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Characterization of the oxytocin system in primary human dermal fibroblasts and keratinocytes

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2013

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Deing, Verena Daniela

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Charakterisierung des Oxytocin-Systems in primären humanen dermalen Fibroblasten und Keratinozyten
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

The aim of this doctoral thesis was to characterize the oxytocin (OXT) system in human skin and to analyze its functional activity and relevance in cutaneous homeostasis. Apart from a recent study in 2012 showing OXT expression and release by epidermal keratinocytes (1), the OXT system in human skin has not been explored so far.

The results obtained in the present study show that both OXT and its receptor are expressed by primary human dermal fibroblasts and keratinocytes. OXT induced dose-dependent calcium fluxes in both cell types, demonstrating that the OXT receptor (OXTR) is functional. In addition, analyses of dermal fibroblasts show that expression of the OXT system can be enhanced by its own components, suggesting its regulation in a positive feedback loop. Previous studies have reported on increased OXT levels in plasma after massage-like stroking in rats (3), as well as hugs (4) and suckling (2) in humans. Here, in an in vivo study, tactile stimulation of the skin increased OXT concentrations in suction blister fluids. While former studies reported only on elevated systemic OXT release, this study demonstrates local cutaneous OXT release. In summary, these data show that the OXT system can be modulated in vitro and in vivo in human skin cells.

This work further reveals a functional role for the OXT system in the modulation of cutaneous proliferation and structure. OXT decreased proliferation of dermal fibroblasts and keratinocytes in a dose-dependent manner. Moreover, continuous OXT treatment reduced the epidermal layer thickness in a 3-D skin model. In the same model, OXT increased the expression of the terminal differentiation marker loricrin in the epidermis. Whether the reduction in epidermal layer thickness was due to OXT-mediated alteration of proliferation or of cell differentiation remains to be elucidated.

The OXT system appears also to be involved in neuroendocrine, oxidative and inflammatory stress responses of the skin. Corticotropin-releasing hormone (CRH) and corticosterone are central mediators of the systemic/cutaneous neuroendocrine stress response. OXTR knockdown in dermal fibroblasts resulted in an increased expression of CRH and its receptor. Additionally, OXT treatment of keratinocytes decreased the release of corticosterone. Therefore, it is hypothezised that the OXT system counteracts neuroendocrine stress in the skin. Furthermore, OXTR knockdown in dermal fibroblasts and keratinocytes led to elevated levels of reactive oxygen species and reduced levels of glutathione, pointing to a cytoprotective role of the cutaneous OXT system. This is also assumed to apply to inflammation, as OXTR-depleted keratinocytes exhibited an increased release of the pro-inflammatory cytokines IL6, CCL5 and CXCL10.

Numerous skin disorders are associated with abnormal proliferation and stress responses with atopic dermatitis as one of the most prominent representatives. Therefore, it was examined whether the OXT system might be aberrantly expressed in atopic compared to healthy skin. In fact, a downregulation of the OXT system in peri-lesional and lesional atopic skin was detected.
Taken together, the presented findings indicate that the OXT system modulates key processes which are dysregulated in atopic dermatitis, including proliferation, inflammation and oxidative stress responses. In conclusion, the data of this thesis suggest that the OXT system is a novel neuroendocrine mediator in human skin homoeostasis and relevant to stressed skin conditions like atopic dermatitis.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Über das Oxytocin (OXT) System in der Haut war lange Zeit nichts bekannt. In einer Publikation von 2012 wurde erstmalig die Expression und Ausschüttung von OXT durch epidermale Keratinozyten gezeigt (1). In der vorliegenden Doktorarbeit sollte daher das OXT System der Haut charakterisiert werden und dessen Funktion, sowie Relevanz für die kutane Homöostase untersucht werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl OXT als auch dessen Rezeptor von primären humanen dermalen Fibroblasten und Keratinozyten exprimiert werden. Außerdem konnte die Funktionalität des OXT Rezeptors (OXTR) festgestellt werden, da in beiden Zelltypen eine Stimulation mit OXT dosisabhängig intrazelluläre Calciumströme auslöste. Darüber hinaus deuten Analysen darauf hin, dass positive Rückkopplungsschleifen in der Selbstregulation des OXT Systems eine Rolle spielen. So konnte bei dermalen Fibroblasten die Expression des OXTR durch Stimulation mit OXT gesteigert werden. Zusätzlich führte eine verringerte OXTR Expression zu einer ebenfalls geringeren OXT Expression. Dass das OXT System auch in vivo moduliert werden kann, untermauerte eine 12 Probanden umfassende Studie. Analysen von Saugblasenflüssigkeiten zeigten, dass taktile Stimulation eines Hautareals die lokale Ausschüttung von OXT bewirkt. Im Gegensatz dazu, wurde in der Literatur bislang lediglich die systemische Freisetzung von OXT nach taktiler Stimulation, wie beispielsweise bei der Laktation (2), beschrieben.

Untersuchungen zu OXT-vermittelten Funktionen in der Haut deuten auf eine Rolle in der Modulation von Proliferationsprozessen und Epidermisstruktur hin. So konnte eine dosisabhängige Hemmung der Proliferation bei OXT-behandelten dermalen Fibroblasten und Keratinozyten beobachtet werden. Daneben führte im 3-D Hautmodell eine kontinuierliche Behandlung mit OXT zu einer Reduktion der Epidermisdicke. Des Weiteren steigerte OXT die Expression des terminalen Differenzierungsmarkers Loricrin in der Epidermis des Hautmodells. Es bleibt daher zu klären, ob die Reduktion der Epidermisdicke in diesem Hautmodell auf eine OXT-vermittelte Hemmung der Proliferation oder auf eine vorzeitige Differenzierung der Keratinozyten zurückzuführen ist.

Weitere Untersuchungen weisen auf eine modulierende Funktion des OXT Systems bei neuroendokrinen, oxidativen und inflammatorischen Stressantworten der Haut hin. Corticotropin-releasing hormone (CRH) und Corticosteron sind zentrale Mediatoren der systemischen sowie kutanen neuroendokrinen Stressantwort. Knockdown des OXTR in dermalen Fibroblasten führte zu einer erhöhten Expression von CRH und dessen Rezeptor. Daneben wurde bei OXT-behandelten Keratinozyten eine verringerte Ausschüttung von Corticosteron gemessen. Aufgrund dieser Befunde wird die Hypothese abgeleitet, dass das OXT System als Antagonist der neuroendokrinen Hautstressachse auftritt. Des Weiteren resultierte der Knockdown des OXTR bei dermalen Fibroblasten und Keratinozyten in verstärktem oxidativen Stress. So wurden erhöhte Konzentrationen von reaktiven Sauerstoffspezies und verminderte Mengen des Antioxidants Glutathion gemessen. Es wird daher angenommen, dass das kutane OXT System zytoprotektiv wirkt. Diese Vermutung wird in Hinblick auf Entzündungsreaktionen dadurch bestärkt, dass bei OXTR-depletierten Keratinozyten eine drastisch erhöhte Ausschüttung der pro-inflammatorischen Zytokine IL6, CCL5 and CXCL10 detektiert wurde.

Eine Vielzahl von Hautkrankheiten ist mit einer abnormalen Zellproliferation und Hauttressantwort assoziiert. Die atopische Dermatitis gehört in diesem Zusammenhang zu den am häufigsten auftretenden Hautkrankheiten. Es wurde daher untersucht, ob das OXT System in atopischer Haut aberrant exprimiert wird. Tatsächlich konnte eine Herrunterregulation des OXT Systems sowohl in peri-läsionaler, als auch in läsionaler atopischer Haut gemessen werden.

Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Arbeit erstmalig darauf hin, dass das kutane OXT System zentrale Prozesse - wie Proliferation, inflammatorische- und oxidative Hautstressantworten - beeinflusst, welche im Krankheitsbild der atopischen Dermatitis fehlreguliert sind. Daraus wird geschlossen, dass das OXT System als wichtiger Modulator der Homöostase humaner Haut fungiert und relevant für gestresste Hautzustände, wie der atopischen Dermatitis, ist.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

skin, inflammation, oxidative stress, proliferation, atopic dermatitis

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ISO 690DEING, Verena Daniela, 2013. Characterization of the oxytocin system in primary human dermal fibroblasts and keratinocytes [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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September 11, 2013
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