Спонтанні травми, такі як втрата кінцівки або пошкодження спинного мозку, не піддаються лікуванню у людей. Однак, деякі тварини мають виняткову здатність до регенерації після травми, відповідь, яка вимагає точної послідовності клітинних подій. Тепер нове дослідження Інституту медичних досліджень Стоуерса розкрило критичний часовий фактор — зокрема, як довго клітини активно реагують на травму, що бере участь у регуляції регенерації.
Нещодавнє дослідження, опубліковане в iScience, було спрямоване на те, щоб зрозуміти, як саме організм дізнається, скільки тканини було втрачено після травми. Під керівництвом колишнього наукового співробітника-докторанта Аугусто Ортегі Гранілло, в лабораторії президента та головного наукового співробітника Стоуерса Алехандро Санчеса Альварадо, група досліджувала, як африканські кіліфіши правильно відновлюють свій хвостовий плавець після пошкодження. Аналізуючи динаміку тканин під час відновлення, вони виявили, що на додаток до відомих факторів, включаючи кількість клітин, що беруть участь, і їх розташування, також ключовим є тривалість часу, який клітини витрачають на процес відновлення.
"Однією з найбільших нерозгаданих таємниць регенерації є те, як організм дізнається, що було втрачено після травми", — сказав Санчес Альварадо. «По суті дослідження вказує на нову змінну в рівнянні регенерації. Якщо ми зможемо модулювати швидкість і тривалість часу, протягом якого тканина може запустити регенеративну відповідь, це допоможе нам розробити методи лікування, які можуть активувати та, можливо, продовжити регенеративну відповідь тканин, які зазвичай цього не роблять».
Незабаром після травми хвоста кіліфіша тканина, що залишилася, повинна знати, наскільки сильне сталося пошкодження. Потім ця тканина має залучити потрібну кількість клітин відновлення до місця ушкодження на потрібну кількість часу. Відчуття пошкодження, набір клітин відновлення та час якимось чином повинні працювати разом, щоб відновити хвіст.
"Якщо тварина, здатна регенерувати кінцівки, наприклад хвіст, втрачає лише крихітну частину, як вона дізнається, що не потрібно регенерувати цілий новий хвіст, а лише частину, що бракує?" — сказав Санчес Альварадо. Щоб відповісти на це питання, команда досліджувала різні місця ушкодження у хвостовому плавці кіліфіша.
Вони виявили, що клітини шкіри як поблизу травми, так і у віддалених, неушкоджених областях запускають генетичну програму, яка готує всю тварину до реакції відновлення. Потім клітини шкіри в місці травми підтримують цю реакцію і тимчасово змінюють свій стан, щоб змінити навколишній матеріал, який називається позаклітинним матриксом. Ортега Гранілло порівнює цей матрикс із губкою, яка поглинає секретовані сигнали з пошкодженої тканини, які потім направляють клітини відновлення до роботи. Якщо сигнали не отримані або неправильно інтерпретовані, процес регенерації може відновити початкову форму і розмір хвоста.
«Ми дуже чітко визначили, коли й де – через 24 години після травми та у позаклітинному матриксі – транзиторний стан клітин діє у тканині плавця», – сказав Ортега Гранілло. "Знання того, коли й де шукати, дозволило нам вносити генетичні зміни та краще розуміти функцію цих станів клітин під час регенерації".
Щоб дослідити, чи ці різні клітинні стани передають інформацію позаклітинному матриксу — підтримувальній структурі навколишніх клітин — під час процесу відновлення, дослідники використовували метод редагування генів CRISPR-Cas9. Вони спеціально націлилися на ген, відомий своєю здатністю змінювати позаклітинний матрикс, оскільки спостерігали його активацію на початку реакції регенерації. Змінюючи функцію цього гена, команда прагнула визначити його роль передачі інформації від клітин до матриксу під час регенерації.
"Ці модифіковані тварини більше не знали, скільки тканини було втрачено", — сказав Ортега Гранілло. «Вони все ще регенерували, але швидкість зростання тканин була недостатньою. Це говорить нам про те, що, змінюючи позаклітинний простір, клітини шкіри повідомляють тканині, скільки було втрачено і як швидко вона має рости».
Справді, швидкість і кількість тканини, регенерованої у цих генетично модифікованих кіліфішах, збільшилися незалежно від того, чи легка, чи важка травма хвоста. Це відкриття відкриває можливість того, що стан клітин, які змінюють матрикс, збільшують регенеративний ріст. Якби стани клітин можна було б скоригувати, це могло стати способом стимулювати більш надійну реакцію регенерації.
З еволюційного погляду, розуміння того, чому деякі організми процвітають у регенерації, в той час, як інші, такі як люди, мають обмежені регенеративні здібності, є рушійною силою в галузі регенеративної біології. Виявляючи загальні принципи в організмах з високою регенеративною здатністю, дослідники прагнуть потенційно застосувати ці ідеї для покращення регенерації у людей. Цей порівняльний підхід як проливає світло на еволюційні аспекти регенерації, так і дає перспективи розробки нових терапевтичних стратегій в регенеративній медицині.
"Наша мета — зрозуміти, як формувати та вирощувати тканини", — сказав Ортега Гранілло. "Для людей, які отримали травми або в яких відмовили органи, регенеративна терапія може відновити функцію, яка була порушена під час хвороби або після травми".
