Myofibroblast

Myofibroblasten sind modifizierte Fibroblasten. Myofibroblasten wurden erstmals 1971 von Gabbiani und Mitarbeitern im Granulationsgewebe der Ratte als Zellen beschrieben, die morphologische Merkmale „konventioneller Gewebefibroblasten“ und kontraktiler glatter Muskelzellen aufweisen, indem sie „zu aktiven Spasmen fähig“ sind (daher der Name, obwohl auch „Spasmoblast“ diskutiert wurde) (Gabbiani et al. 1971).  Myofibroblasten kombinieren die Eigenschaften von Fibroblasten und glatten Muskelzellen und besitzen eine deutlich höhere Kontraktionsfähigkeit als normale Fibroblasten. Im Gegensatz zu glatten Muskelzellen sind Myofibroblasten nicht von einer Basallamina umgeben. Myofibroblasten sind in der Lage, endogenes Kollagen zu produzieren. 

Myofibroblasten kommen auch als Pericyten in den Kapillarwänden, im Rindenstroma des Ovars sowie in der Tunica albuginea des Hodens vor. Myofibroblasten besitzen längliche Zellkörper und zahlreiche zytoplasmatische Fortsätze, die den Zellen bisweilen ein sternförmiges Aussehen verleihen. Über Adhärenz-Verbindungen und Gap Junctions stehen sie mit benachbarten Zellen in Kontakt. Die intrazellulären Mikrofilamente sind parallel zur Zell-Längsachse ausgerichtet und zeigen Verdichtungszonen (dense bodies). Über Zell-Stroma-Kontaktstellen sind sie mit der reichlich vorhandenen extrazellulären Matrix verbunden. Über einen Transmembrankomplex (Fibronexus) gibt es eine Kontinuität zwischen intrazellulären Mikrofilamenten und extrazellulären Fibronektin-Fasern. Der Zellkern der Myofibroblasten zeigt tiefe Einkerbungen.

Myofibroblasten entstehen bei der Wundheilung meist aus Fibroblasten, die durch aktivierte Makrophagen zur Zellteilung angeregt werden. Die so entstandenen Myofibroblasten wandern mit den Makrophagen in das Wundgebiet ein. Die Produktion von Kollagen stellt die Integrität des Gewebes wieder her und führt zur Narbenbildung. Eine verminderte Aktivierung der Myofibroblasten führt zu einer unzureichenden Wundheilung. Myofibroblasten stehen in direktem Zusammenhang mit Gewebereparatur und Fibrose. Darüber hinaus führt überschüssiges Kollagen mit der Zeit zu einer verminderten Vaskularität. Diese Veränderung der Vaskularität macht fibrotische Regionen anfälliger für Funktionsverlust, Nekrose, Gewebeatrophie und eine Abnahme der Fibroblastenzahl. 
Es konnte gezeigt werden, dass der Übergang von Makrophagen zu Myofibroblasten zur interstitiellen Fibrose bei chronischen Nierentransplantatschäden beiträgt. Darüber hinaus wird der Übergang von M2-Makrophagen aus dem Knochenmark zu Myofibroblasten im Nierentransplantat durch einen Smad3-abhängigen Mechanismus reguliert (Wang YY et al. 2017).
Myofibroblasten spielen eine wichtige physiologische Rolle bei der raschen Reparatur von verletztem Gewebe durch Narbenbildung, z. B. in der Haut nach einem Trauma oder im Herzen nach einem Herzinfarkt. Darüber hinaus sind Myofibroblasten wichtige Effektorzellen bei fast allen Organfibrosen, indem sie über die normale Reparatur hinaus Narbengewebe akkumulieren. Konventionelle Fibroblasten bilden Myofibroblasten in allen verletzten oder fibrotischen Organen, z. B. in der Leber, im Herzen, als Krebs-assoziierte Fibroblasten (CAFs) in der Umgebung von Tumoren und in dermalen Fibroblastenlinien in der Haut (Jiang und Rinkevich 2020). Perizyten wurden als ein weiterer Hauptbestandteil des Myofibroblastenpools in Lunge, Niere, Haut, Muskel und Leber identifiziert (Affo et al. 2017). Es ist anzunehmen dass Myofibroblasten aus mehreren Vorläufern entstehen können, je nach Organ, Beeinträchtigung, Zeitpunkt und Art des Aktivierungssignals. Extrazelluläre Signale, die die Aktivierung und Aktivität von Myofibroblasten regulieren, können von anderen Zelltypen und der extrazellulären Matrix (ECM) der heilenden und fibrotischen Umgebung stammen. Die Aktivierung der Myofibroblasten wird durch chemische und mechanische Stimuli gefördert, die positive Rückkopplungsschleifen bilden, die für die Pathogenese der Fibrose von zentraler Bedeutung sind.

Myofibroblasten neigen physisch zur Adhärenz und sind bereit, „lokalisierte interzelluläre Verbindungen“ (Gabbiani et al. 1971) zu bilden, zusätzlich zum autokrinen und parakrinen Austausch von löslichen Zytokinen und Wachstumsfaktoren sowie zur Produktion von Exosomen und Mikrovesikeln (Zanotti et al. 2018). Gap Junctions ermöglichen den Austausch von Ionen und kleinen Molekülen zwischen Myofibroblasten und Fibroblasten, Kardiomyozyten, Mastzellen und möglicherweise auch dem Endothel (Lemoinne et al. 2015). Verschiedene Cadherine werden in Myofibroblasten-Adhärenzverbindungen exprimiert, von denen Cadherin-11 (auch als OB-Cadherin bekannt) am stärksten ausgeprägt ist und mit der Aktivierung von Myofibroblasten mitreguliert wird (Valletta et al. 2012). Cadherin-11 vermittelt mechanisch resistente Verbindungen zwischen Myofibroblasten und direkte Kommunikation mit Makrophagen. Cadherin-2 (auch als N-Cadherin bekannt) überträgt die kontraktile Kraft zwischen Myofibroblasten und Kardiomyozyten, und es wurden heterotypische Verbindungen zwischen Cadherin-1 (auch als E-Cadherin bekannt) exprimierenden Krebszellen und Cadherin-2-exprimierenden CAFs beschrieben (Labernadie et al. 2017). Darüber hinaus gibt es junktionale Adhäsionsmoleküle (JAMs) zwischen Myofibroblasten und Endothelzellen sowie das Zonula-Occludens-Protein 1 (TJP1) in dermalen Fibroblasten. Schließlich werden die Zelladhäsionsmoleküle (CAMs) ICAM1 und VCAM1 in Subtypen von Myofibroblasten exprimiert (Fontani et al. 2016), wo sie die Kommunikation mit Immunzellen, einschließlich T-Zellen und Neutrophilen fördern. Neben der direkten interzellulären Kommunikation erzeugt die Kraftübertragung der Myofibroblasten auf die faserige ECM mechanische Signale. Andere Zellen, wie z. B. Makrophagen, folgen Veränderungen der ECM-Dehnungsgeschwindigkeit, d. h. „Zug“-Ereignissen, die von kontrahierenden Myofibroblasten erzeugt werden, und es wurde gezeigt, dass Krebszellen den von Fibroblasten ausgehenden ECM-Signalen folgen.

Aktivierungszustände und Merkmale: Myofibroblasten werden schrittweise aus ihren Vorläufern in verschiedenen Stadien aktiviert, was bereits in der zukunftsträchtigen Entdeckung beschrieben wurde. Zu Beginn der Heilung zeigten Myofibroblasten „die als ‚typisch‘ angesehene zytologische Struktur  (d. h. zahlreiche Zisternen des rauen endoplasmatischen Retikulums und viele Mitochondrien)“ und später „Bündel von gepackten Fibrillen, die denen der glatten Muskulatur ähneln“ (Gabbiani et al. 1971). Myofibroblastenvorläufer exprimieren gleichartig in verschiedenen Organen Proteine von Kollagen Typ I, Rezeptoren für den von Blutplättchen stammenden Wachstumsfaktor (PDGF) alpha (PDGFRA) und/oder Rezeptor beta (PDGFRB), einen Marker für die mesenchymale Abstammungslinie „hypermethylated in cancer 1“ (Scott et al. 2019) sowie noch weitere Marker.

Unter fortgesetzter mechanischer Belastung und der Zugabe von pro-fibrotischen Faktoren wie dem transformierenden Wachstumsfaktor beta-1 (TGFB1, im Folgenden TGF-β1) und der Extradomain-A (ED-A)-Spleißvariante von Fibronektin (FN) ED-A FN werden die Myofibroblasten durch Neoexpression von α-Smooth Muscle Actin (α-SMA) vollständig aktiviert. Die Expression von alpha-SMA verleiht den Stressfasern eine hohe kontraktile Kraft und ist der am häufigsten verwendete Myofibroblastenmarker. Es ist wichtig, die Aktivierung von Myofibroblasten als einen allmählichen Reifungsprozess zu verstehen und nicht alle Merkmale und Funktionen in einer einzigen Zelle gleichzeitig zu erwarten. Es ist nicht bekannt, ob deaktivierte Myofibroblasten in ihren jeweiligen Vorläuferzustand zurückkehren, d. h. wieder Perizyten-, FAP- oder MSC-Eigenschaften annehmen, oder ob sie kontraktile Eigenschaften verlieren und in einer Art zellulären Dämmerzustand enden. Alternative Myofibroblasten-Zustände, die zu ihrer Auflösung während der normalen Gewebereparatur beitragen, aber bei Fibrose dysreguliert sind, sind Seneszenz (Merkt et al. 2020) oder Selbstmord durch Eintritt in intrinsische oder extrinsische Apoptosewege (Hinz et al. 2019).

1. Affo, S et al. (2017). The role of cancer-associated fibroblasts and fibrosis in liver cancer. Annu. Rev. Pathol 12: 153-186.
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6. Jiang D et al. (2020). Scars or regeneration?-dermal fibroblasts as drivers of diverse skin wound responses. Int J Mol Sci 21: 617.
7. Labernadie A et al. (2017). A mechanically active heterotypic E-cadherin/N-cadherin adhesion enables fibroblasts to drive cancer cell invasion. Nat Cell Biol 19: 224-237.
8. Lemoinne S et al. (2015) Portal myofibroblasts promote vascular remodeling underlying cirrhosis formation through the release of microparticles. Hepatology 61: 1041-1055.
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14. Zanotti S et al. (2018). Exosomes and exosomal miRNAs from muscle-derived fibroblasts promote skeletal muscle fibrosis. Matrix Biol 74: 77-100.