Ученые сделали неожиданный шаг к разгадке механизмов регенерации у млекопитающих, показав, что способность восстанавливать сложные части тела, возможно, вовсе не утрачена — она может быть просто отключена. Используя двухэтапное лечение, исследователи перенаправили нормальную реакцию организма на заживление, сместив ее от образования рубцов к регенерации, и успешно восстановили кости, суставы, связки и сухожилия после ампутации в исследованиях на животных.
На протяжении многих поколений ученые рассматривали неспособность восстанавливать утраченные части тела как одно из основных ограничений человека и других млекопитающих. В то время как такие существа, как саламандры, могут регенерировать целые конечности, у людей травмы обычно заживают путем образования рубцовой ткани.
Однако новые исследования, проведенные в Колледже ветеринарной медицины и биомедицинских наук Техасского университета A&M (VMBS), предполагают, что регенеративные способности у млекопитающих могут быть не совсем отсутствующими. Вместо этого они могут быть скрыты в естественном механизме заживления организма, ожидая активации при соответствующих условиях.
«Почему одни животные способны к регенерации, а другие, особенно люди, — нет, — это большой вопрос, который задают еще со времен Аристотеля», — сказал доктор Кен Мунеока, профессор кафедры ветеринарной физиологии и фармакологии (VTPP) Ветеринарной школы бизнеса. «Я посвятил свою карьеру попыткам понять это».
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications , Мунеока и его коллеги описывают новый двухэтапный метод лечения, который позволил восстановить костную ткань, суставные структуры и связки. Хотя восстановленные ткани не были точными копиями оригиналов, исследователи считают, что этот подход в конечном итоге может помочь уменьшить рубцевание и улучшить восстановление тканей после ампутаций.
Перенаправление процесса заживления в сторону предотвращения образования рубцов
При травмах у млекопитающих организм обычно реагирует фиброзом. В ходе этого процесса фибробластные клетки быстро закрывают рану и образуют рубцовую ткань. Хотя такая реакция помогает предотвратить инфекцию и дальнейшее повреждение, она также ограничивает способность организма восстанавливать утраченное.
Животные, способные к регенерации, следуют иному пути. Например, у саламандр подобные клетки объединяются в структуру, называемую бластемой, которая служит основой для роста новых тканей.
«Как будто эти клетки могут двигаться в двух разных направлениях, — сказала Мунеока. — Они могут либо образовать рубец, либо бластему. Наше исследование было сосредоточено на изменении поведения фибробластов, уже присутствующих в месте повреждения».
Чтобы выяснить, можно ли стимулировать регенерацию в процессе заживления ран у млекопитающих, исследовательская группа разработала метод лечения, использующий два хорошо известных фактора роста в последовательном применении.
Первый этап заключался в применении фактора роста фибробластов 2 (FGF2) после того, как рана уже зажила. Дождавшись завершения начального процесса заживления, исследователи позволили организму нормально отреагировать, прежде чем вмешиваться.
По словам Мунеоки, команда затем "изменила дальнейшие действия".
FGF2 способствовал формированию бластемоподобной структуры, что обычно не происходит у млекопитающих после такого рода травмы. Несколько дней спустя исследователи применили второй фактор роста, костный морфогенетический белок 2 (BMP2), который побудил эти клетки начать строить новые ткани.
«Это действительно двухэтапный процесс, — сказал Мунеока. — Сначала вы перемещаете клетки подальше от рубцовой ткани, а затем подаете им сигналы, которые указывают, что им нужно строить».
Переосмысление роли стволовых клеток
Одним из наиболее важных результатов исследования является то, что для регенерации может не потребоваться добавление стволовых клеток извне организма, подход, широко используемый в регенеративной медицине.
«Вам не обязательно брать стволовые клетки и пересаживать их обратно, — сказал Мунеока. — Они уже там — вам просто нужно научиться заставлять их вести себя так, как вы хотите».
Доктор Ларри Сува, еще один профессор VTPP, участвовавший в исследовании, сказал, что результаты ставят под сомнение давние представления о том, на что способны клетки млекопитающих.
«Ячейки, которые мы считали непрограммируемыми, на самом деле таковыми являются», — сказал Сува. «Их потенциал не отсутствует — он просто скрыт».
Исследователи также обнаружили доказательства того, что клетки могут перенаправляться для создания структур за пределами своего обычного местоположения. Этот процесс, известный как позиционная перестройка, является важной частью развития.
На практике это означает, что клетки, которые обычно участвуют в формировании одного типа ткани, могут быть направлены на восстановление другой структуры после травмы.
Восстановление костной ткани, сухожилий, связок и суставов.
Хотя регенерированные ткани не в точности соответствовали первоначальной анатомии, исследователям удалось восстановить все основные структуры, удаленные во время ампутации, включая кости, сухожилия, связки и суставную ткань.
В регенерированных участках содержались как компоненты скелета, так и соединительная ткань, расположенные в соответствии с анатомическими особенностями организма.
«Мы восстановили то, что и следовало ожидать при таком уровне травмы, — сказал Мунеока. — Структуры сохранились — просто не в идеальном состоянии».
Полученные результаты также свидетельствуют о том, что регенерация зависит от взаимодействия множества биологических механизмов. Восстановление тканей, по-видимому, гораздо сложнее, чем активация одного единственного механизма.
Потенциальные преимущества для заживления ран
Хотя исследование находится на ранней стадии, ученые считают, что оно может найти практическое применение задолго до того, как станет возможна полная регенерация.
Вместо того чтобы сосредотачиваться исключительно на замене отсутствующих структур, этот подход может помочь улучшить результаты заживления за счет уменьшения образования рубцов и усиления регенерации тканей.
«Людям следует начать задумываться об использовании этих сигналов в процессе заживления», — сказала Мунеока. «Даже небольшое смещение реакции от рубцовой ткани может принести реальную пользу».
Путь к клиническим испытаниям может быть также более простым, чем в случае со многими экспериментальными методами лечения. BMP2 уже получил одобрение FDA для некоторых медицинских применений, а FGF2 в настоящее время проходит оценку в нескольких клинических испытаниях.
Новый взгляд на регенерацию млекопитающих
Данное исследование дополняет растущие доказательства того, что регенерация у млекопитающих, возможно, не является полностью утраченной способностью. Вместо этого, это может быть спящая способность, которая обычно остается неактивной во время заживления.
«Это меняет наше представление о том, что возможно», — сказала Сува. «Как только вы покажете, что регенерацию можно активировать, это откроет двери для постановки совершенно новых вопросов».
Для Мунеоки эти вопросы стали движущей силой десятилетий исследований, и теперь у него появилась многообещающая новая концептуальная основа.
«Нарушения регенерации у млекопитающих можно исправить, — сказал он. — Теперь у нас есть модель, чтобы начать выяснять, как это сделать».
