В детстве многие пробовали поймать летом юрких ящериц, греющихся на камнях и пригорках. Но какими горькими слезами обливались потом маленькие последователи Джеральда Даррела, когда в руке оставался только ящеркин хвостик с капелькой крови, а сама ящерка благополучно скрывалась в норке или густой траве. Было ужасно жалко несчастную зверюшку — как она без хвоста, который составлял значительную часть ее тельца? А через некоторое время можно было с удивлением обнаружить ту же рептилию, греющуюся на своем любимом пригорке, но с новеньким, коротеньким пока хвостиком. Вот бы и человеку так можно было, правда? О том, почему у высших млекопитающих не происходит подобной регенерации, читайте в материале MedAboutMe.
Регенерация: что о ней известно
Первая информация о регенерации приходит к нам еще в детстве — со сказками о чудовищах, у которых на месте отрубленных голов вырастают новые, иногда даже в кратном количестве. Это и Змей Горыныч из русских сказок, и многочисленные дэвы и прочая нечисть. Чтобы победить такого, герою приходится либо прижигать место ампутации голов каленым железом, либо поливать мертвой водой, либо посыпать золой или сырой землей (вариантов множество).
В античных мифах тоже есть регенерирующие персонажи. Лернейская гидра, например. Могучий Геракл утомился отрубать ей головы — они вырастали и вырастали, как на дрожжах. Без помощника Иолая, взявшегося прижигать места срезов горящими головнями, не справился бы, как пить дать, потому что количество свирепых голов все увеличивалось и увеличивалось.
А вот титану Прометею, наказанному богами за то, что поделился божественным огнем со смертными, способность к регенерации причинила множество страданий. Как известно из мифов, Прометей был прикован к высокой скале. И каждый день к нему прилетал Орел — посланник Зевса, чтобы клевать печень несчастного титана. Помереть тот не мог, ибо был наделен бессмертием. И, видимо, необыкновенной способностью к регенерации, потому что за ночь выклеванная печень снова отрастала, чтобы наутро Орлу было чем поживиться. Так и страдал бедняга, пока однажды его не навестил тот самый Геракл. Могучий герой вырвал из скалы кольца, державшие титана, дал пинка Орлу, и освободил страдальца. Видно, Геракл специализировался на сложных случаях с явлениями регенерации.
Кстати, оба этих мифа имеют под собой реальную основу, хотя и изрядно преувеличенную: настоящие гидры, мелкие водные беспозвоночные, тоже способны к регенерации любых частей своего тела, а печень действительно в некоторой степени тоже может регенерировать. Именно поэтому для пересадки печени не нужно целого органа, а достаточно его доли. Потом орган восстановится и у донора, и у реципиента.
Способы восстановления из фантастических фильмов и книг, когда новая рука или глаз «печатаются» на биопринтере или выращиваются в автоклаве из нескольких клеток пациента, а затем приживляются на законное место, регенерацией считать нельзя, так как это ближе к протезированию. В лучшем случае — с приставкой «био-». Но чаще «кибер».
Истинная же регенерация, разработанная и воплощаемая природой, происходит другими путями.
Как может происходить регенерация конечностей?
Известно, что лучше всего умеют регенерировать низшие организмы. Те же гидры, например, или черви. Если разделить такое существо на части, из каждой может вырасти целый организм: новенькая маленькая гидра или плоский червь планария. Или всем известный дождевой червяк, который тоже восстанавливается в двойном количестве, будучи случайно разрубленным лопатой, когда вы копаете картошку на даче.
Такая форма регенерации называется морфаллаксисом. Утраченное восстанавливается за счет того, что оставшиеся клетки меняют специализацию. Поэтому уменьшается размер организма, но восстанавливаются все его функции.
Иначе происходит у более развитых существ — у амфибий, рыб и т. д. У них утраченная часть отрастает заново, а остальное тело при этом не изменяется в размере. Восстановление происходит за счет того, что в месте ампутации образуется большое количество недифференцированных (то есть не специализированных по функциям) стволовых клеток. Эти клетки начинают активно размножаться, дифференцироваться (то есть приобретать «профессии»), и из них и вырастает новая лапа, плавник или хвост взамен потерянного в борьбе за существование. Этот процесс называется эпиморфозом.
Высшим организмам, к которым относятся и млекопитающие, включая нас с вами, свойственна только ограниченная регенерация — компенсаторная гипертрофия. При этом может восстанавливаться объем тканей органа за счет роста объема или количества клеток, внеклеточных структур и т. д. Так восстанавливается, например, печень и миокард.
Почему так различаются механизмы регенерации?
Все дело в генах
Давайте разберемся, от чего зависит, каким именно способом будут восстанавливаться утраченные ткани у организмов, стоящих на разных ступенях эволюции. И в первую очередь нас интересует эпиморфоз, потому что именно он позволяет вырастать новым конечностям и органам, а именно это интересует регенеративную медицину.
Рассмотрим конечность — не важно, человеческую или звериную. Любая рука или лапа состоит из разных по специализации клеток: кости — из остеоцитов, мышцы — из миоцитов, нервные волокна — из нейронов. Все это прикрыто клетками жировой ткани и эпидермисом, состоящим из кератиноцитов. Специализации всех этих клеток приобретены еще на этапе эмбрионального развития и записаны в их генетическом профиле. Чтобы восстановить утерянную конечность, нужно, чтобы появилось большое количество клеток, которые могли бы заново приобрести ту или иную специализацию и занять свое место в «постройке». Такими свойствами обладают только «юные» стволовые клетки.
Так вот: у низших рыб, амфибий и отчасти рептилий в месте ампутации образуется так называемая бластема — объем энергично размножающихся незрелых клеток, которые затем приобретают специализацию и формируют все необходимые ткани и структуры.
А у высших животных и человека образуется не бластема, а фиброзная ткань, закрывающая место повреждения шрамом (рубцом).
То, каким путем идет регенерация, определяется экспрессией генов. Известно, что способность к регенерации угасает по мере усложнения организмов. Было высказано предположение, что эти процессы определенным образом связаны. Дальнейшие исследования это подтвердили.
Были обнаружены гены, от которых зависит способность к регенерации конечностей. Но они же подавляют развитие мозга. Точнее, тех его структур, благодаря которым возможна высшая нервная деятельность. То есть, в процессе эволюции был совершен обмен — развитие мозга привело к утрате способности к регенерации. Или наоборот — утрата способности к восстановлению конечностей позволила развиваться конечному мозгу.
Гены, отвечающие за регенерацию, носят название Ras-dva1 и Ras-dva2. Они оба есть у рыб и амфибий, у рептилий и птиц обнаруживается уже только ген Ras-dva2, а у более высокоразвитых форм жизни нет ни одного из них.
Вот так. Или умный, или с отрастающими конечностями. Но, быть может, с этим можно что-то сделать? Не поменять мозг на новую руку, а как-то обмануть клетки и заставить их вести себя так, как они вели бы себя у лягушки или ящерицы?
Возможна ли регенерация у человека?
Изучение процессов, протекающих в бластеме, показало: основные различия начинаются вскоре после ампутации, когда уже прекратилось кровотечение и поверхность раны стала закрываться соединительной тканью.
При эпиморфозе на этой стадии начинается процесс гистолиза — воздействия на клетки специальными ферментами, которые заставляют клетки «откатиться» в развитии до стадии недифференцированности. То есть происходит превращение обычных клеток в стволовые, для последующей повторной специализации.
Ученые надеются, что если запустить правильную комбинацию работы генов, можно (по крайней мере, теоретически) заставить процессы заживления культи преобразовать в процессы регенерации, то есть вызвать образование стволовых клеток с их последующей дифференциацией в клетки тканей, нуждающихся в восстановлении. Но пока это только гипотеза.
Кроме того, пока непонятно, как заставить клетки выстраиваться в нужном порядке, «в соответствии с проектом» руки или ноги. Для этого придется, видимо, вмешиваться в такие тонкие процессы на молекулярном уровне, что пока это не представляется возможным. Максимум, на что способен человек — заново отрастить ампутированную концевую фалангу пальца, да и то только в том случае, если не была повреждена ногтевая пластина. Кстати, при этом не восстановится отпечаток пальца, как показала практика. Еще одно наблюдение — у детей способность к регенерации существенно выше.
Но это означает, что надежда остается. Когда-нибудь мы все-таки научимся отращивать новые конечности и органы, а пока лучше не подвергать их опасности и беречь от травм.
А вот о том, что касается выращивания зубов взамен утраченных, читайте в отдельной статье: «Как вырастить новые зубы: мечты и реальность».
