Регенерация, какая ты бываешь? Гидры, планарии и человеческая печень

Что же такое регенерация: свойство, изначально присущее всему живому, а потом утраченное в разной степени; или полезное приобретение, которое изначально удалось получить лишь некоторым организмам? Почему регенеративные возможности человека так скромны? Можно ли их восстановить — хотя бы частично? Попробуем ответить на эти вопросы в этой статье.

Морфаллактическая, эпиморфная и компенсаторная регенерация

Репаративная регенерация может происходить тремя основными способами, и у каждого есть свое название: морфаллактическая (морфаллаксис), эпиморфная (эпиморфоз) и компенсаторная (иногда рассматривается как разновидность эпиморфной). Эти способы отражают степени «крутизны», с которой те или иные организмы умеют восстанавливать утраченные части тела (или даже всё тело целиком).

Морфаллаксис

Морфаллактическую регенерацию смогли сохранить только самые примитивные животные. Хрестоматийный пример — гидры. Тело этих кишечнополостных состоит всего из двух слоев клеток и имеет вид трубки длиной пять миллиметров, на одном конце которой находится рот, окруженный щупальцами (гипостома), а на другом — «нога» (базальный диск).

Если разрезать гидру пополам, то ее нижняя часть отрастит новую голову, а верхняя — новую «ногу». Можно нарезать животное на несколько частей, и получится несколько новых маленьких гидр. Во время такой регенерации не образуется стволовых клеток.

Вообще необязательно, чтобы появлялись новые клетки: уже существующих вполне достаточно, чтобы перестроиться и образовать новый организм.

При этом клетки гидры «понимают», где у нее должна быть голова, где — «нога», и что каждая из этих частей должна находиться на определенном конце тела в количестве одной штуки.

Морфаллактическая регенерация. Когда гидру разрезают пополам, из каждой половинки получается новое животное — вдвое меньшее, чем исходное. И только потом они вырастают до размеров «материнской» особи.

Эпиморфоз

Совсем по-другому происходит восстановление утраченных частей тела у более сложно организованных животных. Тут один из наиболее типичных примеров — регенерация конечностей у саламандр и тритонов.

После того, как взрослая саламандра лишается части своей лапки, оставшиеся клетки способны полностью ее воссоздать, причем в новой конечности будут присутствовать все ткани, и они будут правильно расположены по отношению друг к другу. Восстанавливается только утраченная часть конечности — ни больше ни меньше. Например, если ампутация произошла на уровне запястья, то отрастет то, что было раньше, а не локоть и тем более не колено.

Эпиморфная регенерация состоит из нескольких этапов:

1. Примерно через 6–12 часов после того, как саламандра осталась без конечности, клетки эпидермиса, находящиеся по соседству, полностью покрывают рану: образуется апикальный эктодермальный колпачок. При этом дерма не перемещается вместе с эпидермисом, и в области раны не образуется рубца. Это важное отличие заживления у анамний (рыб и амфибий) от амниот (пресмыкающихся, птиц и млекопитающих).
2. Далее происходит гистолиз — разрушение ткани протеолитическими (расщепляющими белки) ферментами, такими как лизосомальные кислые гидролазы и матриксные металлопротеиназы. В результате из соединительной ткани высвобождаются клетки-фибробласты, из нервных волокон — шванновские клетки (образуют их оболочки), а мышечные волокна распадаются на одноядерные клетки.
3. Далее в течение нескольких дней костные, хрящевые, мышечные, нервные клетки и фибробласты под апикальным эктодермальным колпачком начинают терять свои отличительные свойства. Все они становятся похожими друг на друга и сливаются в одну неразличимую массу дедифференцированных клеток, а их скопление называется бластемой.
4. Впоследствии за счет деления клеток бластемы утраченная конечность снова отрастает. Клетки заново дифференцируются, то есть приобретают специализацию и становятся фибробластами, миоцитами, клетками костной ткани и пр.

Таким образом, можно выделить два ключевых признака, отличающих эпиморфную регенерацию от морфаллактической: во время нее образуются дедифференцированные клетки и бластема. Но не всё так однозначно.

Планарии регенерируют по-своему

На рисунке показано, как тело плоских червей планарий восстанавливается после того, как его разрезали на несколько частей. Вопрос на засыпку: какой это тип регенерации?

Регенерация планарии. На первый взгляд это типичная морфаллактическая регенерация, но есть в ней и черты эпиморфоза.

На первый взгляд сильно напоминает то, что происходит с гидрами. Возможно, перед нами морфаллактическая регенерация? Однако исследование под микроскопом показывает, что это не так. Если разрезать планарию, то спустя некоторое время на срезах будет хорошо видна бластема. Получается, это эпиморфоз?

Если проанализировать отдельные клетки и их гены, то получается еще более интересная история. Японские ученые провели такой эксперимент и опубликовали его результаты в 2007 году в журнале Development, Growth & Differentiation.

Исследователи проследили, как части планарий регенерируют глотку. Для этого они использовали РНК-зонды, позволяющие выявлять ген DjMHC-A, специфичный для мышц глотки. Клетки с этим активным геном были обнаружены в том месте, где в будущем должна была появиться глотка, но не в бластеме. Оказалось, что это не совсем эпиморфоз. Японские ученые предложили воспринимать бластемы как сигнальные центры, которые реорганизуют тело червя и помогают клеткам «понять», где они находятся и как в соответствии с этим должны себя вести.

Исследователи предложили термин «интеркалярная регенерация» и пошли дальше, заявив, что на самом деле все виды регенерации представляют собой разные типы одного и того же процесса. Всегда есть бластема — она обеспечивает восстановление путем деления клеток (дистализация) и одновременно «тянет» за собой и заставляет перестраиваться соседние ткани (интеркаляция).

Японские ученые предложили всё унифицировать и объединить три вида регенерации. A — регенерация лапы хвостатой амфибии; Б — регенерация планарии; В — регенерация гидры. Бластема обозначена красным цветом. Вслед за ней «тянется» промежуточная зона, которая тоже участвует в регенерации, и в ней происходят интеркалярные события под влиянием бластемы. Разница только в протяженности промежуточной зоны, задействованных тканях и клетках.

Регенерация у отдельных видов животных происходит так, как сложилось эволюционно. У всех, вероятно, процессы протекают по-своему, с некоторыми отличиями. Классифицировать всё многообразие довольно сложно. Чтобы не путаться, я бы предложила запомнить, что есть два основных вида репаративной регенерации: морфаллактическая, присущая низшим животным, и эпиморфная, сохранившаяся у некоторых позвоночных.

Мария Терёшина

У млекопитающих тоже может формироваться бластема, и иногда происходит восстановление утраченных частей тела путем эпиморфной регенерации. Но происходит это редко и далеко не в таких масштабах, как у обитателей водоемов. Например, у мышей, приматов и в том числе людей могут восстанавливаться кончики пальцев. Это происходит ровно так же, как у тритонов отрастают лапки — через формирование бластемы. Этот процесс довольно хорошо изучен. В 2022 году были опубликованы результаты исследования, которое показало, что для успешной регенерации должны сохраниться ткани основания ногтя, включающие мезенхимальные клетки.

Восстановление кончика пальца у мыши. A — схема кончика пальца мыши. Для изучения регенерации проводят ампутацию кончика пальца, не повреждая костного мозга. Б — после ампутации в культе находится погибшая костная ткань. В — клетки-остеокласты обеспечивают гистолиз тканей в области культи. В соединительной ткани и костном мозге увеличивается количество клеток. Г — после того, как завершилась вторичная ампутация (отторгнуты погибшие ткани), эпидермис покрывает культю, и в ней возникает бластема, формируемая клетками красного костного мозга и соединительной ткани. Таким образом, область регенерации находится проксимальнее (ближе к началу пальца), чем изначально произошла ампутация.

В 1953 году ученые обнаружили: если сделать в ухе кролика отверстие диаметром 1 см, то спустя некоторое время оно полностью зарастает, и образуется в нем не рубец, а новый хрящ, жировая ткань, кожа и даже волосяные фолликулы. В 2012 году аналогичное явление было описано у иглистых мышей: у них происходит регенерация, если проделать в ушной раковине отверстие диаметром 4 мм.

Исследования показали, что тут задействованы всё те же знакомые механизмы. Когда животное получает травму уха, то первым делом в этом месте развивается воспаление и образуется струп. Дальше под струпом отверстие изнутри и снаружи затягивается эпидермисом. Между его слоями накапливаются клетки, и между ними образуется бластема.

Компенсаторная регенерация

Этот вид регенерации известен человечеству с древнейших времен (вспомним мифы о Прометее и Титусе из первой статьи спецпроекта). Именно так, например, восстанавливается печень. Если удалить одну из ее долей, то она уже не отрастет снова, но оставшаяся часть органа пропорционально увеличится.

Этот эффект наблюдается за счет пролиферации ткани. Клетки печени не становятся стволовыми и из них не образуется бластема. Каждая из них сохраняет свою идентичность. Гепатоциты, клетки печеночных протоков, жировые, эндотелиальные (выстилающие кровеносные сосуды) клетки, макрофаги (клетки Купфера) — все они размножаются сами по себе, создавая собственные копии. В итоге не формируются новые анатомические структуры, просто увеличивается общее число клеток, и растет в размерах та часть органа, которая сохранилась.

Изменение активности синтеза ДНК (показатель активности клеточных делений) в разных типах клеток печени после удаления части органа. Клетки Купфера — печеночные макрофаги, клетки Ито — жирозапасающие клетки печени.

Как и клетки в бластеме тритона, ткань в регенерирующей печени отчасти возвращается в эмбриональное состояние, но далеко не так сильно. В итоге и регенерация получается более топорной. И всё же это лучше, чем рубец!

Вот такой разнообразной и увлекательной бывает регенерация! А больше вы узнаете на нашем сайте!