Вскоре после травмы хвоста киллифишам оставшаяся ткань должна знать, насколько сильно повреждено тело. Затем эта ткань должна привлечь нужное количество клеток восстановления к месту повреждения на нужное время. Обнаружение повреждений, привлечение клеток восстановления и синхронизация каким-то образом должны работать вместе, чтобы отрастить хвост заново. Автор: Stowers Institute for Medical Research
Спонтанные травмы, такие как потеря конечности или повреждение спинного мозга, не поддаются лечению у людей. Тем не менее, некоторые животные обладают исключительной способностью к регенерации после травмы, ответ, который требует точной последовательности клеточных событий. Теперь новое исследование Института медицинских исследований Стоуэрса раскрыло критический временной фактор — в частности, как долго клетки активно реагируют на травму, — участвующий в регуляции регенерации.
Недавнее исследование, опубликованное в iScience 20 сентября 2024 года, было направлено на то, чтобы понять, как именно организм узнает, сколько ткани было потеряно после травмы. Под руководством бывшего научного сотрудника-докторанта Аугусто Ортеги Гранилло, доктора философии, в лаборатории президента и главного научного сотрудника Стоуэрса Алехандро Санчеса Альварадо, доктора философии, группа исследовала, как африканские киллифи правильно восстанавливают свой хвостовой плавник после повреждения.
Анализируя динамику тканей во время восстановления, они обнаружили, что помимо известных факторов, включая количество участвующих клеток и их расположение, ключевым фактором также является продолжительность времени, в течение которого клетки участвуют в процессе восстановления.
«Одной из величайших неразгаданных тайн регенерации является то, как организм узнает, что было потеряно после травмы», — сказал Санчес Альварадо. «По сути, исследование указывает на новую переменную в уравнении регенерации. Если мы сможем модулировать скорость и продолжительность времени, в течение которого ткань может запустить регенеративный ответ, это может помочь нам разработать методы лечения, которые могут активировать и, возможно, продлить регенеративный ответ тканей, которые обычно этого не делают».
Вскоре после травмы хвоста киллифиш оставшаяся ткань должна знать, насколько сильно произошло повреждение. Затем эта ткань должна привлечь нужное количество клеток восстановления к месту повреждения на нужное количество времени. Ощущение повреждения, набор клеток восстановления и время каким-то образом должны работать вместе, чтобы отрастить хвост.
«Если животное, способное регенерировать конечности, например хвост, теряет лишь крошечную часть, как оно узнает, что не нужно регенерировать целый новый хвост, а только недостающую часть?» — сказал Санчес Альварадо. Чтобы ответить на этот вопрос, команда исследовала различные места повреждений в хвостовом плавнике киллифиш.
Они обнаружили, что клетки кожи как вблизи травмы, так и в отдаленных, неповрежденных областях запускают генетическую программу, которая подготавливает все животное к репарации. Затем клетки кожи в месте травмы поддерживают эту реакцию и временно изменяют свое состояние, чтобы модифицировать окружающий материал, называемый внеклеточным матриксом.
Ортега Гранилло сравнивает этот матрикс с губкой, которая поглощает секретируемые сигналы из поврежденной ткани, которые затем направляют клетки восстановления к работе. Если сигналы не получены или неправильно интерпретированы, процесс регенерации может не восстановить первоначальную форму и размер хвоста.
«Мы очень четко определили, когда и где — через 24 часа после травмы и во внеклеточном матриксе — транзиторное состояние клеток действует в тканях плавника», — сказал Ортега Гранилло. «Знание того, когда и где искать, позволило нам вносить генетические нарушения и лучше понимать функцию этих состояний клеток во время регенерации».
Чтобы исследовать, передают ли эти различные клеточные состояния информацию внеклеточному матриксу — поддерживающей структуре, окружающей клетки — во время процесса восстановления, исследователи использовали метод редактирования генов CRISPR-Cas9. Они специально выбрали ген, известный своей способностью изменять внеклеточный матрикс, поскольку они наблюдали его активацию в начале реакции регенерации.
Нарушая функцию этого гена, команда стремилась определить его роль в передаче информации от клеток к матриксу во время регенерации.
«Эти модифицированные животные больше не знают, сколько ткани было потеряно», — сказал Ортега Гранилло. «Они все равно регенерировали, но скорость роста ткани была недостаточной. Это говорит нам о том, что, изменяя внеклеточное пространство, клетки кожи сообщают ткани, сколько было потеряно и как быстро она должна расти».
Действительно, скорость и количество ткани, регенерированной у этих генетически модифицированных киллифиш, увеличились независимо от того, была ли травма хвоста легкой или тяжелой. Это открытие открывает возможность того, что состояния клеток, которые изменяют матрицу, увеличивают регенеративный рост. Если бы состояния клеток можно было бы скорректировать, это могло бы стать способом стимулировать более надежную реакцию регенерации.
С эволюционной точки зрения, понимание того, почему некоторые организмы преуспевают в регенерации, в то время как другие, такие как люди, имеют ограниченные регенеративные способности, является движущей силой в области регенеративной биологии. Выявляя общие принципы в организмах с высокой регенеративной способностью, исследователи стремятся потенциально применить эти идеи для улучшения регенерации у людей.
Этот сравнительный подход не только проливает свет на эволюционные аспекты регенерации, но и открывает перспективы для разработки новых терапевтических стратегий в регенеративной медицине.
«Наша цель — понять, как формировать и выращивать ткани», — сказал Ортега Гранилло. «Для людей, получивших травмы или отказавших органы, регенеративная терапия может восстановить функцию, которая была нарушена во время болезни или после травмы».
Среди других авторов: Дэниел Замора, Роберт Шнитткер, Эллисон Скотт, Алессия Сплуга, Джонатан Рассел, Кэролин Брюстер, Эрик Росс, Дэниел Ачимпонг, Нин Чжан, доктор философии, Кевин Ферро, доктор философии, Джейсон Моррисон, Борис Рубинштейн, доктор философии, Аноха Перера и Вэй Ван, доктор философии.
Дополнительная информация: Аугусто Ортега Гранилло и др., Позиционная информация модулирует транзиторные состояния клеток, активированные регенерацией, во время регенерации конечностей позвоночных, iScience (2024). DOI: 10.1016/j.isci.2024.110737
Информация о журнале: iScience
Предоставлено Stowers Institute for Medical Research
