Czy ludzie mogliby kiedykolwiek zregenerować kończynę?

Jeśli odetniesz nogę salamandrze, odrasta ona z powrotem. Ludziom jednak nie udaje się ta sztuczka. Powody są dalekie od prostoty i do pewnego stopnia wciąż pozostają tajemnicą.

„Właściwie regenerujemy się naprawdę dobrze; nasz naskórek, na przykład,” David Gardiner, profesor biologii rozwoju i komórki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, powiedział Live Science, odnosząc się do górnej warstwy skóry. „Nasza wyściółka jelit, możemy regenerować kawałki i fragmenty. Ale nie regenerujemy tych bardziej złożonych struktur.”

Gardiner studiował regenerację salamander przez dziesięciolecia, szukając podstawowego mechanizmu supermocy. Regeneracja człowieka, jak powiedział, jest prawdopodobnie wciąż w przyszłości, ale nie jest zbyt odległa – możliwe, że któryś z jego obecnych studentów lub naukowców podoktorskich złamie tę zasadę, a regeneracja kończyn stanie się częścią zestawu narzędzi medycznych.

Tak jest, ponieważ teoretycznie odrastanie ludzkiej kończyny powinno być możliwe. W skórze, na przykład, jeśli cięcia nie są głębokie, nie będzie blizn dzięki procesowi gojenia, który regeneruje komórki skóry. Możliwe jest również zregenerowanie samych czubków palców, jeśli komórki pod paznokciami są nadal nienaruszone. Kości zrastają się, jeśli połączysz ich kawałki, na przykład za pomocą śruby lub gipsu. Ludzkie wątroby również mogą rosnąć, aby wypełnić przestrzeń i odbudować niektóre ze struktur, które zostały uszkodzone.

Rośnie cała kończyna

Ale regeneracja kończyn (w rodzaju tych, które robią salamandry) to coś więcej niż tylko wymiana tkanki. Aby kończyna mogła się zregenerować, potrzebne są kości, mięśnie, naczynia krwionośne i nerwy. Istnieją dorosłe komórki macierzyste, rodzaj niezróżnicowanych komórek, które mogą stać się wyspecjalizowane, które regenerują mięśnie, ale nie wydają się aktywować. „Można zregenerować naczynia krwionośne, a nawet nerwy”, powiedział Gardiner. „Ale całe ramię nie może .”

Stéphane Roy, dyrektor laboratorium regeneracji tkanek u kręgowców na Uniwersytecie w Montrealu, zauważył, że skóra, wątroba i kości nie regenerują się w tym samym sensie, w jakim robią to salamandry.

„Ludzie mogą zastąpić tylko powierzchowną warstwę skóry, (co w rzeczywistości jest ciągłym procesem określanym jako homeostaza)”, powiedział w e-mailu. „Większość kurzu w domu to martwe komórki skóry, które straciliśmy.”

„Wątroba jest również zupełnie inna niż regeneracja kończyn u salamandry”, powiedział Roy. „Regeneracja wątroby jest tak naprawdę kompensacyjną hiperplazją, co oznacza, że to, co zostało, będzie rosło w rozmiarze, aby zrekompensować to, co zostało utracone”. Tak więc tkanka wątroby, która tam jest, powiększy się, ale gdyby cała wątroba została utracona, nie mogłaby się zregenerować.

„To, co zostało utracone, nie odrośnie, a zatem nie można ponownie amputować wątroby, w przeciwieństwie do kończyn u salamandry, które można amputować wiele razy i za każdym razem nowa kończyna się zregeneruje.”

Ludzie mają zdolność do regeneracji

Gardiner jednak powiedział, że ludzie budują całe systemy narządów w łonie matki; z zaledwie kilku informacji genetycznych ludzki embrion rozwija się w kompletną osobę w ciągu dziewięciu miesięcy. Tak więc istnieje ograniczona zdolność do odrastania rzeczy, i to ma sens ewolucyjny – ludzie muszą być w stanie leczyć, powiedział.

Na dodatek, podstawowa maszyneria genetyczna u człowieka i salamandry nie jest tak różna, mimo że nasz ostatni wspólny przodek oddzielił się podczas okresu dewońskiego, około 360 milionów lat temu. „Nie ma specjalnych genów do regeneracji,” powiedział Gardiner. „Są te kroki, przez które przechodzą i przynajmniej jeden z tych kroków nie działa u ludzi.”

Aby odrosła kończyna, komórki muszą wiedzieć, gdzie się znajdują – czy są na samym czubku kończyny przy palcach, czy może w stawie łokciowym? – i muszą zbudować odpowiednie struktury w odpowiedniej kolejności. Salamandry mają pewne geny, które są „wyłączone” u ludzi, powiedział Gardiner. Być może te geny umożliwiają regenerację, albo przynajmniej pomagają kontrolować ten proces. Coś w ewolucyjnej przeszłości człowieka nie pozwalało na ekspresję tych genów w sposób, w jaki robią to salamandry. Nikt nie wie, co to coś było, powiedział.

W 2013 roku, australijski naukowiec, James Godwin, na Uniwersytecie Monash może mieć rozwiązany część tej tajemnicy. Odkrył on, że komórki, zwane makrofagami, wydają się zapobiegać gromadzeniu się tkanki bliznowatej u salamander. Makrofagi występują u innych zwierząt, w tym u ludzi, i są częścią układu odpornościowego. Ich zadaniem jest powstrzymywanie infekcji i wywoływanie stanu zapalnego, który jest sygnałem dla reszty organizmu, że konieczna jest naprawa. Salamandry pozbawione makrofagów nie zdołały zregenerować swoich kończyn, a zamiast tego utworzyły blizny.

Gardiner powiedział, że praca Godwina to krok w kierunku zrozumienia regeneracji kończyn. Zazwyczaj salamandry nie rozwijają tkanki bliznowatej. Kiedy człowiek rozrywa mięsień lub dostaje wystarczająco głębokie cięcie, uszkadzając tkankę łączną, tworzy się tkanka bliznowata. Tkanka bliznowata nie oferuje tej samej funkcjonalności, co tkanka pierwotna.

„Gdybym mógł sprawić, by salamandra wytworzyła bliznę, to byłoby naprawdę coś”, powiedział Gardiner, ponieważ rzuciłoby to światło na mechanizm, który sprawia, że ludzie nie są w stanie odrosnąć kończyny lub organu. Tak więc makrofagi mogą być częścią tej historii, ale nie wszystkim.

Neotonia i regeneracja kończyn

Zdolność do „pozostania młodym” może dodać kolejny wgląd w tajemnicę regeneracji kończyn. Salamandry meksykańskie, zwane aksolotlami lub Ambystoma mexicanum, są neoteniczne, co oznacza, że zachowują młodzieńcze cechy aż do dorosłości. To dlatego aksolotle zachowują skrzela w okresie dojrzewania, podczas gdy inne gatunki salamander tego nie robią.

Ludzie również posiadają neotenię, dlatego dorośli wyglądają bardziej jak nasze dzieci, niż ma to miejsce w przypadku innych naczelnych, i dlatego dojrzewanie trwa dłużej niż w przypadku, powiedzmy, szympansów. Być może istnieje jakiś związek z neotenią i regeneracją. Gardiner zauważa, że młodsi ludzie wydają się lepiej przystosowani do leczenia niż starsi.

W dodatku badacze z Harvard Medical School odkryli, że gen zwany Lin28a, który jest aktywny u niedojrzałych zwierząt (i ludzi), ale wyłącza się wraz z dojrzałością, ma swój udział w umożliwieniu myszom regeneracji tkanki – a przynajmniej odrastania czubków palców u nóg i uszu. Gdy zwierzęta miały więcej niż 5 tygodni, nie były w stanie odrastać tych części, nawet gdy funkcja Lin28a była stymulowana. Lin28a jest częścią zwierzęcego systemu kontroli metabolizmu – kiedy jest stymulowana, może sprawić, że zwierzę wytwarza więcej energii, tak jakby było młodsze.

Ale dokładna natura tego połączenia nie jest jeszcze zrozumiała. Podczas gdy wszystkie salamandry mogą regenerować kończyny, tylko aksolotle są neoteniczne, zauważył Roy.

Salamandry, zwłaszcza aksolotle, mogą rekrutować komórki macierzyste, aby rozpocząć odrastanie kończyn, a rodzaje komórek, które reagują na miejsce rany, również wydają się powiązane z tym, czy kończyny mogą ponownie rosnąć. Gardiner był w stanie skłonić salamandry do odrastania dodatkowych kończyn poprzez stymulację wzrostu komórek nerwowych w miejscu rany.

„To może mieć związek z silną odpowiedzią immunologiczną, lub specyficznym uwalnianiem niektórych czynników wzrostu, lub kombinacją obu. Może to być częściowo kwestia biofizyki: Kończyny salamandry są znacznie mniejsze niż ludzkie, jednak żaby nie potrafią regenerować swoich kończyn, więc może to nie być tylko kwestia rozmiaru” – powiedział Roy.

Ta tajemnica pozostaje jedna – przynajmniej na razie.

Oryginalny artykuł na Live Science.