Regeneracja utraconych narządów u zwierząt to tajemnica, która niepokoi naukowców od czasów starożytnych. Do niedawna uważano, że tylko najniższe gatunki żywych stworzeń są obdarzone tą wspaniałą właściwością: jaszczurka wyrasta z odciętego ogona, niektóre robaki można pokroić na małe kawałki, a każdy wyrósł na całego robaka - przykładów jest wiele.
Ale w końcu ewolucja świata żywego przeszła od organizmów niższych do coraz bardziej zorganizowanych, więc dlaczego ta właściwość zniknęła na pewnym etapie? Czy to się zgubiło?
Hydra z Lernaean, Meduza Gorgona czy nasz trójgłowy Wąż Gorynych, których „samoleczące się” głowy zostały niestrudzenie odcięte przez Iwana Carewicza, są postaciami mitycznymi, ale są wyraźnie „pokrewieństwo” z bardzo realnymi stworzeniami.
Należą do nich na przykład traszki - gatunek płazów ogoniastych, które słusznie uważane są za jedno z najstarszych zwierząt na Ziemi. Ich niesamowitą cechą jest zdolność do regeneracji - odrastania uszkodzonych lub utraconych ogonów, łap, szczęk.
Ponadto odbudowuje się uszkodzone serce, tkanki oczu i rdzeń kręgowy. Z tego powodu są niezbędne do badań laboratoryjnych, a traszki wysyłane są w kosmos nie rzadziej niż psy i małpy. Wiele innych stworzeń ma te same właściwości.
Tak więc czarno-biały danio pręgowany o długości zaledwie 2-3 cm ma tendencję do regeneracji części płetw, oczu, a nawet odbudowy komórek własnego serca, wyciętych przez chirurgów podczas eksperymentów nad regeneracją. To samo można powiedzieć o innych gatunkach ryb.
Klasycznymi przykładami regeneracji są jaszczurki i kijanki odbudowujące utracony ogon; raki i kraby z zagubionymi pazurami; ślimaki zdolne do wyhodowania nowych „rogów” z oczami; salamandry, które w naturalny sposób zastępują amputowaną łapę; gwiazdy morskie regenerujące swoje zerwane promienie.
Film promocyjny:
Nawiasem mówiąc, nowe zwierzę może rozwinąć się z oderwanego promienia, jak cięcie. Ale mistrzem regeneracji była płazińczyk lub planaria. Jeśli przetniesz go na pół, brakująca głowa rośnie na jednej połowie ciała, a ogon na drugiej, to znaczy powstają dwie całkowicie niezależne żywe osobniki.
I możliwe jest pojawienie się zupełnie niezwykłej, dwugłowej i dwustronnej planarii. Stanie się tak, jeśli podłużne nacięcia zostaną wykonane na przednim i tylnym końcu i nie pozwolą im rosnąć razem. Nawet 1/280 części ciała tego robaka stworzy nowe zwierzę!
Przez długi czas ludzie obserwowali naszych mniejszych braci i, szczerze mówiąc, potajemnie zazdrościli. Naukowcy przeszli od bezowocnych obserwacji do analizy i próbowali ujawnić prawa tego „samoleczenia” i „samoleczenia” zwierząt.
Pierwszą próbą wyjaśnienia naukowego tego zjawiska był francuski przyrodnik Rene Antoine Reaumur. To on wprowadził do nauki termin „regeneracja” - odtworzenie utraconej części ciała wraz z jego strukturą (od łac. Ge - „znowu” i generatio - „wyłonienie”) - i przeprowadził szereg eksperymentów. Jego praca na temat regeneracji nóg w raku została opublikowana w 1712 roku. Niestety, koledzy nie zwrócili na nią uwagi, a Reaumur porzucił te studia.
Zaledwie 28 lat później szwajcarski przyrodnik Abraham Tremblay kontynuował swoje eksperymenty nad regeneracją. Stworzenie, na którym eksperymentował, nie miało wtedy nawet imienia. Co więcej, naukowcy nie wiedzieli jeszcze, czy jest to zwierzę, czy roślina. Wydrążona łodyga z mackami, z tylnym końcem przyczepionym do szyby akwarium lub do roślin wodnych, okazała się drapieżnikiem, a także całkiem niesamowitym.
W eksperymentach badacza poszczególne fragmenty ciała małego drapieżnika zamieniały się w samodzielne osobniki - zjawisko znane dotąd tylko w świecie roślin. A zwierzę nadal zadziwiało przyrodnika: w miejscu podłużnych nacięć na przednim końcu cielęcia, wykonanych przez naukowca, wyrosły nowe macki, zamieniając się w „wielogłowego potwora”, miniaturową mityczną hydrę, z którą walczył według starożytnych Greków Herkules.
Nic dziwnego, że zwierzę laboratoryjne otrzymało to samo imię. Ale badana hydra miała jeszcze wspanialsze cechy niż jej imiennik z Lernaean. Urosła do nawet 1/200 jej jednocentymetrowego ciała!
Rzeczywistość przerosła bajki! Ale fakty znane dziś każdemu uczniowi, opublikowane w 1743 r. W „Proceedings of the Royal Society of London”, wydawały się niewiarygodne dla świata nauki. A potem Tremblay poparł tym razem autorytatywnego już Reaumura, potwierdzając rzetelność jego badań.
„Skandaliczny” temat od razu przyciągnął uwagę wielu naukowców. Wkrótce lista zwierząt z możliwością regeneracji okazała się imponująca. To prawda, przez długi czas uważano, że tylko najniższe organizmy żywe mają mechanizm samoodnawiania. Naukowcy odkryli następnie, że ptaki mogą wyhodować dzioby, podczas gdy młode myszy i szczury mogą wyhodować ogony.
Nawet ssaki i ludzie mają tkanki o dużym potencjale w tym obszarze - wiele zwierząt regularnie zmienia futro, odnawia się łuski ludzkiego naskórka, rosną ścięte włosy i ogolona broda.
Człowiek to istota nie tylko niezwykle dociekliwa, ale i żarliwie chętna do wykorzystania wszelkiej wiedzy dla własnego dobra. Dlatego jest całkiem zrozumiałe, że na pewnym etapie badania tajemnic odrodzenia powstało pytanie: dlaczego tak się dzieje i czy można sztucznie wywołać regenerację? I dlaczego wyższe ssaki prawie straciły tę zdolność?
Po pierwsze, eksperci zauważyli, że regeneracja jest ściśle związana z wiekiem zwierzęcia. Im młodsza, tym łatwiej i szybciej naprawia się uszkodzenie. U kijanki brakujący ogon z łatwością odrasta, ale utrata nogi starej żaby powoduje, że jest on niesprawny.
Naukowcy zbadali różnice fizjologiczne, a metoda stosowana przez płazy do „samonaprawy” stała się jasna: okazało się, że we wczesnych stadiach rozwoju komórki przyszłego stworzenia są niedojrzałe i kierunek ich rozwoju może się zmienić. Na przykład eksperymenty na zarodkach żab pokazały, że kiedy zarodek ma tylko kilkaset komórek, można wyciąć z niego fragment tkanki, który ma stać się skórą i umieścić w obszarze mózgu. A ta tkanka … stanie się częścią mózgu!
Jeśli taka operacja zostanie wykonana na bardziej dojrzałym zarodku, skóra nadal będzie się rozwijać z komórek skóry - w samym środku mózgu. Dlatego naukowcy doszli do wniosku, że los tych komórek jest już z góry określony. A jeśli dla komórek większości organizmów wyższych nie ma odwrotu, to komórki płazów są w stanie cofnąć czas i powrócić do momentu, w którym ich przeznaczenie może się zmienić.
Czym jest ta niesamowita substancja, która pozwala płazom na „samonaprawę”? Naukowcy odkryli, że jeśli traszka lub salamandra stracą łapy, to w uszkodzonym obszarze ciała komórki kości, skóry i krwi tracą swoje charakterystyczne cechy.
Wszystkie wtórnie „nowonarodzone” komórki, zwane blastemą, zaczynają się intensywnie dzielić. I zgodnie z potrzebami organizmu stają się komórkami kości, skóry, krwi … by w końcu stać się nową łapą. A jeśli w momencie „samonaprawy” połączysz kwas tretynowy (kwas witaminy A), to pobudza to zdolności regeneracyjne żab do tego stopnia, że wyrastają im trzy nogi zamiast jednej straconej.
Przez długi czas nie było tajemnicą, dlaczego program regeneracji był tłumiony u zwierząt stałocieplnych. Może być kilka wyjaśnień. Pierwsza sprowadza się do tego, że osoby stałocieplne mają nieco inne priorytety przetrwania niż osoby zimnokrwiste. Blizny stały się ważniejsze niż całkowita regeneracja, ponieważ zmniejszyły ryzyko śmiertelnego krwawienia w przypadku zranienia i wprowadzenia śmiertelnej infekcji.
Ale może istnieć inne wyjaśnienie, znacznie ciemniejsze - rak, to znaczy szybki powrót do zdrowia rozległego obszaru uszkodzonej tkanki oznacza pojawienie się tych samych szybko dzielących się komórek w określonym miejscu. To właśnie obserwuje się podczas wystąpienia i wzrostu złośliwego guza. Dlatego naukowcy uważają, że szybkie niszczenie dzielących się komórek stało się niezbędne dla organizmu, a zatem możliwości szybkiej regeneracji zostały stłumione.
Doktor nauk biologicznych Petr Garyaev, akademik Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych i Technicznych, mówi: „To (regeneracja) nie zniknęło, tylko wyższe zwierzęta, w tym ludzie, okazały się bardziej chronione przed wpływami zewnętrznymi i całkowita regeneracja nie była tak potrzebna”.
Do pewnego stopnia przetrwał: rany i skaleczenia są zagojone, złuszczona skóra jest odbudowana, włosy rosną, wątroba częściowo się regeneruje. Ale odcięta ręka już nie rośnie, tak jak narządy wewnętrzne nie rosną zamiast tych, które przestały funkcjonować. Natura po prostu zapomniała, jak to zrobić. Może powinniśmy jej o tym przypomnieć.
Jak zawsze pomogła Jego Wysokość Szansa. Immunolog Helene Heber-Katz z Filadelfii powierzyła kiedyś swojemu asystentowi laboratoryjnemu zwykłe zadanie: przekłuwanie uszu myszy laboratoryjnych w celu ich oznakowania. Kilka tygodni później Heber-Katz przyszedł do myszy z gotowymi etykietami, ale … nie znalazł dziur w uszach.
Zrobiliśmy to ponownie i otrzymaliśmy ten sam wynik: brak śladu zagojonej rany. Ciało myszy zregenerowało tkankę i chrząstkę, wypełniając niepotrzebne otwory. Herber-Katz wyciągnął z tego jedyny słuszny wniosek: blastema jest obecna w uszkodzonych obszarach uszu - tych samych niespecjalistycznych komórkach jak u płazów.
Ale myszy to ssaki, nie powinny mieć takiej zdolności. Kontynuowano eksperymenty na nieszczęsnych gryzoniach. Naukowcy odcięli myszom kawałki ogonów i… uzyskali 75% regeneracji! To prawda, nikt nawet nie próbował odciąć „pacjentom” łap z oczywistego powodu: bez kauteryzacji mysz po prostu umrze z powodu dużej utraty krwi na długo przed rozpoczęciem regeneracji utraconej kończyny (jeśli w ogóle). A moxibustion wyklucza pojawienie się blastemy. Dlatego nie można było znaleźć pełnej listy zdolności regeneracyjnych myszy. Jednak wiele się już nauczyliśmy.
To prawda, było jedno „ale”. Nie były to zwykłe myszy domowe, ale specjalne zwierzęta z uszkodzonym układem odpornościowym. Pierwszy wniosek z jej eksperymentów Heber-Katz wyciągnął taki wniosek: regeneracja jest nieodłączna tylko u zwierząt ze zniszczonymi komórkami T - komórkami układu odpornościowego.
Oto główny problem: płazy go nie mają. Oznacza to, że wskazówka dotycząca tego zjawiska tkwi w układzie odpornościowym. Drugi wniosek: ssaki mają te same geny niezbędne do regeneracji tkanek co płazy, ale komórki T nie pozwalają tym genom działać.
Trzeci wniosek: organizmy pierwotnie posiadały dwie metody leczenia ran - system odpornościowy i regenerację. Jednak w trakcie ewolucji te dwa systemy stały się ze sobą niekompatybilne - a ssaki wybrały limfocyty T, ponieważ są one ważniejsze, ponieważ stanowią główną broń organizmu przeciwko nowotworom.
Jaki jest pożytek z możliwości odrodzenia utraconej ręki, jeśli jednocześnie komórki rakowe szybko rosną w organizmie? Okazuje się, że układ odpornościowy chroniąc nas przed infekcjami i rakiem jednocześnie hamuje naszą zdolność do „samonaprawy”.
Ale czy naprawdę nie da się niczego wymyślić, bo tak naprawdę zależy Ci nie tylko na odmłodzeniu, ale także na przywróceniu podtrzymujących życie funkcji organizmu? A naukowcy odkryli, jeśli nie panaceum na wszystkie dolegliwości, to jednak możliwość zbliżenia się do natury nie dzięki blastemy, ale komórkom macierzystym. Okazało się, że ludzie mają inną zasadę regeneracji.
Od dawna było wiadomo, że tylko dwa rodzaje naszych komórek mogą się regenerować - komórki krwi i wątroby. Kiedy rozwija się zarodek dowolnego ssaka, niektóre komórki pozostają poza procesem specjalizacji.
To są komórki macierzyste. Mają zdolność uzupełniania krwi lub obumierających komórek wątroby. Szpik kostny zawiera również komórki macierzyste, które mogą przekształcić się w mięśnie, tłuszcz, kość lub chrząstkę, w zależności od tego, jakie składniki odżywcze są im podawane w laboratorium.
Teraz naukowcy musieli przetestować empirycznie, czy istnieje szansa na „uruchomienie” „instrukcji” zapisanej w DNA każdej z naszych komórek w celu wyhodowania nowych narządów. Eksperci byli przekonani, że wystarczy zmusić organizm do „włączenia” jego zdolności, a wtedy proces sam się zatroszczy. To prawda, że zdolność do wzrostu kończyn natychmiast napotyka tymczasowy problem.
To, z czym z łatwością radzi sobie małe ciało, jest poza zasięgiem osoby dorosłej: objętości i rozmiary są znacznie większe. Nie możemy robić tego, co robią traszki: uformować bardzo małą kończynę, a następnie ją wyhodować. W tym celu płazy potrzebują tylko kilku miesięcy, aby osoba wyrosła z nowej nogi do normalnego rozmiaru, zgodnie z obliczeniami angielskiego naukowca Jeremy'ego Broxa zajmuje to co najmniej 18 lat …
Ale naukowcy znaleźli dużo pracy dla komórek macierzystych. Najpierw jednak musisz powiedzieć, w jaki sposób i skąd są pozyskiwane. Naukowcy wiedzą, że najwięcej komórek macierzystych znajduje się w szpiku kostnym miednicy, ale u każdego dorosłego człowieka utraciły one już swoje pierwotne właściwości. Najbardziej obiecujący jest zasób komórek macierzystych uzyskanych z krwi pępowinowej.
Ale po porodzie naukowcy mogą pobrać tylko od 50 do 120 ml takiej krwi. Z każdego 1 ml uwalnia się 1 milion komórek, ale tylko 1% z nich to komórki progenitorowe. Ta osobista rezerwa rezerwy regeneracyjnej organizmu jest niezwykle mała, a zatem nieoceniona. Dlatego komórki macierzyste pozyskuje się z mózgu (lub innych tkanek) embrionów - materiału aborcyjnego, bez względu na to, jak smutno jest o tym mówić.
Można je wyizolować, umieścić w hodowli tkankowej, gdzie rozpocznie się rozmnażanie. Komórki te mogą żyć w hodowli przez ponad rok i można je stosować u każdego pacjenta. Komórki macierzyste można izolować z krwi pępowinowej i mózgu dorosłych (np. Podczas neurochirurgii).
I można go wyizolować z mózgu niedawno zmarłego, ponieważ komórki te są odporne (w porównaniu z innymi komórkami tkanki nerwowej), są zachowane, gdy neurony już zdegenerowały się. Komórki macierzyste pobrane z innych narządów, takich jak nosogardziel, nie mają tak wszechstronnego zastosowania.
Nie trzeba dodawać, że ten kierunek jest fantastycznie obiecujący, ale nie został jeszcze w pełni zbadany. W medycynie konieczne jest siedmiokrotne pomiary, a następnie ponowne sprawdzanie przez dziesięć lat, aby upewnić się, że panaceum nie pociąga za sobą żadnych problemów, na przykład zmiany odporności. Onkolodzy też nie powiedzieli swojego ważkiego „tak”. Niemniej jednak są już sukcesy, jednak tylko na poziomie rozwoju laboratoryjnego, eksperymentów na wyższych zwierzętach.
Weźmy na przykład stomatologię. Japońscy naukowcy opracowali system leczenia oparty na genach odpowiedzialnych za wzrost fibroblastów - samych tkanek, które rosną wokół zębów i je utrzymują. Przetestowali swoją metodę na psie, u którego wcześniej wystąpiła ciężka choroba przyzębia.
Kiedy wypadły wszystkie zęby, dotknięte obszary potraktowano substancją zawierającą te same geny i agar-agar - kwasową mieszanką, która zapewnia pożywkę odżywczą do proliferacji komórek. Sześć tygodni później psu wybuchły kły.
Ten sam efekt zaobserwowano u małpy z zębami przyciętymi u podstawy. Zdaniem naukowców ich metoda jest znacznie tańsza niż protetyka i po raz pierwszy pozwala ogromnej liczbie osób dosłownie oddać zęby. Zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że po 40 latach 80% światowej populacji jest podatnych na choroby przyzębia.
W innej serii eksperymentów komorę zęba wypełniono trocinami zębinowymi (pełniącymi rolę induktora) z tkanką łączną dziąsła (amfodontem) jako materiałem reaktywnym. Amfodont również zamienił się w zębinę. Brytyjscy dentyści mają w najbliższej przyszłości nadzieję przejść od udanych eksperymentów na myszach do dalszych badań laboratoryjnych. Według ostrożnych szacunków „implanty trzpieniowe” będą kosztować tyle samo, co konwencjonalna protetyka w Anglii - od 1500 do 2000 funtów.
Badania wykazały, że osoby z niewydolnością nerek muszą przywrócić do życia tylko 10% komórek nerkowych, aby przestać polegać na maszynie do dializy.
A badania w tym kierunku trwają od wielu lat. Jakie to ważne - nie szyć, ale odrodzić się, nie siadać na tabletkach, ale przywrócić zdrową funkcję dzięki ukrytym możliwościom organizmu.
W szczególności odkryto sposób na wzrost nowych komórek beta w trzustce, które wytwarzają insulinę, co obiecuje milionom diabetyków pozbyć się codziennych zastrzyków. A eksperymenty nad możliwością wykorzystania komórek macierzystych w walce z cukrzycą są już w fazie końcowej.
Trwają również prace nad utworzeniem funduszy obejmujących rewitalizację. Ontogeny opracował czynnik wzrostu o nazwie OP1, który wkrótce będzie dostępny w sprzedaży w Europie, Stanach Zjednoczonych i Australii. Stymuluje wzrost nowej tkanki kostnej. OP1 pomoże w leczeniu złożonych złamań, w których dwa fragmenty złamanej kości są zbyt daleko od siebie wyrównane i dlatego nie mogą się goić.
Często w takich przypadkach kończyna jest amputowana. Ale OP1 stymuluje tkankę kostną tak, że zaczyna ona rosnąć i wypełnia lukę między częściami złamanej kości. W Rosyjskim Instytucie Traumatologii i Ortopedii naukowcy pozyskują komórki macierzyste ze szpiku kostnego. Po 4-6 tygodniach rozmnażania w hodowli przeszczepiane są do stawu, gdzie odbudowują powierzchnie chrzęstne.
Kilka lat temu grupa brytyjskich genetyków wydała sensacyjne oświadczenie: rozpoczynają prace nad sklonowaniem serca. Jeśli eksperyment się powiedzie, przeszczepy tkanek nie będą potrzebne. Jest jednak mało prawdopodobne, aby genetyka fal ograniczyła się do regeneracji tylko narządów wewnętrznych, a naukowcy mają nadzieję, że nauczą się „hodować” kończyny dla pacjentów.
W dziedzinie ginekologii komórki macierzyste również są bardzo obiecujące. Niestety, wiele młodych kobiet jest dziś skazanych na bezpłodność: ich jajniki przestały wytwarzać komórki jajowe.
Często oznacza to, że pula komórek, z których powstają pęcherzyki, została wyczerpana. Dlatego konieczne jest poszukiwanie mechanizmów, które je uzupełniają. Niedawno pojawiły się pierwsze zachęcające wyniki w tej dziedzinie.
Naukowcy już teraz obserwują, jak można uratować osoby, u których zdiagnozowano marskość wątroby. Uważają, że na niektórych etapach rozwoju choroby przeszczep całego narządu można zastąpić wprowadzeniem samych komórek macierzystych (przez łożysko tętnicze, bezpośrednie nakłucia, bezpośredni przeszczep komórek do tkanki wątroby). Specjaliści z Centrum Chirurgii Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych rozpoczęli pilotażowe badanie, a pierwsze wyniki są zachęcające.
Ukraińscy naukowcy dokonują bardzo interesujących wstępnych osiągnięć w dziedzinie chorób sercowo-naczyniowych. Już dziś zgromadzili eksperymentalne dowody na to, że wprowadzenie komórek macierzystych u pacjentów z zawałem mięśnia sercowego lub ciężkim niedokrwieniem jest obiecującą metodą leczenia.
Pierwsze eksperymenty kliniczne z transplantacją komórek macierzystych, które rozpoczęto na Uniwersytecie w Pittsburghu w Stanach Zjednoczonych, również przyniosły dobre wyniki u pacjentów w stanie krytycznym, którzy przeszli udar niedokrwienny lub krwotoczny. Po terapii komórkowej wyraźnie widać w nich rehabilitację neurologiczną.
Niestety, przerażające statystyki dotyczące liczby dzieci z wewnątrzmacicznym uszkodzeniem mózgu, w tym porażeniem mózgowym, są bardzo dobrze znane. Udowodniono już, że jeśli takie dzieci rozpoczynają przeszczep komórek macierzystych (lub terapię mającą na celu ich stymulację, czyli lokalizację własnych, endogennych komórek w dotkniętym obszarze), to po pierwszym roku życia często obserwuje się, że nawet przy zachowaniu anatomicznych wad mózgu dzieci mają minimalne objawy neurologiczne.
Skutecznie opracowane technologie przeszczepu komórek macierzystych mogą całkowicie zmienić nasze życie. Ale to jest przyszłość, a dziś ta dziedzina wiedzy nie ma nawet własnej nazwy, tylko opcje: „terapia komórkowa”, „przeszczep komórek macierzystych”, „medycyna regeneracyjna”, a nawet „inżynieria tkankowa” i „inżynieria narządów”.
Ale już można wymienić wszystkie możliwości tego nowego kierunku. Nie bez powodu mówią, że XXI wiek będzie naznaczony biologią i być może doświadczenie regeneracji, zachowane przez miliony lat przez płazy i pierwotniaki, pomoże ludzkości.