Regeneracija biologijoje: audinių ir galūnių atsinaujinimas

Regeneracija reiškia, kad organizmas ataugina prarastą dalį, todėl atkuriama pradinė funkcija. Tai vystymosi biologijos terminas.

Skirtingų grupių gebėjimas atsinaujinti skiriasi. Pavyzdžiui, tritonai gali atauginti nutrauktas galūnes, o žinduoliai - ne. Galūnių regeneracija tritonams vyksta dviem pagrindiniais etapais: pirma, suaugusių ląstelių de-diferenciacija į kamieninių ląstelių būseną, panašią į embrioninių ląstelių būseną, ir, antra, šių ląstelių vystymasis į naują audinį daugmaž tokiu pat būdu, kaip jis vystėsi pirmą kartą.

Paprastesni gyvūnai, pavyzdžiui, plokščiosios kirmėlės, gali atsinaujinti, nes suaugusiųjų organizme išlieka kamieninių ląstelių sankaupos. Šios ląstelės gali migruoti į pažeistas kūno dalis, tada dalytis ir diferencijuotis, kad sukurtų trūkstamą audinį.

Kas vyksta regeneracijos metu?

Regeneracijos procesas dažniausiai apima kelis bendrus etapus:

• Žaizdos uždarymas ir uždegiminė atsako fazė – pažeidimo vietoje susiformuoja kraujo krešulys, atvyksta imuninės ląstelės, kurios valo aplinką nuo ląstelių liekanų ir mikroorganizmų.
• De-diferenciacija arba kamieninių ląstelių mobilizacija – kai kuriuose organizmuose suaugusios ląstelės praranda diferenciacijos požymius arba vietinės kamieninės ląstelės aktyvuojamos ir pradeda dalytis.
• Blastemos formavimasis – daugeliui gyvūnų charakteringa laikinų ląstelių masių, vadinamų blastema, susidarymas; iš jos diferencijuojasi nauji audiniai.
• Audinių diferenciacija ir remodeliavimas – ląstelės virsta specializuotais audiniais (raumenimis, nervais, oda ir kt.) ir atstatomas organizmo formos bei funkcijos vientisumas.

Skirtumai tarp regeneracijos tipų

• Epimorfozė – nauji audiniai formuojami iš aktyviai dalijančios blastemos (pvz., tritono galūnės regeneracija).
• Morfalozė – audinių perskirstymas ir reorganizacija be didelio ląstelių proliferacijos (pvz., kai kurių medžių žaizdų gijimas arba kai kurių primityvių gyvūnų atsinaujinimo formos).
• Kompleksiškumas – kai kurie organizmai atstato visą organą ar kūno dalį, kiti – tik dalį arba ribotą struktūrą.

Molekuliniai ir ląsteliniame lygyje svarbūs veiksniai

Regeneraciją reguliuoja daugybė signalinių kelių ir molekulių. Tarp svarbiausių yra:

• Wnt signalizacija – dažnai reikšminga blastemos susidarymui ir ląstelių poliarizacijai.
• FGF (išaugos faktoriai) – skatina ląstelių proliferaciją ir morfogenezę.
• BMP ir TGF-β – dalyvauja kaulų, kremzlių ir jungiamojo audinio diferenciacijoje.
• Notch – reguliuoja ląstelių likimus ir diferenciaciją.
• Imuninės sistemos komponentai – makrofagai ir kitos imuninės ląstelės gali skatinti arba slopinti regeneraciją priklausomai nuo atsako pobūdžio.

Pavyzdžiai gamtoje

• Žinduoliai: dauguma turi ribotą gebėjimą atsinaujinti. Tačiau žinduoliams priklauso kepenų regeneracija (hepatocitai gali proliferuoti ir atkurti kepenų masę), kai kuriems gyvūnams atsinaujina elnių ragai.
• Amfibijos (pvz., tritonai): atkuria išsamus galūnių elementus su kaulais, raumenimis, nervais ir oda.
• Žuvys: daugelis gali atauginti pelekus; kai kurios rūšys, kaip zebrafish, gali atstatyti širdies dalį.
• Plokščiosios kirmėlės: itin efektyviai atsinaujina dėl gausios kamieninių ląstelių rezervo ir gebėjimo atkurti visą organizmą iš mažos audinio dalies.

Ką skiria gijimas nuo regeneracijos?

Gijimas dažnai baigiasi randų susidarymu ir funkcijos praradimu arba apribojimu, o regeneracija – struktūros ir funkcijos atstatymu. Šį skirtumą lemia ląstelių tipai, molekuliniai signalai ir gebėjimas formuoti teisingą padėties (positional) informaciją, reikalingą tinkamai audinių organizacijai.

Veiksniai, lemiantys regeneracijos sėkmę

• Amžius – jaunų individų regeneracinis pajėgumas dažnai didesnis.
• Imuninės sistemos pobūdis – pernelyg intensyvus uždegimas gali trukdyti regeneracijai ir skatinti randėjimą.
• Vaskuliarizacija ir deguonies tiekimas – reikšmingi naujų audinių išgyvenimui.
• Inervacija – nervų augimas ir signalo palaikymas svarbūs sudėtingų struktūrų atsinaujinimui.
• Genetiniai ir epigenetiniai veiksniai – lemia ląstelių gebėjimą de-diferencijuotis ir vėl diferencijuotis.

Klinikinė reikšmė ir perspektyvos

Regeneracijos tyrimai suteikia pagrindą regeneracinei medicinai ir audinių inžinerijai. Tikslai ir taikymas apima:

• stambių audinių ir organų perdarymą naudojant kamienines ląsteles,
• medžiagų ir skatinamųjų signalų derinius, kurie skatintų funkcionalų atsinaujinimą be randų,
• genų terapijas ir mažų molekulių preparatus, kurie aktyvintų regeneracinius kelius žinduoliams,
• biomaterialų bei išaugintų audinių implantuoti sprendimus.

Nors pažanga didelė, pagrindiniai iššūkiai išlieka: suprasti ir kontroliuoti uždegiminį atsaką, užtikrinti saugią ląstelių diferenciaciją bei sugebėti atkurti sudėtingą organų architektūrą ir funkciją žmogui.

Santrauka

Regeneracija – tai sudėtingas procesas, kuriame dalyvauja ląstelių perprogramavimas, proliferacija ir tikslinga diferenciacija. Gebėjimas atsinaujinti labai skiriasi tarp organizmų: nuo pilno organų atstatymo kai kuriuose bestuburiuose ir amfibijose iki riboto regeneracinio potencialo daugumos žinduolių. Supratimas, kaip šie mechanizmai veikia, yra kertinis žingsnis plėtojant naujas medicinos priemones, kurios galėtų pagerinti traumų ir ligų gydymą žmogui.

Klausimai ir atsakymai

K: Ką raidos biologijoje reiškia regeneracija?

K: Ar visi organizmai vienodai geba regeneruoti?

Klausimas: Koks yra gyvūno, galinčio regeneruoti nutrauktas galūnes, pavyzdys?

K: Kokie yra du pagrindiniai tritonų galūnių regeneracijos etapai?

Klausimas: Kodėl paprastesni gyvūnai, pavyzdžiui, plokščiosios kirmėlės, gali atsinaujinti?

K: Kaip kamieninių ląstelių sankaupos leidžia plokščiosioms kirmėlėms atsinaujinti?

K: Ar žinduoliai gali atsinaujinti prarastas galūnes?

Paieška pagal raidę