Американські науковці частково відростили в дорослої жаби нову кінцівку на місці втраченої. Приклавши до рани після ампутації гідрогель із коктейлем з п'яти хімічних сигналів, їм вдалося простимулювати в тварин регенерацію на наступні півтора року. Завдяки цьому жаби виростили структурно складну кінцівку, до того ж добре іннервовану та контрольовану. Своїми успіхами вчені поділилися у статті журналу Science Advances.
Процес відрощування кінцівки жабами. Верхній ряд - неліковані тварини, середній - ліковані прикладанням лише гідрогелю, нижній - ліковані гідрогелем із коктейлем сигнальних речовин. Murugan et al. / Science Advances, 2022
Що передувало відкриттю?
Серед хребетних тварин є істоти, які можуть відновлювати втрачені частини тіла. Мабуть, найвідомішими з них є рептилії, як-от ящірки, які здатні відкидати та відрощувати свій хвіст (подібну регенерацію також виявили в алігаторів). Але якщо говорити про ссавців, до яких належить і людина, то можливість відростити собі частину тіла наближується до нуля. Між тим, це не зупиняє науковців, які прагнуть знайти спосіб регенерації кінцівок у людей. Група вчених із Університету Тафтса, яка шукає можливість відрощування втрачених ніг, належить до їхнього числа. Вони помітили, що у більшості успішних експериментів їхніх попередників використовували як модель організми, які природно наділені здатністю до регенерації. Це обмежує можливість транслювати результати на ссавців, зокрема людей, із низькою здатністю до регенерації. Тому в новій роботі вчені вирішили зініціювати відрощування нової кінцівки у тварин, які більш подібні до нас у цьому плані.
Кого обрали для дослідження регенерації?
Увагу звернули на амфібій Xenopus laevis — поширений у біомедичних дослідженнях вид жаб. На стадії пуголовка вони можуть відновити більшість своїх тканин та навіть задні кінцівки, але з часом поступово втрачають це вміння. Як у ссавців, у дорослих X. laevis мало плюрипотентних стовбурових клітин і з віком регенеративна спроможність знижується ще більше, подібно до обмеження можливості відростити кінчик пальця у людей при дорослішанні.
Науковці зайнялися пошуком хімічних речовин, які могли б простимулювати відновлення ампутованої кінцівки дорослої тварини. У попередньому дослідженні вони з'ясували, що значною мірою цьому сприяє гормон прогестерон, однак говорити про повноцінне відрощування кінцівки не доводилося. Тож у новій роботі вони застосували цілий коктейль із п'яти хімічних сигналів, які комплексно мають стимулювати регенерацію кінцівки. До нього входили: BDNF, який може сприяти відновленню нервів; гормон росту, що покращує швидкість та здатність до регенерації; 1,4-DPCA, який перешкоджає надмірному розростанню фіброзної тканини; резолвін D5, який проявляє протизапальні властивості; ретиноєва кислота, метаболіт вітаміну А, чия вагома роль у розвитку кінцівок хребетних давно встановлена.
Суміш активних речовин навантажили у заздалегідь розроблені силіконові ємкості із протеїном шовку у вигляді гідрогелю, які вчені назвали BioDome. Такі пристрої прикріпили на 24 години до рани на місці ампутації задньої кінцівки частині зі 115 піддослідних жаб. Іншим тваринам прикріпили такі ж пристрої, але із самим гідрогелем без медикаментів, а третіх взагалі залишили без будь-якого лікування. Відтак за піддослідними спостерігали протягом 18 місяців.
Що відросло у жаб за час спостереження?
У тварин із усіх трьох груп за час дослідження спостерігалося розростання м'яких тканин, однак між ними були відмінності. Так, жаби, що їх обробили коктейлем речовин, вже через два тижні після лікування мали складнішу структуру тканин, ніж в інших. Кінцівки тварин, до яких прикладали BioDome з ліками та без них, до 6-8 місяців відростали подібно. Однак починаючи із 9 місяця в оброблених коктейлем речовин жаб регенерація почала йти якісніше, із утворенням довших та складніших кінцівок, які схожі на втрачені, зокрема зі схожими на фаланги структурами.
Також ліки посприяли активному зростанню кісткової тканини, але що цікаво приблизно на 12 місяці вчені спостерігали переривання утворення кісткової тканини в однаковому місці в усіх цих тварин — приблизно там, де стегнова кістка сполучається з гомілковою, якщо порівнювати з іншою, збереженою задньою кінцівкою. Це свідчить, що регенерація кістки саморегулюється з урахуванням таких анатомічних меж як суглоби. Схожої фрагментації новоутвореної кістки не виявили у жаб, які не отримували лікувальної суміші.
Комп'ютерна томографія кніцівок нелікованої тварини (зліва) та лікованої хімічним коктейлем (справа). Murugan et al. / Science Advances, 2022
Стимулювальний коктейль також забезпечив кращу інервацію відрощеної кінцівки. У них виявилася така ж чутливість до дотиків, яка проявлялася відсмикуванням лапи, як і в жаб без ампутації. Цими новими лапами жаби могли рухати й користувалися, щоб допомагати собі орієнтуватися та плавати.
Дослідження регенерації на тканинному та клітинному рівнях вказало на кілька потенційно важливих для ініціації відновлення процесів. Однією з найперших відмінностей між жабами трьох груп було загоювання ран. У тварин, до яких прикладали гідрогель, затягування рани відбувалося значно повільніше й менш активно. У нелікованих тварин уже за кілька днів після ампутації почалося затягування країв рани всередину, тоді як в інших навіть через два тижні епітеліальна тканина не покрила рану, у якій до того ж інтенсивніше відбувалося розростання кровоносних судин. Причому жаби, у яких рана була найбільшою, згодом найкраще відрощували нову кінцівку. Вчені припускають, що більша рана дає змогу розвинутися більшій або щільнішій бластемі — скупченню клітин, здатних до регенерації органів і частин тіла. На це вказує і те, що експресія маркеру утворення бластеми у лікованих коктейлем тварин була ушестеро більша, ніж у нелікованих ним.
Довжина м'яких тканин жаб у трьох групах. Murugan et al. / Science Advances, 2022
Таким чином, автори показали, що такий короткий, усього 24 години, вплив суміші хімічних сигналів має довготривалий ефект, який простежується більш ніж рік. При цьому він не покладається на генну терапію, використання стовбурових клітин чи інші складні підходи. Та науковці наголошують, що надалі слід вдосконалити потенційну терапію, яка має кілька недоліків. Серед них— тривалий час регенерації, неповне відтворення нормальної анатомії кінцівки та й не зрозуміло, чи результати вдасться відтворити у людей. Вчені кажуть, що для пошуку відповідей наступним кроком має бути перевірка методу регенерації на ссавцях.