П'ять сигнальних речовин допомогли жабам відростити відрізані лапи

Американські вчені навчилися запускати регенерацію у дорослих жаб. Для цього вони накладали на місце ампутованої лапи гідрогель з сигнальними молекулами. У результаті замість безформного відростка, як зазвичай, у експериментальних тварин виросли повноцінні лапи - не до кінця сформовані зовні, але абсолютно функціональні. Роботу опубліковано в журналі.

Вважається, що колись всі чотирилапі хребетні вміли добре регенерувати, але поступово більшість з них цю здатність втратили. Зараз з легкістю відрощувати собі нові кінцівки можуть хіба що саламандри і пуголовки. А у ссавців навіть дитинчата з цим завданням майже не справляються - відомо, що зародки у мишей можуть відновити відрізаний кінчик пальця або шматочок серцевої тканини, але про цілі частини тіла мови не йде.

Тому вчені шукають способи змусити хребетних повернути собі втрачені здібності своїх предків. У хід йдуть різні методи: біоінженерні каркаси, електростимуляція, пересадка стовбурових клітин і обробка різними сигнальними молекулами. Майкл Левін (Michael Levin) з Університету Тафтс разом з колегами зробили ставку на останній підхід.

Ця група дослідників працює зі шпорцевою жабою - її часто використовують у регенеративних дослідженнях, оскільки це один з тих випадків, коли головастик відрощує частини тіла досить добре, а доросла особина цю здатність втрачає. У попередній роботі вони виявили, що гормон прогестерон непогано стимулює регенерацію - однак він допоміг тільки поліпшити зростання самої по собі хрящової тканини, але не відновити структуру кінцівки.

Тому вчені вирішили використовувати відразу кілька сигнальних молекул - щоб запустити регенерацію всіх тканин, що становлять жаб'ячу лапу. Вони зібрали коктейль з речовин, які повинні були не тільки стимулювати зростання тканин, але і відновлювати роботу нервових клітин і придушувати запалення. Вийшов набір з п'яти речовин: 1,4-DPCA, BDNF (мозковий нейротрофічний фактор), гормон росту, ретиноєва кислота і резолвін D5. Розчинами цих п'яти речовин вчені просочили гідрогель на основі шовкового білка, а контейнер з цим гідрогелем (BceDome) пришили жабам до раневої поверхні.

Сигнальні молекули пропрацювали всього 24 години - після цього контейнер зняли. Але цього виявилося достатньо, щоб дослідники помітили результат, правда, не відразу, а через кілька місяців. До 6-8 місяця кінцівки росли схожими темпами у тих тварин, що отримали сигнальний коктейль, і у тих, кому дістався контейнер з плацебо. Але з 9-го місяця дослідники зафіксували різницю, і експериментальна група продовжила обганяти групу плацебо аж до 18 місяців спостереження.

У контрольної групи, яку нічим не обробляли, на місці кінцівок утворилися безформні відростки. У 20 відсотків жаб з групи плацебо вчені помітили щось проміжне між безформною тканиною і кінцівкою, але без ознак поділу на ділянки, характерні для задньої лапи. У той же час, у 76 відсотків тварин з «групи коктейлю» виросли частини тіл, що нагадують лапу: з ущільненим кінцем і перепонками між аналогами пальців.

При цьому, судячи з усього, у тварин сталося те саме, що й у пуголовків. Останні, коли позбавляються кінцівки, спочатку утворюють бластему - це бугорок з недифференційованих клітин (які отримуються з диференційованих). А потім вже клітини бластеми діляться і заново отримують спеціалізацію, перетворюючись на клітини кістки, м'язів і шкіри. У жаб з ампутованими лапами під дією сигнальних речовин рана закривалася повільніше (p < 0,05), ніж у інших груп в експерименті - а значить, в ній слабше розвивалося запалення, і у клітин було більше часу перетворитися на бластему. Після закриття рани бугорок все одно залишався більше, ніж у інших груп, а клітини в ньому експресували основний маркер бластеми SOX2 в шість разів сильніше, ніж у контрольній групі.

Відсканувавши регенерували ділянки тіла, вчені помітили різницю і на мікроскопічному рівні. Наприклад, у «групи коктейлю» виявилося не тільки більше кісток по масі (p < 0,05) - ці кістки були щільнішими, а зовні на них з'явилися бугорки і западини, які в нормі повинні служити для прикріплення сухожиль і м'язів. Крім того, у цієї групи в відрощених кінцівках виявилося більше судин і нервових волокон. Чутливість цих волокон, як з'ясували автори статті, відновилася до рівня здорової кінцівки. Принаймні, більшість жаб з «групи коктейлю» віддаляли регенерировашие лапи при найменшому дотику. Дослідники також помітили, що тварини користувалися ними, щоб плисти в бік їжі або спливати від гучних звуків.

Автори роботи закликають зробити зі свого успіху кілька важливих висновків. Перший полягає в тому, що на успіх регенерації впливає мікроокруження, причому на самому ранньому етапі. Навіть ті тварини, яким пришили силіконовий контейнер з плацебо, відрощували частини лап успішніше, ніж ті, хто залишився без контейнера. Можливо, вже сам по собі контакт з гідрогелем гальмує закриття рани на ампутованій лапі і запускає якісь важливі процеси в клітинах на раневій поверхні.

Другий висновок полягає в тому, що навіть у тварини, яка втратила здатності до регенерації, їх можна відновити або хоча б наблизити до того рівня, на якому ними володіють ранні стадії її розвитку. У цьому сенсі жаба, звичайно, більш зручний об'єкт, ніж миша або людина - у її личинок ці здібності розвинені добре. Тому можливо, на ссавців ці результати буде складніше перенести безпосередньо. До того ж, відзначають дослідники, навіть жаб'яча лапа відростає довго - експеримент тривав півтора року. Невідомо, наскільки осмислено намагатися такими ж темпами відрощувати кінцівки у людини.

Тим часом, багатьом безхребетним регенерація досі вдається на відмінно. Ми вже писали про морські слимаки, які вміють відкидати тіло, і про двоголову планарію, яка виросла в космосі. А про те, як це роблять губки, читайте в матеріалі «Повсталі з фаршу».