Regeneracja: czym jest i jak przebiega?
Niektóre części naszego ciała mogą same skutecznie naprawić się po uszkodzeniu, ale inne nie mają takiej zdolności. Nasza noga czy ręka nie może odrosnąć, jednak niektóre zwierzęta MOGĄ odtworzyć – zregenerować - całe części ciała. Czego możemy się dowiedzieć o regeneracji zwierząt?
Salamandry, wypławki i inne gatunki odtwarzają uszkodzone lub brakujące części ciała. To jest regeneracja.
Niektóre ludzkie organy, np. wątroba i skóra, również regenerują się po uszkodzeniu.
Regeneracja może się odbywać na wiele różnych sposobów, z wykorzystaniem pluripotencjalnych lub tkankowo specyficznych komórek macierzystych. Niektóre rodzaje regeneracji są możliwe bez jakichkolwiek komórek macierzystych (np. regeneracja serca u rybek danio).
Badanie regeneracji u innych gatunków pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób ciało ludzkie samo się naprawia i leczy. Być może pozwoli to naukowcom opracować leki regeneracyjne wspomagające pełne uleczenie ludzkiego organizmu.
Naukowcy badają wiele aspektów regeneracji, począwszy od sygnałów zapoczątkowujących procesy regeneracyjne aż do przyczyn, dla których komórki macierzyste człowieka nie regenerują w ten sam sposób, co komórki salamandry.
Wielu naukowców jest szczególnie zainteresowanych czynnikami, które są odpowiedzialne za tworzenie blastemy, zlepka komórek macierzystych, w miejscu uszkodzenia tkanki.
Badania na zwierzętach, takich jak salamandry, mają na celu ustalenie, w jaki sposób komórki macierzyste „wiedzą”, która część naszego ciała wymaga regeneracji, oraz gdzie się one znajduje na „mapie” ciała – to są dwie rzeczy, do których nie są zdolne komórki macierzyste ssaków.
Naukowcy zainteresowani są również tym, jakie sygnały “włączają” komórki macierzyste, kiedy zachodzi potrzeba regeneracji, a jakie sprawiają, że są one “wyłączane”, kiedy nie są potrzebne.
Regeneracja oznacza odtworzenie zniszczonej lub brakującej części narządu z pozostałej tkanki. U dorosłych ludzi niektóre narządy, takie jak wątroba, mogą się zregenerować. Jeśli część wątroby zostanie utracona w wyniku choroby lub uszkodzenia, narząd ten powraca do początkowych rozmiarów, ale nie do wyjściowego kształtu. Także nasza skóra jest ciągle odnawiana i naprawiana. Niestety wiele innych ludzkich tkanek nie regeneruje się. Celem medycyny regeneracyjnej jest znalezienie sposobu do zapoczątkowania procesu regeneracji tkanki w ciele lub stworzenie zamiennych tkanek.
Istnieje wiele zwierząt, które po uszkodzeniu lub amputacji potrafią w pełni zregenerować części ciała z zachowaniem ich funkcjonalności. Bezkręgowce (zwierzęta bez rdzenia kręgowego) takie jak płazińce, np. wypławki, potrafią zregenerować całe ciało zarówno z przedniej, jak i tylnej jego części. Wśród kręgowców (zwierząt z rdzeniem kręgowym) ryby są zdolne do regeneracji fragmentów mózgu, oka, nerki, serca, a także płetw. Żaby potrafią zregenerować kończyny, ogon, mózg oraz tkanki oka jako kijanki, ale nie jako osobniki dorosłe. Z kolei salamandry zachowują zdolność do regeneracji kończyn, serca, ogona, tkanek oka, nerki, mózgu i rdzenia kręgowego przez całe życie.
W jaki sposób te zwierzęta odbudowują tak złożone struktury? Po amputacji komórki macierzyste gromadzą się w miejscu uszkodzenia, tworząc strukturę zwaną blastemą. Celem prowadzonych obecnie badań naukowych jest zrozumienie, jak sygnały z uszkodzonej tkanki indukują formowanie się blastemy i podziały komórek w celu odbudowania brakującej części. I co z komórkami macierzystymi? Czy w blastemie obecne są komórki, które potrafią różnicować się w wiele rodzajów tkanek (zwane komórkami multipotencjalnymi) lub kilka rodzajów komórek macierzystych odpowiedzialnych za tworzenie poszczególnych tkanek niezbędnych do odbudowy części ciała.
Obecne badania na różnych zwierzętach posiadających zdolność do regeneracji wykazały, że istnieją różne sposoby regeneracji części ciała zbudowanej z różnych tkanek takich, jak mięśnie, nerwy i skóra. Jeśli poznamy podstawowe mechanizmy i substancje zaangażowane w proces regeneracji u dorosłych zwierząt, czy ta wiedza może zostać zastosowana do regeneracji i tworzenia ludzkich tkanek?
Naukowcy z grupy badawczej kierowanej przez Petera Reddiena (USA) odpowiedzieli niedawno na nurtujące pytanie dotyczące regeneracji wypławka (płazińce) – czy pojedyncza komórka macierzysta może zregenerować cały organizm? Odpowiedź brzmi tak. To pokazuje, że dorosły wypławek posiada pluripotencjalne komórki macierzyste – komórki, które mogą utworzyć WSZYSTKIE typy komórek w ciele zwierzęcia. Zagadnieniem, nad których pracuje obecnie wiele grup badawczych jest zrozumienie, w jaki sposób te pluripotencjalne komórki są kontrolowane w ciele płazińców tak, że nie tworzą one guzów.
Jednakże nie wszystkie zwierzęta używają pluripotencjalnych komórek do regeneracji. Komórki macierzyste, które odpowiadają za regenerację ogona żaby i kończyny salamandry mają zupełnie inne właściwości niż komórki macierzyste wypławka. U tych zwierząt każda tkanka – mięśniowa czy nerwowa – posiada własną pulę komórek macierzystych, które tworzą komórki występujące w tej tkance. Innymi słowy, komórka macierzysta mięśni nie może utworzyć skóry, zaś komórka macierzysta obecna w skórze nie może utworzyć mięśni. Te tkankowo specyficzne komórki macierzyste prawdopodobnie są bardzo podobne do komórek macierzystych występujących w naszych ciałach i odpowiedzialnych za odbudowę skóry czy mięśni. Dlaczego komórki macierzyste są zdolne do regeneracji całej kończyny u salamandry, a w naszym ciele mogą utworzyć tylko określoną tkankę? To jest kolejne pytanie, nad którym obecnie pracują naukowcy.
Oprócz wykorzystania komórek macierzystych regeneracja może przebiegać z udziałem zróżnicowanych komórek, które przestały się dzielić, ale które wznawiają podziały w celu zastąpienia utraconej tkanki. Ostatnio taki proces został zaobserwowany podczas regeneracji serca u rybek danio, gdzie komórki mięśnia sercowego zwane kardiomiocytami, dzielą się, aby uzupełnić ubytek w sercu. Ten regeneracyjny fenomen został również zaobserwowany u nowonarodzonych myszy, ale zanika wraz z dojrzewaniem myszy. Więcej badań jest potrzebnych, aby zrozumieć, w jaki sposób zróżnicowane komórki mogą wznowić podziały i wytworzyć nowe komórki serca oraz dlaczego ten proces nie zachodzi u ludzi.
Poprzez poznawanie właściwości komórek macierzystych zdolnych do regeneracji całych części ciała naukowcy uczą się, w jaki sposób uszkodzenie prowadzi do odbudowy tkanki przez komórki macierzyste zamiast utworzenia blizny. W przyszłości badania te mogą pozwolić na zastosowanie zdobytej wiedzy do opracowania nowych terapii.
Pluripotencjalne komórki macierzyste
Jak podobne są pluripotencjalne komórki macierzyste wypławka do ssaczych zarodkowych komórek macierzystych lub indukowalnych pluripotencjalnych komórek macierzystych? Poprzez badanie wypławków może zdobędziemy wiedzę, jak wykorzystać ludzkie zarodkowe komórki macierzyste do utworzenia części naszego ciała.
Tkankowe komórki macierzyste
Dlaczego tkankowe komórki macierzyste salamandry i żaby, prawdopodobnie podobne do naszych, są zdolne do regeneracji całej kończyny, podczas gdy u nas tworzy się blizna? Obecne badania wskazują, że zdolne do regeneracji zwierzęta posiadają „wewnątrzną mapę” swoich dorosłych tkanek, która wskazuje komórkom, gdzie się znajdują i czym powinny być. Części tej mapy mogły zostać utracone u ssaków lub być może nasze komórki macierzyste straciły zdolność do odczytywania tych wskazówek. Naukowcy mają nadzieję, że odkryją, czego dokładnie brakuje lub co jest zablokowane u ssaków, a także, czy takie informacje mogą zostać przywrócone, by indukować komórki macierzyste do udziału w regeneracji na użytek przyszłych terapii medycznych.
Komórki zróżnicowane
Czy możemy zaindukować dorosłe, zróżnicowane komórki, takie jak komórki serca czy mięśni do wznowienia podziałów, podobnie jak w przypadku rybki danio? Ważne, by dowiedzieć się, dlaczego ssacze komórki serca nie wykazują tej zdolności i czy może zostać ona przywrócona.
Ta broszura została opracowana przez Elly Tanaka.
Tłumaczenie na język polski: Mieszko Wilk.
Zdjęcie wypławka: Peter Reddien. Zdjęcie salamandry w prawym panelu: Orizatriz. Pozostałe zdjęcia salamandry i wszystkie diagramy: Elly Tanaka