Еволюцията не е отнела способността ни за регенерация: биолози доказаха, че бозайниците могат да регенерират крайниците си от нулата

Въпросът защо някои животни са способни да регенерират отрязаните си крайници, а други – не, занимава още Аристотел. Две хиляди години по-късно еволюционната биология е формирала доста песимистичен консенсус за нашия вид: бозайниците са заменили регенерацията за топлокръвието, сложния имунитет и защитата от генетични грешки. В хода на еволюцията нашият клас животни е развил по-друга стратегия за оцеляване: при сериозно нараняване тялото се стреми да затвори раната възможно най-бързо, за да предотврати загубата на кръв и инфекцията. Това става с помощта на груба съединителна тъкан. Възниква бързо белези или фиброза, която запечатва здраво нараняването, но прави невъзможно израстването на нова сложна структура.

Ново изследване на биолози от Тексаския университет „A&M“ и университета „Tulane“ обаче показва, че тази биологична програма изобщо не е изтрита от нашия геном. Тя просто е потисната от процеса на образуване на белези. Учените доказаха, че нормалните клетки на възрастните бозайници запазват пълната информация за това как да се изграждат сложните анатомични системи. Процесът на регенерация може да бъде задействан изкуствено, ако химическата среда в раната се промени в правилната последователност.

Анатомичната граница: защо пръстът не расте сам по себе си

Като експериментален модел изследователите използват мишки, на които е ампутиран пръстът на нивото на втората фаланга. Тази област не е избрана случайно: биолозите отдавна знаят, че при мишките (както и при хората) способността за естествена регенерация строго зависи от степента на увреждане. Ако ампутацията засегне само най-крайната част на фалангата, където се намира нокътното легло, тъканите са в състояние да се възстановят от само себе си. Но ако разрезът е по-дълбок, през ставата или костта на втората фаланга, организмът започва процес на фиброза. Раната просто обраства с кожа и съединителна тъкан, образувайки обикновено пънче.

При земноводните на мястото на всяка ампутация веднага се образува специфична структура – бластема. Това е плътно струпване на активно делящи се клетки. За да се създаде бластемата, клетките в областта на раната преминават през процес на дедиференциация. Те губят своята тясна специализация (вече не са мускулни, кожни или костни клетки) и се връщат към ранното, неспециализирано състояние, подобно на ембрионалните клетки. След това от тази съвкупност се образуват всички тъкани, необходими за новия крайник.

При бозайниците бързото образуване на белези блокира физически и химически този процес. Задачата на биолозите беше да намерят начин да спрат образуването на белега и да накарат клетките на пънчето да следват пътя на образуване на истинска бластема.

Първи етап: спиране на образуването на белези и натрупването на клетки

За да променят поведението на клетките в раната, изследователите използват специфична сигнална молекула – фибробластен растежен фактор 2 (FGF2). На четвъртия ден след ампутацията те поставят микроскопични топчета, импрегнирани с този протеин, директно в центъра на невъзстановяващата се рана.

FGF2 драстично променил процеса на заздравяване. Той потиснал образуването на белези и накарал фибробластите (основните клетки на съединителната тъкан, които обикновено образуват белега) да се държат по различен начин. Те започват активно да се делят и да се натрупват в края на пънчето.

Учените анализирали матричната РНК на тези клетки и установили, че активността на гените Hmga1 и Hmga2 се е увеличила драстично. Тези гени обикновено са активни на етапа на ембрионалното развитие, когато организмът едва формира своите пропорции и структури. Активирането им при възрастната мишка означава, че клетките наистина са загубили първоначалната си функция и са се върнали към базовото си състояние. В края на пънчето се е образувала истинска бластема.

Но на този етап експериментът се сблъска с проблем. FGF2 инициира събирането на неспециализирани клетки, но не им дава по-нататъшни указания. Без допълнителни химически стимули струпването на клетки не разбирало в какъв вид тъкан трябва да се превърне. Бластемата просто поддържала съществуването си известно време, без да образува кост или хрущял, а след това постепенно се разпадала.

Втори етап: диференциация и формиране на скелета

Вторият химичен сигнал, костният морфогенетичен протеин 2 (BMP2), е необходим, за да насочи клетките на бластемата по пътя към формиране на цялостен скелет. Този протеин е отговорен за развитието на костните и хрущялните структури. Основният фактор за успеха е строгата времева последователност: BMP2 е инжектиран в раната точно пет дни след прилагането на първия протеин.

Тази последователна стимулация доведе до пълното формиране на изгубените структури. Под въздействието на BMP2 клетките на бластемата започнали да се превръщат в хондроцити (хрущялни клетки) и започнали процеса на ендохондрално вкостяване. Това е биологичен механизъм, при който организмът първо създава хрущялен модел на бъдещата кост и след това постепенно го замества с твърда костна тъкан. По този начин растат костите на крайниците по време на вътреутробното развитие.

При експерименталните мишки отстранената трета фаланга се е регенерирала напълно. Новата кост е имала правилна анатомична форма, в нея се е образувал пълноценен медуларен канал, а отвън са се появили естествени места за прикрепване на връзки. Същевременно са възстановени сезамовидната кост (малка кост, разположена в областта на сухожилията) и ставата със синовиална кухина за подвижност.

Проследяване на клетъчната съдба и пространствената памет

За да се уверят, че новите тъкани наистина са образувани от клетки от рани, а не от друг източник, биолозите използват метод за генетично маркиране. Те маркират клетките, експресиращи гена Prg4, със специален светещ маркер. При нормални условия този ген работи в клетките, които оформят повърхността на ставите и отделят ставна смазка.

Наблюденията показват отличната пластичност на тези клетки. Под въздействието на двата въведени протеина клетките, които обикновено просто образуват ставна обвивка или белег, стават част от бластемата и се развиват в хрущялни и костни клетки на новата фаланга.

Освен това изследването потвърждава, че клетките на бозайниците имат пространствена памет. Клетките на втората фаланга, от които се е образувала бластемата, са знаели точно какво им е необходимо за изграждането на третата фаланга и ставата, вместо да дублират втората фаланга наново. Това явление в биологията се нарича дистална трансформация и досега се смяташе, че е напълно функционално само при земноводните.

Перспективите пред регенеративната медицина

Оказва се, че обикновените клетки, които участват в ежедневното заздравяване на порязвания и наранявания, имат достатъчно биологичен потенциал, за да възстановят сложната система от кости, хрущяли и сухожилия.

Единствената разлика между образуването на белег при мишка (или човек) и израстването на нова лапичка при саламандър е биохимичният състав на микросредата на раната през първите няколко дни след нараняването. При бозайниците физически липсват специфичните сигнални молекули, които да спрат фиброзата навреме, за да се задейства ембрионалната програма.

Успехът при последователното прилагане на протеини FGF2 и BMP2 показва, че контролът върху поведението на клетките в раната е напълно възможен. Това открива нов вектор за развитие на регенеративната медицина. В бъдеще възстановяването на изгубени тъкани или дори части от крайници може да се постигне не чрез сложна трансплантация на стволови клетки, отгледани в лаборатория, а чрез точково химическо стимулиране на собствените резерви на организма точно на мястото на нараняването.

Това откритие преобръща парадигмата в регенеративната медицина. В крайна сметка, еволюцията не е изтрила способността ни за самовъзстановяване — тя просто я е скрила под слой от защитни механизми, които съвременната наука вече започва да разчита.