das Gewebe aus dem Gleichgewicht gerät. Bei niedrigem Serinspiegel verlangsamte sich das Haarwachstum, da es viel Energie benötigt. Bei Verletzungen wurde das ISR noch stärker aktiviert, wodurch die Heilung Vorrang vor der Haarregeneration hatte. Mit anderen Worten: Wenn der Stress zunimmt, haben die Reparaturmechanismen der Haut Vorrang. „Niemand verliert gerne Haare, aber wenn es in stressigen Zeiten ums Überleben geht, hat die Reparatur der Epidermis Vorrang“, sagt Fuchs. „Eine fehlende Haarstelle ist für ein Tier keine Bedrohung, eine nicht verheilte Wunde hingegen schon.“
Kann zusätzliches Serin das Haarwachstum fördern?
Nachdem das Team bestätigt hatte, dass ein niedriger Serinspiegel das Verhalten der Stammzellen beeinflusst, fragten sie sich, ob das Gegenteil auch gilt: Kann ein erhöhter Serinspiegel das Haarwachstum fördern? Die Antwort scheint „nein“ zu sein. Der Körper kontrolliert den Serinspiegel streng, und selbst wenn Mäusen sechsmal mehr Serin als üblich über die Nahrung verabreicht wurde, stieg der Spiegel nur um etwa 50%. Die Forscher haben jedoch festgestellt, dass sie die Haarregeneration teilweise wiederherstellen konnten, wenn sie die Stammzellen daran hinderten, ihr eigenes Serin zu produzieren, und ihre Verluste durch eine serinreiche Ernährung ausglichen.
Als Nächstes wollen sie untersuchen, ob die Wundheilung durch eine Verringerung der Serinaufnahme oder durch den Einsatz von Medikamenten, die den Serinspiegel oder den ISR-Signalweg beeinflussen, verbessert werden kann. Außerdem wollen sie andere Aminosäuren testen, um festzustellen, ob diese ähnliche Wirkungen haben. Insgesamt dürfte die Fähigkeit von Stammzellen, ihre Zellbestimmung auf der Grundlage des Ausmaßes der Belastung, der sie ausgesetzt sind, zu treffen, weitreichende Auswirkungen darauf haben, wie Gewebe ihre Regenerationsfähigkeit in Zeiten knapper Ressourcen optimieren.