Reklama

Czy w przyszłości będzie możliwa regeneracja kończyn?

Niektóre zwierzęta mają zdolność do regeneracji utraconych kończyn. Czy uda nam się poznać tajemnicę tego mechanizmu i powielić go u ludzi?

W komiksach ze Spider-Manem w roli głównej, naukowy mentor głównego bohatera - Curt Connors - aplikuje sobie serum stworzone w oparciu o DNA jaszczurki, dzięki czemu odrasta mu amputowana wcześniej ręka. Niestety, efektem ubocznym ozdrowienia Connorsa jest przemiana w gigantyczną, humanoidalną jaszczurkę, zło wcielone. Mimo, że przedstawiona sytuacja to jedynie wytwór fantazji twórców kultowej historii, to naukowcy od dawna przyglądają się niezwykłym mocom regeneracyjnym zwierząt i ich potencjalnemu zastosowaniu u ludzi. Czy kiedykolwiek dożyjemy czasów, w których zużyte narządy będą wymieniane na nowe?

Hydry i salamandry

Reklama

Amputowana człowiekowi ręka przeobrazi się w kikut pokryty bliznami, ale nie odrośnie. Zupełnie inaczej jest u traszek lub salamander, które na miejsce utraconych kończyn wykształcają nowe. U jaszczurek rana się zasklepi, ale dopiero po wykształceniu nowych kości, mięśni, nerwów i skóry. Ten ewenement regeneracyjny nie jest dostępny dla człowieka. Ale czy na pewno?

Potęgi regeneracji doświadczył w 1740 r. szwajcarski przyrodnik, ojciec zoologii eksperymentalnej - Abraham Trembley, który odkrył, że macki odcięte stułbi zielonej (Hydra viridissima) odrastają. Zaskoczony obserwacją nadał nieznanemu do tej pory organizmowi nazwę Hydra, na cześć mitologicznego potwora, u którego na miejsce odciętej głowy wyrastały dwie nowe. Podobne właściwości wykazuje wiele gatunków współczesnych zwierzą. Jaszczurki regenerują utracone ogony, rozgwiazdy odbudowują poćwiartowane ramiona, a niektóre płazińce mogą zrekonstruować całe ciało z pojedynczej komórki.

Pomimo wieków badań, naukowcy są dalecy od pełnego zrozumienia mechanizmu regeneracji, a jeszcze mniej wiedzą o jej roli w naszych ciałach. Replikacja utraconych tkanek czy nawet całych narządów u ludzi jest teoretycznie możliwa, przynajmniej według Jamesa Monaghana, który studiuje biologię regeneracyjną na Northeastern University w Bostonie. Naukowiec dodaje jednocześnie, że "nie jesteśmy nawet w połowie drogi do upragnionego celu".

Po części jest to spowodowane faktem, że tematyką biologii regeneracyjnej jest zainteresowana zaledwie garstka naukowców na całym świecie. Przepływ informacji między nimi jest utrudniony, podobnie jak znalezienie odpowiednich zwierząt laboratoryjnych (tzw. organizmów modelowych). Kurczaki, myszy, muchy i glisty pomogły zrozumieć naukowcom jak grupa komórek może rozwinąć się w pełni ukształtowany embrion. Nie są one jednak odpowiednie do badań nad odnawianiem utraconych kończyn. Idealnym organizmem modelowym są salamandry, szczególnie dzięki zdolnościom regeneracyjnym na wysokim poziomie. Co równie istotne, podstawowa struktura ich kończyn jest podobna jak u nas, co ma przełożenie na zgłębianie tajemnic regeneracji u ludzi.

- W warunkach laboratoryjnych, kończyna salamandry może regenerować się całymi miesiącami. To bardzo spowalnia postępy eksperymentów. Zanim dokładnie prześledzimy, opiszemy i zrozumiemy mechanizm odbudowy utraconych fragmentów ciała, mogą minąć całe lata - powiedziała Ashley Seifert, która bada regenerację tkanek i narządów na University of Florida.

Żeby było jeszcze trudniej, genom salamandry jest dziwnie nadęty. Jaszczurki mają 10 razy więcej DNA niż ludzie i do tej pory nikt w pełni go nie zsekwencjonował. Do niedawna naukowcy nie mieli możliwości dodawania czy usuwania pojedynczych genów z DNA salamandry. Bez tych potężnych technik, poznanie i nauka procesu regeneracji nie była możliwa.

Zamiast nowej kończyny nowotwór?

Mimo braku wielu istotnych informacji, biolodzy znają podstawowe etapy, przez które musi przejść regenerująca się kończyna. Tuż po amputacji obkurczają się naczynia krwionośne, by ograniczyć utratę krwi, a komórki z najbardziej zewnętrznej warstwy skóry wzrastają, by zamknąć ranę. U salamander nowe komórki przekształcają się w tzw. naskórek rany (ang. wound epidermis), który wysyła sygnały chemiczne do komórek znajdujących się pod nim. W odpowiedzi na nie, komórki macierzyste skóry gromadzą się w centralnym miejscu rany, po czym zaczynają się mnożyć. W ten sposób tworzy się blastema, z których w późniejszym czasie powstanie nowa kończyna. W tym procesie najważniejszy jest moment, kiedy to komórki jednego typu transformują w inne, a poprzez replikację tworzy się tkanka odbudowującą cały organ.

- W jakiś sposób komórki znają swoją pozycję i regenerowana jest tylko ta część tkanki, której brakuje - powiedział Enrique Amaya, biolog z University of Manchester.

U salamander w przypadku amputacji całej kończyny, zaczynając od pasu barkowego lub miednicowego blastema odtwarza pełen organ. Jeżeli kończynę odcięto w nadgarstku, odbudowywana jest tylko ręka i palce. Podczas wzrostu i podziałów komórkowych, komórki zajmują określone pozycje i formują miniaturową wersję kończyny, a następnie odtwarzają ją w pełnym rozmiarze.

Ogólny zarys procesu regeneracji jest znany, ale na wiele pytań naukowcy nie potrafią odpowiedzieć. Co sprawia, że naskórek rany się zamyka? Kończyna nie zregeneruje się, jeżeli nerwy wewnątrz nie zaczną rosnąć, ale co dokładnie one robią? Kiedy komórki macierzyste przeobrażają się w blastemę? Skąd tkanka "wie" jak długo wzrastać i odtworzyć kształt kończyny? Jak to się dzieje, że komórki przeobrażają się w pełni funkcjonalny organ, a nie np. nowotwór? Pytania można by mnożyć, ale na żadne z nich nie można póki co uzyskać satysfakcjonującej odpowiedzi.

- Wszystkie komórki macierzyste wyglądają praktycznie identycznie, ale doskonale segregują w jaką tkankę się zamienić. Naukowcy dopiero zaczynają poznawać procesy regeneracji, ale tak naprawdę nie rozumieją, jak to się dzieje, że jedna komórka różni się od drugiej - powiedział Monaghan.

Zamiast drążyć mechanizmy regeneracji narządów u salamander, można by zapytać dlaczego ssaki nie posiadają takich umiejętności. Jest na to kilka teorii, ale najbardziej przekonująca z nich ma związek z nowotworami. U tak skomplikowanych organizmów jak ludzie, samoistny wzrost komórek macierzystych mógłby prowadzić nie do wykształcenia blastemy, a tkanki nowotworowej. Zamiast nowych kończyn, mielibyśmy najprawdopodobniej przerośnięte i bezkształtne guzy.

W przypadku braku dostępu do zdolności regeneracyjnych, nie bez znaczenia jest również stałocieplność ssaków.

- Dzięki zmiennocieplności gadów, mogą one selektywnie kontrolować temperaturę swojego ciała. Po utracie jednej z kończyn, zwierzę może ukryć się na tydzień bez jedzenia i ją zregenerować. To nie wchodzi w rachubę w przypadku zwierząt, których wysoki metabolizm wymaga stałego dostarczania pokarmów - dodał Monaghan.

 Ale nie wszystkie ssaki oblewają testy na regenerację. W ubiegłym roku wspomniana już wcześniej Ashley Seifert odkryła, że pewien gatunek afrykańskich myszy uciekając przed drapieżnikiem, zrzuca ogromne fragmenty własnej skóry. W bezpiecznych warunkach wspomniane myszy formują blastemę i regenerują porzucony narząd w rekordowym tempie. Sugeruje to, że odbudowa tkanek ssaków nie jest tak niedostępna, jak pierwotnie się wydawało.

Ziemia obiecana biologii regeneracyjnej

Nawet gdyby naukowcom udało się przenieść wyniki mysich eksperymentów na ludzi, mało realne wydaje się opracowanie specjalnego koktajlu cząsteczek, po zażyciu którego nasz uszkodzony organizm sam się odbuduje. Poziom złożoności organizmu człowieka jest bardzo duży, a proces regeneracji narządów nie odbywa się w okamgnieniu. Mimo że Lizard z komiksów o przygodach Spider-Mana, regenerował kończynę w kilka minut, w rzeczywistości proces ten jest znacznie wolniejszy. Jedna z salamander Seifert kończynę o średnicy 4 mm odtwarzała aż 400 dni. Największe z jaszczurek na regenerację tkanek mogą potrzebować nawet 10 lat.

- Nawet jeżeli kiedykolwiek człowiek będzie w stanie zregenerować całą kończynę, proces ten może zająć 15-20 lat. Odtworzenie jej fragmentu, np. palca jest bardziej realistyczne - powiedziała Seifert.

Czy to się opłaca? Progres w biologii regeneracyjnej jest tak wolny, że inne, prężnie rozwijające się, działy nauki niebawem będą mogły zaoferować lepszą alternatywę dla odtwarzanych tkanek. Badania nad komórkami macierzystymi w połączeniu z inżynierią tkankową mogą sprawić, że za kilka lat w laboratoriach będzie się hodowało gotowe do transplantacji narządy.

- Z jednej strony istnieje wiele korzyści płynących ze zgłębiania mechanizmów regeneracji u salamander. U jaszczurek i ssaków proces gojenia ran jest podobny, zatem może uda nam się go ulepszyć. Poza tym wiele współczesnych schorzeń - od ataku serca po marskość wątroby - jest związanych ze zwłóknieniem tkanek. A zwłóknienie to antyteza regeneracji - podsumowała Seifert.

Naukowcy są zdania, że proces regeneracji jest w istocie podobny do rozwoju zarodkowego. Tak jak nowe życie rozwija się przez intensywne podziały komórek, tak utracony organ jest odtwarzany krok po kroku. Organizm dorosłej salamandry "pamięta" mechanizmy, dzięki którym powstał i dlatego jest w stanie odbudować utraconą kończynę. To, że nasz organizm nie wie, jak się zregenerować, wcale nie znaczy, że całkowicie zapomniał podstaw tego procesu. Być może wystarczy jedynie wybudzić go z uśpienia, a wtedy osiągniemy biologiczne eldorado.