Відростання втраченої ноги NZZ

Саламандра може відновити ампутовану ногу за короткий проміжок часу. Згідно з новими висновками, ми також можемо багато чому навчитися від мишей. Не виключено, що у людини існує певний потенційний сплячий стан.

Мексиканська саламандра аксолотль може регенерувати цілу ногу за п’ять тижнів. (Зображення: Центр регенеративної терапії Дрезден/PD)

Земноводні - справжні майстри регенерації. Саламандри та тритони можуть повністю відростити цілі ноги, руки, а іноді навіть внутрішні органи. Протягом століть дослідники дивувались, що відбувається в процесі зцілення цих тварин інакше, ніж у нас; і перш за все, чи ми безповоротно втратили цю здатність в ході еволюції, чи все ще маємо певний потенційний сплячий стан. З'являється все більше доказів того, що останнє відповідає дійсності. Наприклад, кілька місяців тому було опубліковано дослідження, яке показує, що африканські миші на хребті (Acomys) ініціюють процеси регенерації, подібні процесам земноводних. Це означає, що молекулярні сигнальні шляхи також є у вищих хребетних.

Мексиканська саламандра аксолотль може регенерувати цілу ногу за п’ять тижнів. (Зображення: Центр регенеративної терапії Дрезден/PD)

Нова шкіра у мишей

Подібно до того, як ящірки скидають хвости, щоб заплутати переслідувача, африканські колючі миші відривають шкіру від спини, щоб уникнути нападника. Щоб така тактика не була недоліком у довгостроковій перспективі, втрачена шкіра повинна якомога швидше і повніше відростати разом із волоссям. Це вже є особливістю для ссавців, оскільки волосяні фолікули, в яких волосся росте і закріплюється, рідко відновлюються після пошкодження. Ешлі Сейферт з Університету Флориди та його колеги хотіли дослідити цю здатність у двох видів африканських колючих мишей - так називали їх через щетину. Коли тварин ловили в нетрях Кенії, багато хто з них скидали шкіру. Отримані в результаті рани були частково великими і охоплювали до половини спини.

Однак у 80 відсотків тварин рана була закрита раневим епідермісом, тонким шаром епідермальних клітин, через три дні. Через кілька тижнів утворилася еластична шкіра з волоссям, без рубців. Для оновлення волосяних фолікулів активувались молекулярні сигнальні шляхи, які ці структури також розвиваються під час ембріонального розвитку. Для того, щоб додатково перевірити регенеративну здатність Acomys, дослідники пробили чотири міліметрові отвори у вухах мишей і порівняли процес загоєння з процесом домашніх мишей. Останні не змогли повністю закрити отвори і в основному утворилася рубцева тканина. Однак колючі миші швидко заповнили отвір тканинами, які там зазвичай є: верхня частина шкіри (епідерміс), дерма, хрящ і жирова тканина, бракували лише м’язи.

Процес регенерації був подібний до процесу земноводних: клітини епідерми швидко покривали рану, під зоною з швидко поділяються клітинами розвивалася сполучна тканина, виготовлена з колагенових волокон, подібна до здорової шкіри. Однак у домашніх мишей контакт між раневим епідермісом і підлеглими клітинами незабаром перервався базальною мембраною, і утворилася більшість колагенових волокон рубцевої тканини. Це характерно для ссавців, а також трапляється у людей: рани заживають через рубцювання. Тканина згодом менш еластична, волосся та потові залози відсутні.

Зона з швидко ділиться клітинами у колючих мишей була подібною до так званої бластеми. У земноводних ця область виникає трохи нижче епідермісу і є важливою для регенерації. Він також містить швидко поділяються клітини, які менш спеціалізовані, ніж дорослі клітини, і які виробляють специфічні для розвитку білки. Клітини бластеми відновлюють всю відсутність кінцівки.

Вчені давно припускали, що клітини бластеми - це однорідна група клітин, які, як і стовбурові клітини, є плюрипотентними і можуть розвиватися в безліч різних типів клітин. Однак кілька років тому дослідники на чолі з Еллі Танака з Центру регенеративної терапії в Дрездені показали, що клітини бластеми утворені з різних типів тканин і мають обмежений потенціал розвитку.

Дослідники досліджували регенерацію в аксолотлі - мексиканській саламандрі, яка живе у воді та пов’язана із саламандрами. Кожен з них фарбував окремі типи клітин на руках тварин. Потім вони ампутували короткий шматок і спостерігали, які типи клітин були нещодавно утворені з позначених клітин (див. Графіку). Було встановлено, що клітини м’язів формують лише м’язи, клітини Шванна, що огортають нерви, лише клітини Шванна, а клітини епідерми - лише епідерміс. Тільки клітини хряща та шкірні клітини були менш обмеженими, виробляючи як хрящі, так і дерму. Можливо, клітини бластеми - це тканинно-специфічні стовбурові клітини з обмеженим потенціалом розвитку.

Навіть якщо клітини бластеми не переходять в ембріональний стан, з ними відбувається щось, що запускає ембріональні процеси, так що формується нова кінцівка. Це реактивує молекулярні сигнальні шляхи, які в іншому випадку активні лише під час ембріонального розвитку - це було показано різними дослідженнями земноводних за останні роки.

Імунна система як перешкода

Одне з найбільш фундаментальних питань, яке ставлять дослідники, полягає в тому, чому ембріональні сигнальні шляхи не відновлюються у людини після травми. За словами Сейферта, можна лише сказати: "Ми не знаємо". Ссавці заліковували травми рубцями. Порівняно з земноводними, це видається недоліком. Але для цього, мабуть, є причина.

Одна з гіпотез полягає в тому, що здатність до регенерації втрачена на користь кращої імунної системи. Міркування засновані на спостереженні, що здатність до регенерації зменшується із збільшенням розвитку імунної системи. Це трапляється як у ссавців, які мають погано розвинену імунну систему як ембріони і за цей час відновлюють пошкодження шкіри без рубців, так і у жаб, які повністю відновлюють свої кінцівки в стадії личинки. Чим ближче вони наближаються до метаморфози, тим менше завершується регенерація і повністю затримується стадія жаби. Одночасно імунна система розвиває здатність відрізняти чужорідні клітини від власних клітин організму та цілеспрямовано боротися з чужими клітинами. Саламандри та тритони не мають цієї специфічної імунної відповіді вищих хребетних.

Ентоні Мешер, університет штату Індіана, вже кілька років вивчає гіпотезу імунної системи. Він підозрює, що специфічна імунна система класифікує клітини бластеми як чужорідні. Перш ніж вони розвиваються в різні типи клітин у земноводних, вони виробляють модельні білки. Вони використовуються для організації будови нової кінцівки та інформування клітин про те, де вони перебувають і що робити в цей момент. Інакше модельні білки вироблялися б лише під час ембріонального розвитку, якби специфічна імунна система ще не розвинулася, каже Мешер. Цілком можливо, що імунні клітини знищили ті клітини, які мали на своїй поверхні ці білки. Гіпотеза є умоглядною, але є деякі докази, що її підтверджують. Тому він підкреслює, що дослідники регенерації повинні враховувати імунну систему у своїх дослідженнях.

Це може бути важливим. Одним із бачень дослідників є використання сигнальних речовин для ініціювання процесів регенерації, подібних до земноводних, у людини. Кен Мунеока з Університету Тулейн в Новому Орлеані та його колеги домоглися цього з мишами. Миші та людські діти можуть відновити відрізаний кінчик пальця, якщо бракує лише короткого шматочка. Оскільки клінічно описаних випадків дітей мало, незрозуміло, чи відростають лише м’які тканини, або, як при реальній регенерації, також кістки.

У мишей це новоутворене; але відрізняється від земноводних. Це правда, що миші також мають вибухоподібну структуру з швидко поділяються клітинами, які виробляють специфічні для розвитку білки. Однак кістка будується не з хрящової тканини, як при ембріональному розвитку, а з клітин-попередників сполучної тканини. Відновлювані кінцівки земноводних, навпаки, відтворюють весь ембріональний розвиток.

Інакше була ситуація з мишами, у яких команда Мунеоки штучно індукувала регенерацію. Дослідники використовували сигнальні білки (BMP2 або BMP7), які вони поміщали в зазвичай нерегенеруючу рану в задній частині останньої фаланги. Потім штучно індукована регенерація протікала, як у земноводних: кістка утворилася з хряща. Дослідники показали, що звичайна рана у ссавця може трансформуватися у регенеративну рану за допомогою фактора росту.

Попереду ще довгий шлях

Але минулого року розчарування відбулося, коли дослідники спробували викликати регенерацію передостанньої фаланги у мишей. Хоча це вдалося з BMP2, регенерувалась лише фаланга, якій проводилася ампутація. Остання ланка та стик між ланками відсутні. На думку дослідників, BMP2 індукує сайт-специфічну регенерацію. Це свідчить про те, що клітини ссавців також мають «місцеву пам’ять» (див. Рамку). Однак, на відміну від земноводних, вони не можуть використовувати його для організації повної регенерації відсутніх кінцівок. Вони відтворюють лише ту частину, з якої вони походять. Отже, до регенерації, подібної до земноводних, ще далеко.