Регенерацията на органи – на една (регенерирана) ръка разстояние

Дали човешкото тяло има възможност да се самолекува? Този въпрос отдавна е напуснал полето на научната фантастика и стои в основата на всички разработки в областта на регенеративната медицина. Съществуват всякакви причини за загуба на орган или тъкан – стареене, хронични болести, механично нарушение, вроден дефект. Работата на учените е да изследват възможностите за лечение и възобновяване на тъкани и органи, за да подобрим качеството и продължителността на живота си.

И макар че бозайниците не могат да регенерират органите си напълно, трябва да се знае, че от всяко правило има изключения. Бодлокожата мишка от род Acomys е забележителен представител, защото може да регенерира кожата и козината си изцяло, след като успее да избяга от хищника, който е успял да ги нарани. Други моделни животни (за лабораторни експерименти), чрез които се изследва регенерацията, са плоскоклетъчният червей от род Планария, декоративната аквариумна риба, позната като Данио (Zebrafish), и земноводният саламандър аксолотъл (Ambystoma mexicanum). За него ще поговорим малко повече днес.

Шампионът на регенерацията

Уникалността на аксолотлите сред гръбначните животни се дължи на способността им да извършват пълна регенерация на крайниците и гръбначния си мозък дори при възрастни индивиди. Те могат да регенерират и ресните (орган за дишане), които се намират от двете страни на главата им, ретината на очите, челюстите и редица вътрешни органи.

В природата крайниците на аксолотлите могат да бъдат многократно „ампутирани“ от различни видове хищници, след което настъпва регенерацията. Изучаването на механизмите, участващи в процеса, е най-удобно именно при крайниците на животното, тъй като те са най-достъпни.

Нормалната регенереция при аксолотъла протича по следния начин: през първия ден на нараняването клетки от най-външния слой на кожата (епидермис) мигрират към повърхността на раната. Стъпката е критична, тъй като контактът между епидермиса и мускула под него е от решаващо значение за началото на регенерацията.

Следва образуване на локална популация от нискоспециализирани стволови клетки, които имат способността да се превръщат в различни класове клетъчни типове. Уникалното в тази стъпка е, че въпросните клетки се получават чрез дедиференциация – с други думи, връщат се назад във времето. Тези клетки се натрупват под епидермиса и се образува т.нар. бластема. След това бластемата се удължава до формирането на пъпка или конус.

В по-късния стадий регенерацията вече е зависима от нервите. От тъканта се образува плоска форма на лопатка и започва редиференциацията. Клетките, изграждащи бластемата, спират да се размножават и поемат различни пътища на специализиране. Структурите, които се образуват наново, са точни копия на липсващите. Този необикновен процес ангажира вниманието на учените, тъй като в основата му стои голяма енигма.

Проведените експерименти, в които се прерязват нервите, инервиращи крайника, преди той да бъде ампутиран, сочат, че способността на бластемата да започне отново да формира различни по вид клетки е зависим от нервите процес. Въпреки това крайните стъпки са независими от нервите. Когато нервите в крайника на аксолотъла са прерязани в ранен етап на регенерационния процес, растежът спира. Ако съответният нерв се пререже в по-късен етап, регенерацията ще продължи.

Фактори на регенерацията

Регенерацията, зависима от нервите, не е нещо невиждано. Тя е в основата на възстановяването на тъкани при гръбначните и се наблюдава и при зарастване на рани при хората. Например при пациенти с парализирани крайници, когато невроните, инервиращи мускула, са с нарушена структура, крайникът не се възстановява и този мускул се смята за „загубен“, или денервиран. Ако пациентът е с парализиран крайник, но без нарушена инервация, той би могъл да се възстанови. Друг пример е периферната невропатия (увреждане на периферната нервна система) при хора с диабет. Тя води до т.нар. диабетно стъпало. В този случай, когато периферните нерви са увредени и крайникът бъде наранен, тъканта не може да се заздрави и умира (некроза).

Но да се върнем на аксолотъла. Смята се, че нервите транспортират към раната белтъци, познати като невротропни фактори, и те влияят върху развитието на бластемата. Един от изследваните фактори е неурегулин 1 (neuregulin 1/nrg-1). Той се свързва с определен рецептор и изпраща сигнали, чрез които клетките мигрират към раната и се размножават. При денервиран крайник nrg-1 и рецепторът му липсват.

Друг фактор, заслужаващ внимание, е амфирегулинът (amphyregulin), вид епидермален растежен фактор. Установено е, че прекомерната му експресия (синтез) води до нарушение на регенерацията при аксолотлите, ако той продължи да присъства след формирането на бластемата. Ролята му при регенерацията на крайниците на аксолотъла не е напълно изяснена.

От друга страна, при хората амфирегулинът има роля в развитието на автоимунното заболяване псориазис, характеризиращо се със свръхрастеж на епидермиса. Интересно е, че раните от биопсия при пациентите с псориазис зарастват по-бързо, отколкото при другите хора, и това се дължи именно на свръхрастежа на епидермиса.

Други гени, които са в основата на регенерацията при аксолотъла, са част от т.нар. сигнален път (форма на общуване между клетките чрез промяна на структурата на определени белтъци) на ретиноевата киселина. Днес тя е популярна съставка в козметиката за борба със стареенето на кожата.

Регенеративно бъдеще

Един от най-атрактивните подходи в регенеративната медицина днес е 3D принтирането на функционални биологични тъкани. Биопринтингът се прилага с цел създаване на клетъчни триизмерни структури, имитиращи естествените тъкани и използвани като техен заместител. Материалът, използван за тази техника, са хидрогеловете – натурални полимери, които осигуряват триизмерна течна среда, имитираща тази на междуклетъчното пространство.

Друг вид материал е биомастилото, което позволява принтирането на живи клетки. То предоставя биохимични и физични стимули, насочващи клетките към размножаване и диференциране, като по този начин се поддържа жизнеността им.

Всичко това може и да звучи като научна фантастика, но е абсолютен факт. За съжаление, все още сме далеч от регенерацията на аксолотъла. Но отговорът на въпроса за самолечението се крие в бластемата. Тази структура липсва при хората. Последните изследвания на регенерацията при аксолотъла са насочени именно към установяването на гените, които участват в процеса на де- и редиференциация на клетките, изграждащи бластемата.

Най-новите молекулярни подходи, като CRISPR/Cas системата и секвенирането на РНК, позволяват проследяването на пътя на възрастните клетки към раната и превръщането им в стволови клетки, част от бластемата. Изясняването на молекулярното репрограмиране нa тези клетки ще даде възможност за приложението на нови терапии в регенеративната медицина при човека.

Заглавно изображение: Див тип на саламандъра аксолотъл (Ambystoma mexicanum). Източник: Личен архив