Въведете кода си за достъп в полето по-долу.

Ако сте абонат на Zinio, Nook, Kindle, Apple или Google Play, можете да въведете кода за достъп до уебсайта си, за да получите достъп на абоната. Кодът за достъп до вашия уебсайт се намира в горния десен ъгъл на страницата Съдържание на вашето цифрово издание.

регенериране

Изучаването на механизмите, които възстановяват загубените крайници във водните същества, може да помогне за изгарянето на жертвите и други.

Бюлетин

Регистрирайте се за нашия имейл бюлетин за най-новите научни новини

Докато амфибиите вървят, аксолотите са доста сладки. Тези саламандри се отличават с полуусмивка на Мона Лиза и червени, волни хриле, които ги карат да изглеждат облечени за парти. Възможно е обаче да не ги искате във вашата вечер: Те също са канибали. Докато рядко се срещат сега в дивата природа, аксолотите се излюпват масово и това беше свят на саламандра-яде-саламандра. В такава сурова детска стая те развиха - или може би запазиха - способността да прерастват отсечени крайници.

„Регенеративните им сили са просто невероятни“, казва Джошуа Къри, биолог от изследователския институт „Луненфелд-Таненбаум“ в Торонто, който изучава регенерацията на саламандър от 2011 г. Ако аксолотл загуби крайник, придатъкът ще порасне отново, с точно необходимия размер и ориентация. В рамките на седмици шевът между старо и ново изчезва напълно.

И това не е само крака: Axolotls могат да регенерират яйчниците и белодробната тъкан, дори части от мозъка и гръбначния мозък.

Изключителното завръщане на саламандъра от нараняване е известно от повече от век и учените разкриха някои от тайните му. Той запечатва мястото на ампутация със специален тип кожа, наречена ранен епител, след което изгражда малко тъкан, наречена бластема, от която пониква новата част на тялото. Но доскоро фините детайли на клетките и молекулите, необходими за създаване на крак от нулата, оставаха неуловими.

С неотдавнашното секвениране и сглобяване на гигантския геном на аксолотла и развитието на техники за модифициране на гените на съществото в лабораторията, изследователите на регенерацията сега са готови да открият тези подробности. По този начин те вероятно ще идентифицират трикове със саламандра, които биха могли да бъдат полезни в човешката медицина

Вече проучванията осветяват засегнатите клетки и определят необходимите химични съставки. Може би след няколко десетилетия хората също биха могли да прераснат органи или крайници. В по-близко бъдеще констатациите предлагат възможни лечения за начини за насърчаване на зарастването на рани и лечение на слепота.

Идеята за човешката регенерация се е развила от „ако“ до „кога“ през последните десетилетия, казва Дейвид Гардинер, биолог по развитието в Калифорнийския университет, Ървайн. „Всички сега приемат, че е само въпрос на време“, казва той. Но, разбира се, има още много да се направи.

Регенерация на дъгата

В работещ крайник клетките и тъканите са като инструментите в оркестъра: Всеки допринася с действия, като музикални ноти, за създаване на симфония. Ампутацията води до какофония, но саламандрите могат да рапират диригентската палка и да възстановят останалата тъкан обратно в ред - и чак до първото движение на симфонията, когато за първи път израстват крайник в ембриона.

Известни са основните стъпки: Когато един крайник бъде отстранен, било то от гладен брат или сестра или любопитен експериментатор, в рамките на минути кръвта на аксолотла ще се съсири. В рамките на часове кожните клетки се делят и пълзят, за да покрият раната с ранен епидермис.

След това клетките от близките тъкани мигрират към мястото на ампутация, образувайки петно ​​жива материя. Това петно, бластемата, е „мястото, където се случва цялата магия“, каза Джесика Уайт, регенеративен биолог от Харвардския университет, в презентация в Калифорния миналата година. Той образува структура, подобна на пъпката на крайника на развиващия се ембрион, от която растат крайниците.

Този филм показва имунни клетки, обозначени да светят в зелено, движещи се в рамките на регенериращ аксолотъл пръст. Учените знаят, че имунните клетки като макрофагите са от съществено значение за регенерацията: Когато бъдат отстранени, процесът е блокиран.

И накрая, клетките в бластемата се превръщат във всички тъкани, необходими за новия крайник и се установяват по правилния модел, образувайки мъничък, но перфектен крайник. След това този крайник нараства до пълен размер. Когато всичко е готово, „изобщо не можеш да кажеш къде е настъпила ампутацията“, казва Уайт Списание Knowable.

Учените познават много от молекулните инструменти и някои от нотите, участващи в тази регенерационна симфония. Но това отне много работа.

Докато Къри започва като нов постдок с Ели Танака, биолог за развитие в Изследователския институт по молекулярна патология във Виена, той си спомня, че се е чудил: „Откъде идват клетките за регенерация?“ Помислете за хрущяла. Възниква ли от същите клетки, както в развиващия се ембрион, наречени хондроцити, които са останали в пъна на крайника? Или идва от друг източник?

За да научи повече, Къри измисли начин да наблюдава отделните клетки под микроскопа точно при регенерация. Първо, той използва генетичен трик, за да маркира произволно клетките, които изучава в саламандър с дъга от цветове. След това, за да улесни нещата, той отряза само върха на пръста от своите поданици. След това той потърси клетки, които стърчаха - да речем, оранжева клетка, която в крайна сметка беше заобиколена от море от други клетки, оцветени в зелено, жълто и т.н. Той проследи тези забележителни клетки, заедно с техните цветни потомци, през седмиците на регенерация на крайниците. Неговите наблюдения, докладвани в списанието Развиваща клетка през 2016 г. освети няколко тайни за процеса на регенерация.

От една страна, пътуването по клетки е от ключово значение. „Клетките наистина се измъкват от мястото, където са, и пълзят до равнината на ампутация, за да образуват тази бластема“, казва Кари. Разстоянието, което клетките ще изминат, зависи от размера на нараняването. За да направят нов връх на пръста, саламандрите нарисуваха клетки в рамките на около 0,2 милиметра от нараняването. Но при други експерименти, при които саламандрите трябваше да заменят китката и ръката, клетките идваха на разстояние само на половин милиметър.

По-поразителното е, че Къри откри, че приносът към бластемата не е това, което първоначално е очаквал, и варира от тъкан до тъкан. „Имаше много изненади“, казва той.

Хондроцитите, толкова важни за образуването на хрущял в ембрионите, не мигрират към бластемата (по-рано през 2016 г. Гардинер и колеги съобщават за подобни открития). И някои клетки, влизащи в бластемата - перицити, клетки, които обграждат кръвоносните съдове - успяха да направят повече от себе си, но нищо друго.

Истинските виртуози в регенерацията бяха клетки в кожата, наречени фибробласти и перискелетни клетки, които обикновено обграждат костите. Те сякаш пренавиха развитието си, за да могат да образуват всякакви тъкани в новия връх на пръста, превръщайки се в нови хондроцити и други клетъчни типове.

За изненада на Къри, тези клетки-източници не пристигнаха наведнъж. Първите на сцената станаха хондроцити. Закъснелите се превърнаха в меките съединителни тъкани, които обграждат скелета.

Как го правят клетките? Къри, Танака и сътрудници разгледаха допълнително съединителните тъкани, изследвайки гените, включени и изключени от отделни клетки в регенериращ крайник. През 2018г Наука хартия, екипът съобщи, че клетките са реорганизирали своя профил на генно активиране до един почти идентичен, казва Танака, на тези в пъпката на крайника на развиващия се ембрион.

Междувременно мускулите имат свои собствени вариации по темата за регенерацията. Зрелите мускули, както при саламандрите, така и при хората, съдържат стволови клетки, наречени сателитни клетки. Те създават нови клетки, докато мускулите растат или се нуждаят от ремонт. В проучване от 2017 г. в PNAS, Танака и колегите му показаха (чрез проследяване на сателитни клетки, направени да светят в червено), че повечето, ако не и всички мускули в новите крайници идва от сателитни клетки.

Рецепта за регенерация

Ако Къри и Танака изследват инструментите на регенерационната симфония, Катрин МакКаскър декодира мелодията, която свирят, под формата на химикали, които тласкат процеса. Регенеративен биолог от Университета на Масачузетс, Бостън, наскоро тя публикува своеобразна рецепта за създаване на аксолот крайник от мястото на раната. Заменяйки две от трите ключови изисквания с химически коктейл, МакКусър и нейните колеги могат да принудят саламандрите да отгледат нова ръка от малка рана отстрани на крайник, като им дадат допълнителна ръка.

Първото изискване за регенерация на крайниците е наличието на рана и образуването на ранен епител. Но второ, учените знаеха, беше нерв, който може да прерасне в нараненото място. Или самият нерв, или клетките, с които той разговаря, произвеждат химикали, необходими, за да направят съединителната тъкан отново незряла и да образуват бластема. В тяхното проучване през 2019 г. в Биология на развитието, McCusker и колегите - ръководени от по-ранната работа на японски екип - използваха два фактора на растеж, наречени BMP и FGF, за да изпълнят тази стъпка в саламандрите, на които липсва нерв на правилното място.

Третото изискване беше фибробластите от противоположните страни на раната да се намират и докосват един друг. Например при ампутация на ръката клетки от лявата и дясната страна на китката може да се срещнат, за да моделират и ориентират правилно новата ръка. Химическият заместител на McCuscker за това изискване е ретиноевата киселина, която тялото произвежда от витамин А. Химикалът играе роля в установяването на шаблони в ембрионите и отдавна е известно, че моделира тъканите по време на регенерацията.

В експеримента си екипът на McCusker премахна малък квадрат от кожата от горната част на 38 саламандри. Два дни по-късно, след като кожата заздравее, изследователите направиха малка цепка в кожата и се нахлузиха в желатиново топче, напоено с FGF и BMP. Благодарение на този коктейл, при 25 животни тъканта създава бластема - не е необходим нерв.

Около седмица по-късно групата инжектира животните с ретиноева киселина. В съгласие с други сигнали, идващи от околната тъкан, той действаше като генератор на модели и седем от аксолотлите поникнаха нови ръце от мястото на раната.

Рецептата далеч не е усъвършенствана: Някои саламандри отглеждат една нова ръка, други растат две, а други растат три, всички от едно и също място на раната. McCusker подозира, че желатиновото топче е пречило на клетките, които контролират модела на крайника. Ключовите действия, причинени от първоначалното нараняване и ранен епител, също остават загадъчни.

„Интересно е, че можете да преодолеете някои от тези блокове с относително малко растежни фактори“, коментира Рандал Вос, биолог от университета в Кентъки в Лексингтън. „Все още не знаем напълно какво се случва в първите моменти.“

Имало едно време

Ако знаехме тези ранни стъпки, хората биха могли да създадат регенерационната симфония. Хората вече притежават много от клетъчните инструменти, способни да свирят нотите. „Използваме по същество едни и същи гени по различни начини“, казва Кен Пос, биолог по регенерация от Медицинския център на университета „Дюк“ в Дърам, който описа нов напредък в регенерацията, благодарение на генетичните инструменти, през 2017 г. Годишен преглед на генетиката.

Регенерацията може да е била способност, която загубихме, а не нещо, което са спечелили саламандри. Още в нашето еволюционно минало, общите предци на хората и саламандрите биха могли да бъдат регенератори, тъй като поне един далечен роднина на съвременните саламандри може да го направи. Палеонтолозите са открили вкаменелости на 300-милионни земноводни с деформации на крайниците, типично създадени от несъвършена регенерация. Други членове на животинското царство, като някои червеи, риби и морски звезди, също могат да се регенерират - но не е ясно дали използват една и съща партитура за симфония, казва Уайт.

Някъде в техните геноми „всички животни имат способността“, казва Джеймс Монагън, биолог по регенерация от Североизточния университет в Бостън. В крайна сметка, посочва той, всички животни растат части от тялото като ембриони. И всъщност хората не са напълно неумели в регенерацията. Можем да възстановим върховете на пръстите, мускулите, чернодробната тъкан и до известна степен кожата.

Но за по-големи структури като крайници, нашата музика за регенерация се разпада. Човешките тела отнемат дни, за да образуват кожа при нараняване и без решаващия епител на раната, надеждите ни за регенерация се развалят, преди дори да започне. Вместо това, ние краста и белег.

„В бъдеще е доста далеч, че ще можем да израстваме цял крайник“, казва МакКускър. „Надявам се да греша, но това е моето усещане.“

Тя смята, че други медицински приложения обаче могат да дойдат много по-рано - като начини за подпомагане на жертвите на изгаряне. Когато хирурзите извършват кожни присадки, те често пренасят горните слоеве на кожата или използват отгледана в лаборатория кожна тъкан. Но често е несъвършен заместител на загубеното.

Това е така, защото кожата варира в цялото тяло; просто сравнете кожата на дланта си с кожата на прасеца или подмишницата. Тъканите, които помагат на кожата да съответства на нейното положение на тялото, придавайки й характеристики като потни жлези и коса, както е подходящо, лежат по-дълбоко от много присадки. Тогава заместващата кожа може да не е точно като старата кожа. Но ако учените могат да създадат кожа с по-добра позиционна информация, те биха могли да направят прехвърлената кожа по-подходяща за новото й местоположение.

Монаган от своя страна мисли за регенериране на ретините за хора, които имат макулна дегенерация или травма на очите. Аксолотлите могат да регенерират ретините си (макар че, изненадващо, способността им да регенерират лещата е ограничена до люпилни). Той работи с химическия инженер от Североизточния университет Ребека Кариер, която разработва материали за използване при трансплантации. Нейните сътрудници тестват трансплантации при свине и хора, но откриват, че повечето трансплантирани клетки умират. Може би някои допълнителни материали биха могли да създадат среда за регенерация и може би аксолотите могат да предложат някои съставки.

Carrier и Monaghan експериментират с трансплантираните свински клетки в лабораторни ястия и установяват, че е по-вероятно да оцелеят и да се развият в клетки на ретината, ако се отглеждат заедно с аксолот ретина. Изглежда, че специалната съставка представлява отделен набор от химикали, които съществуват върху аксолотла, но не и свински ретини. Carrier се надява да използва тази информация, за да създаде химически коктейл, който да помогне на трансплантациите да успеят. Дори частичното възстановяване на зрението би било от полза, отбелязва Монаган.

Благодарение на генетичното секвениране и съвременната молекулярна биология, изследователите могат да продължат да разкриват многото останали мистерии на регенерацията: Как епителът на раната създава среда, насърчаваща регенерацията? Какво определя кои клетки мигрират в бластема и кои остават? Как саламандрата успява да отгледа нов крайник с точно точния размер, нито по-голям, нито по-малък? Тези и много други тайни остават скрити зад усмивката на Мона Лиза - поне засега.

Тази статия първоначално се появи в Списание Knowable, независимо журналистическо начинание от Годишни рецензии. 10.1146/knowable-012920-1