Webhely-hozzáférési kód

Írja be hozzáférési kódját az alábbi űrlapmezőbe.

Ha Ön Zinio, Nook, Kindle, Apple vagy Google Play előfizető, megadhatja a webhely hozzáférési kódját az előfizetői hozzáférés megszerzéséhez. Webhely-hozzáférési kódja a digitális kiadás Tartalomjegyzék oldalának jobb felső sarkában található.

A vízi lények elveszett végtagjait újratermelő mechanizmusok tanulmányozása hozzájárulhat az áldozatok és még sok más égetéséhez.

Hírlevél

Iratkozzon fel hírlevelünkre a legfrissebb tudományos hírekért

Amint a kétéltűek mennek, az axolotlok nagyon aranyosak. Ezek a szalamandrák egy Mona Lisa félmosolyt és vörös, fodros kopoltyúkat űznek, amelyek partira öltözöttnek tűnnek. Lehet, hogy nem akarja őket a vendéglátóhelyén: Ők is kannibálok. Míg a vadonban ritka, az axolotlék tömegesen keltek ki, és ez egy szalamandra-egyél-szalamandra világ volt. Egy ilyen kemény óvodában fejlődtek - vagy talán meg is maradtak - a megszakadt végtagok újratenyésztésének képessége.

„Regeneráló képességük hihetetlen” - mondja Joshua Currie, a torontói Lunenfeld-Tanenbaum Kutatóintézet biológusa, aki 2011 óta tanulmányozza a szalamandra regenerálódását. és tájékozódás. Heteken belül a régi és az új közötti varrat teljesen eltűnik.

És nem csak a lábak: az Axolotls képes regenerálni a petefészek- és tüdőszövetet, még az agy és a gerincvelő egyes részeit is.

A szalamandra sérülésekből való kivételes visszatérése már több mint egy évszázada ismert, és a tudósok feltárták néhány titkát. Az amputációs helyet lezárja egy speciális típusú héjal, az úgynevezett sebhámmal, majd felépít egy kis szövetet, az úgynevezett blastemát, amelyből kihajtja az új testrészt. De egészen a közelmúltig a sejtek és molekulák finom részletei, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a lábat a semmiből hozzák létre, továbbra is megfoghatatlanok.

Az axolotl óriási genomjának legutóbbi szekvenálásával és összeállításával, valamint a lény génjeinek laboratóriumi módosítására szolgáló technikák kifejlesztésével azonban a regeneráció kutatói készek felfedezni ezeket a részleteket. Ennek során valószínűleg azonosítani fognak olyan szalamandra trükköket, amelyek hasznosak lehetnek az emberi gyógyászatban

A vizsgálatok már megvilágítják az érintett sejteket, és meghatározzák a szükséges kémiai összetevőket. Talán néhány évtized múlva az emberek is újrataníthatják a szerveket vagy a végtagokat. A közelebbi jövőben az eredmények a sebgyógyulás elősegítésének és a vakság kezelésének lehetséges módjait javasolják.

Az emberi regeneráció gondolata az elmúlt évtizedekben „ha” -ból „mikor” -ba fejlődött - mondja David Gardiner, az Irvine-i Kaliforniai Egyetem fejlesztésbiológusa. "Most mindenki azt feltételezi, hogy ez csak idő kérdése" - mondja. De természetesen még sok a tennivaló.

Szivárvány regenerálás

Egy működő végtagban a sejtek és a szövetek olyanok, mint a zenekari hangszerek: Mindegyik olyan művelettel járul hozzá, mint a kották, egy szimfónia létrehozásához. Az amputáció kakofóniát eredményez, de a szalamandra megrongálhatja a karmester stafétabotját, és visszaállíthatja a fennmaradó szövetet rendre - és egészen a szimfónia első tételéig, amikor először növeltek egy végtagot az embrióban.

Az alapvető lépések ismertek: Ha egy végtagot eltávolítanak, legyen az éhes testvér vagy kíváncsi kísérletező, perceken belül az axolotl vére megalvad. Órákon belül a bőrsejtek megoszlanak és felkúsznak, hogy a sebet hámréteggel fedjék.

Ezután a közeli szövetek sejtjei az amputációs helyre vándorolnak, az élő anyag foltját képezve. Ez a folt, a blastema „az, ahol minden varázslat megtörténik” - mondta Jessica Whited, a Harvard Egyetem regeneratív biológusa tavaly Kaliforniában tartott előadásában. Olyan szerkezetet alkot, mint a fejlődő embrió végtag rügye, amelyből a végtagok kinőnek.

Ez a film az immunsejteket mutatja, amelyek zölden világítanak, és amelyek egy regeneráló axolotl ujjhegyen belül mozognak. A tudósok tudják, hogy az immunsejtek, például a makrofágok elengedhetetlenek a regenerációhoz: Eltávolításukkor a folyamat blokkolódik.

Végül a blastema sejtjei az új végtaghoz szükséges összes szövetké alakulnak, és a megfelelő mintázatban megtelepedve apró, de tökéletes végtagot alkotnak. Ez a végtag ekkor teljes méretre növekszik. Ha minden kész, akkor „el sem tudja mondani, hol történt az amputáció” - mondja Whited Ismeretes Magazin.

A tudósok sok olyan molekuláris eszközt és néhány jegyzetet ismernek, amelyek részt vesznek ebben a regenerációs szimfóniában. De nagyon sok munkát igényelt.

Amikor Currie új postdokusként kezdte Elly Tanakát, a bécsi Molekuláris Patológiai Kutatóintézet fejlesztésbiológusát, arra emlékeztet, hogy csodálkozik: „Honnan származnak a regenerálódáshoz szükséges sejtek?” Fontolja meg a porcot. Ugyanazokból a sejtekből származik-e, mint a fejlődő embrióban, az úgynevezett kondrocitákban, amelyek megmaradnak a végtag csonkjában? Vagy valamilyen más forrásból származik?

Ha többet szeretne megtudni, Currie kitalálta a mikroszkóp alatt az egyes sejtek megfigyelésének módját, ahogy a regeneráció zajlik. Először genetikai trükkel véletlenszerűen jelölte meg a szalámandrában tanulmányozott sejteket egy szivárvány színnel. Aztán, hogy a dolgok egyszerűek legyenek, csak egy ujjhegyet vágott le az alanyoktól. Ezután olyan cellákat keresett, amelyek kilógtak - mondjuk, egy narancssárga cellát, amelyet végül zöld, sárga stb. Színű sejtek tengere vett körül. A végtagok regenerálódásának heteiben nyomon követte ezeket a kiemelkedő sejteket, valamint a színükhöz illeszkedő leszármazottaikat. Megfigyelései, amelyekről a folyóirat számolt be Fejlődési sejt 2016-ban több titkot is megvilágított a regenerációs folyamatban.

Egyrészt a sejt utazás kulcsfontosságú. "A sejtek valóban kiszorítják magukat onnan, ahol vannak, és az amputációs síkra másznak, hogy kialakítsák ezt a blasztémát" - mondja Currie. A sejtek által megtett távolság a sérülés méretétől függ. Új ujjhegy elkészítéséhez a szalamandrák a sérüléstől számított körülbelül 0,2 milliméteren belül a sejtekre rajzoltak. De más kísérletekben, ahol a szalamandráknak csuklót és kezet kellett cserélniük, a sejtek akár fél milliméterről is.

Feltűnőbb módon Currie felfedezte, hogy a blastema kialakulásához való hozzájárulás nem az volt, amire eredetileg számított, és szövetenként változó. "Nagyon sok meglepetés volt" - mondja.

Az embriók porcképződéséhez annyira fontos kondrociták nem vándoroltak a blasztémába (2016 elején Gardiner és munkatársai hasonló eredményekről számoltak be). És bizonyos, a blastemába belépő sejtek - periciták, az ereket körülvevő sejtek - képesek voltak többet előállítani magukból, de semmi mást.

A regeneráció valódi virtuózai a bőr sejtjei voltak, az úgynevezett fibroblasztok és a periskeletalis sejtek, amelyek rendesen körülveszik a csontot. Úgy tűnt, hogy visszafordítják fejlődésüket, hogy mindenféle szövetet képezhessenek az új ujjbegyben, új kondrocitákká és más sejttípusokká alakulva.

Currie meglepetésére ezek a forrássejtek nem egyszerre érkeztek. Az elsők a helyszínen kondrocitákká váltak. A későn érkezők a csontvázat körülvevő lágy kötőszövetekké váltak.

Hogyan csinálják a sejtek? Currie, Tanaka és munkatársai tovább vizsgálták a kötőszöveteket, és megvizsgálták az egyes sejtek által egy regeneráló végtagban be- és kikapcsolott géneket. Egy 2018-ban Tudomány A tanulmány arról számolt be, hogy a sejtek génaktivációs profiljukat átszervezték egy majdnem azonosra, Tanaka szerint a fejlődő embrió végtag rügyeivel.

Az izomnak megvan a maga variációja a regenerációs témában. Az érett izom mind a szalamandrákban, mind az emberekben tartalmaz őssejteket, amelyeket műholdas sejteknek neveznek. Ezek új sejteket hoznak létre, amikor az izmok növekednek vagy javításra szorulnak. Egy 2017-es tanulmányban PNAS, Tanaka és munkatársai megmutatták (vörös ragyogásra késztetett műholdas sejtek nyomon követésével), hogy az új végtagok izomzatának legnagyobb része, ha nem is az egésze,.

Regenerálás receptje

Ha Currie és Tanaka a regenerációs szimfónia hangszereit vizsgálják, Catherine McCusker dekódolja az általuk játszott dallamot vegyi anyagok formájában, amelyek végig tolják a folyamatot. A bostoni Massachusetts Egyetem regeneratív biológusa nemrégiben egyfajta receptet tett közzé egy axolotl végtag létrehozására egy seb helyéből. Ha a három fő követelmény közül kettőt vegyi koktélra cserél, McCusker és munkatársai arra kényszeríthetik a szalamandrákat, hogy új végtagot teremtsenek a végtag oldalán lévő kis sebből, ami további karot ad nekik.

A végtagok regenerálódásának első követelménye a seb jelenléte és a seb hámjának kialakulása. De a tudósok tudták, hogy egy másodperc egy olyan ideg, amely a sérült területre nőhet. Vagy maga az ideg, vagy a sejtek, amelyekkel beszél, olyan vegyi anyagokat gyárt, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a kötőszövet újra éretlen legyen és blastemát képezzen. 2019-es tanulmányukban Fejlődésbiológia, McCusker és munkatársai - egy japán csapat korábbi munkájának vezetésével - két növekedési tényezőt, az úgynevezett BMP-t és az FGF-et használták, hogy teljesítsék ezt a lépést olyan szalamandrákban, akiknek nincs idegük a megfelelő helyen.

A harmadik követelmény az volt, hogy a seb ellentétes oldaláról származó fibroblasztok megtalálják és megérintsék egymást. Például egy kéz amputálásakor a csukló bal és jobb oldalán lévő sejtek találkozhatnak, hogy helyesen mintázzák és orientálják az új kezet. McCuscker ennek a követelménynek a kémiai helyettesítése a retinsav volt, amelyet a szervezet A-vitaminból állít elő. A vegyi anyag szerepet játszik az embriók mintázatának felállításában, és régóta ismert a szövetek mintázatában a regeneráció során.

Kísérletük során McCusker csapata eltávolított egy kis négyzet bőrt a 38 szalamandra felkarjából. Két nappal később, miután a bőr meggyógyult, a kutatók egy apró hasadékot készítettek a bőrön, és belecsúsztattak egy FGF-ben és BMP-ben átitatott zselatin gyöngyöt. Ennek a koktélnak köszönhetően 25 állatban a szövet blastemát okozott - nincs szükség idegre.

Körülbelül egy hét múlva a csoport retinsavat adott be az állatoknak. A környező szövetből érkező egyéb jelekkel összhangban mintagenerátorként működött, és az axolotlok közül hét új karot hajtott ki a seb helyéből.

A recept még korántsem tökéletes: Néhány szalamandrának egy új karja nőtt fel, volt, akinek kettő nőtt, és hárman háromnak, mind ugyanabból a sebfoltból. McCusker azt gyanítja, hogy a zselatin gyöngy a végtag mintázatát ellenőrző sejtek útjába került. A kezdeti sérülés és a seb hámja által kiváltott legfontosabb cselekvések szintén rejtélyesek.

"Érdekes, hogy ezek közül a blokkok közül néhányat viszonylag kevés növekedési tényezővel lehet legyőzni" - kommentálja Randal Voss, a Lexingtoni Kentucky Egyetem biológusa. "Még mindig nem tudjuk teljesen, mi történik az első pillanatokban."

Egyszer volt, hol nem volt

Ha ismernénk ezeket a korai lépéseket, az emberek képesek lennének létrehozni a regenerációs szimfóniát. Az emberek már rendelkeznek a sok hangszerrel, amelyek képesek a hangok lejátszására. "Lényegében ugyanazokat a géneket használjuk, különböző módon" - mondja Ken Poss, a durhami Duke Egyetem Orvosi Központjának regenerációs biológusa, aki a genetikai eszközöknek köszönhetően a regeneráció új fejleményeit írta le 2017-ben. A genetika éves áttekintése.

Lehetséges, hogy a regeneráció olyan képesség volt, amelyet elvesztettünk, mint valami szalamandra. Visszatérve evolúciós múltunkba, az emberek és a szalamandrák közös ősei regenerátorok lehettek, mivel a modern szalamandra legalább egy távoli rokona megtehette. A paleontológusok 300 millió éves kétéltűek kövületeit fedezték fel, amelyek végtagdeformitása általában tökéletlen regenerációval jött létre. Az állatvilág más tagjai, például bizonyos férgek, halak és tengeri csillagok is regenerálódhatnak - de nem világos, ha ugyanazt a szimfóniát használják - mondja Whited.

Valahol a genomjukban "minden állat képes" - mondja James Monaghan, a bostoni Northeastern Egyetem regenerációs biológusa. Végül is rámutat, hogy minden állat embrióként növeszt testrészeket. És valójában az emberek nem teljesen ügyetlenek a regenerációban. Újratermelhetjük az ujjhegyeket, az izomzatot, a májszövetet és bizonyos mértékben a bőrt is.

De nagyobb struktúrák, például végtagok esetében a regenerációs zenénk szétesik. Az emberi testnek napokig kell kialakulnia a bőr egy sérülés miatt, és a kulcsfontosságú sebhám nélkül a regenerációval kapcsolatos reményeink megsemmisülnek, még mielőtt elkezdődne. Ehelyett varasítunk és hegelünk.

"Elég messze van a jövőben, hogy képesek lennénk egy egész végtagot felnevelni" - mondja McCusker. "Remélem, hogy tévedek, de ez az érzésem."

Úgy gondolja, hogy más orvosi alkalmazások sokkal hamarabb érkezhetnek, például az áldozatok megégetésének módjai. Amikor a sebészek bőrátültetést hajtanak végre, gyakran átviszik a bőr felső rétegeit, vagy laboratóriumban növesztett bőrszövetet használnak. De gyakran tökéletlen helyettesíti az elveszetteket.

Ez azért van, mert a bőr az egész testen változik; csak hasonlítsa össze a tenyerén lévő bőrt a vádli vagy a hónalj bőrével. Azok a szövetek, amelyek elősegítik a bőr testhelyzetének megfelelő kialakítását, adott esetben olyan tulajdonságokat nyújtanak neki, mint a verejtékmirigyek és a haj, sok graftnál mélyebben fekszenek. A helyettesítő bőr tehát nem olyan, mint a régi bőr. De ha a tudósok jobb helyzetinformációkkal képesek bőrt létrehozni, akkor az áthelyezett bőr jobban illeszkedik új helyéhez.

Monaghan a maga részéről a retina regenerálásán gondolkodik azoknál az embereknél, akiknek makula degenerációja vagy szemtraumája van. Az axolotlok újratermelhetik retinájukat (bár meglepő módon a lencse regenerálásának képessége csak a kikelésre korlátozódik). Az Északkeleti Egyetem vegyészmérnökével, Rebecca Carrierrel dolgozik, aki a transzplantációkhoz használt anyagokat fejlesztett ki. Munkatársai transzplantációkat tesztelnek sertésekben és emberekben, de az átültetett sejtek többsége haldoklik. Talán néhány további anyag létrehozhat egy regenerációt támogató környezetet, és talán az axolotls javasolhat néhány összetevőt.

Carrier és Monaghan laboratóriumi edényekben kísérletezett az átültetett sertéssejtekkel, és azt találták, hogy nagyobb valószínűséggel maradnak életben és fejlődnek retina sejtekké, ha axolotl retinákkal együtt növesztik őket. Úgy tűnik, hogy a különleges összetevő különálló vegyi anyagkészlet, amely létezik az axolotl-on, de nem disznó-retinán. A Carrier reméli, hogy ezeket az információkat felhasználva kémiai koktélt készít a transzplantáció sikere érdekében. Még a látás részleges helyreállítása is előnyös lenne - jegyzi meg Monaghan.

A genetikai szekvenálásnak és a modern molekuláris biológiának köszönhetően a kutatók továbbra is fel tudják oldani a megújulás számos megmaradt rejtélyét: Hogyan hozza létre a sebhám a regenerációt elősegítő környezetet? Mi határozza meg, hogy mely sejtek vándorolnak blasztémába, és melyek maradnak helyben? Hogyan sikerül a szalamandrának egy új, pontosan megfelelő méretű végtagot növeszteni, nem nagyobbat és nem kisebbet? Ezek a titkok és még sok más rejtve marad Mona Lisa mosolya mögött - legalábbis egyelőre.

Ez a cikk eredetileg itt jelent meg Ismeretes Magazin, független újságírói törekvés az éves áttekintésből. 10.1146/knowable-012920-1