Американская военная броня лучше, чем когда-либо прежде, предназначена для защиты солдат на поле боя от гибели. Хотя это резко снизило количество потерь американских солдат в войнах в Ираке и Афганистане, тысячи солдат возвращаются в Штаты с серьезными ожогами, отсутствующими конечностями и другими изнурительными травмами. Чтобы улучшить возможности лечения ветеранов, Пентагон недавно объявил о своем плане выделить 250 миллионов долларов на исследования по регенерации человеческой кожи, ушей и мышц для раненых солдат. Часть этого финансирования также пойдёт на создание Института регенеративной медицины вооруженных сил, который, среди прочего, будет заниматься регенерацией человеческих конечностей.
Регенерация конечностей не означает выращивание рук и ног в пробирках; вместо этого это означает, что человек действительно отрастит конечность. Научные данные показывают, что у людей есть потенциал регенерации конечностей в наших генах, но эти гены дремлют в нашем теле. У человеческих эмбрионов, например, в утробе матери могут отрастать зачатки конечностей. А в Цинциннати, штат Огайо, отрос кончик пальца после того, как его случайно отрезали в 2005 году. Но когда вы теряете целую конечность, тело реагирует, покрывая это место раны толстым рубцом для защиты от инфекции.
Чтобы выяснить, как мы можем возродить этот генетический потенциал для регенерации конечностей, исследователи начинают с малого - с мышей. Но им не нужно работать полностью с нуля, чтобы отследить, как организм может что-то вырастить заново. Они смотрят на саламандру как на модель.
Саламандры относятся к семейству земноводных, члены которого хладнокровны и имеют дополнительный кожный покров из перьев или меха. Различные виды саламандр являются либо наземными, либо водными и являются единственными амфибиями с хвостами. Если они потеряют этот драгоценный хвост, саламандры могут отрастить его снова. Это высший класс животных, способных к регенерации частей тела, включая хвост, верхнюю и нижнюю челюсть, глаза и сердце.
Как это относительно простое существо выполняет анатомический фокус в стиле научной фантастики?
Регенерация конечностей Саламандры
Если саламандра вступает в драку, она может отдать свой хвост врагу в качестве защитного механизма. Ведь за несколько недель из него может вырасти новый. Это довольно сложный процесс, но в двух словах, регенерация включает в себя перетасовку клеток в месте раны и присвоение им новой специализации.
В течение первых часов после отрыва части тела клетки эпидермиса саламандры в этой области мигрируют, чтобы покрыть открытую плоть. В последующие дни этот слой клеток постепенно утолщается, образуя апикальный эпителиальный колпачок. Клетки в тканях саламандры, называемые фибробластами, также собираются под этим эпидермальным покрытием. Фибробласты недифференцированы, а это значит, что они могут превращаться в несколько типов клеток, в зависимости от того, какая часть тела нуждается в замене.
После этой начальной фазы бластема развивается из массы фибробластов; бластема в конечном итоге станет замещающей частью тела. Недавно исследователи обнаружили, что экспрессия белка, называемого nAG, запускает рост бластемы. Бластема похожа на массу человеческих стволовых клеток в том смысле, что она может прорастать в различные конечности, органы и ткани. Но как тело саламандры узнает, что нужно заменить? Генетический код бластемы содержит позиционную память о местоположении и типе отсутствующей части тела. Эти данные хранятся в генах Hox в клетках фибробластов.
Пока это происходит, капилляры и кровеносные сосуды регенерируют в бластему. По мере деления и размножения клеток бластемы образовавшаяся масса становится зачатком недифференцированных клеток. Чтобы этот холмик стал полноценной конечностью, хвостом или другой частью тела, он должен получить стимуляцию от нервов. Однако, когда саламандры отбрасывают хвосты, они теряют не только плоть, но и нервы. Это означает, что регенерация нервных аксонов происходит в месте ранения в тандеме с регенерацией тканей, костей и мышц.
Оттуда клетки дифференцируются и создают соответствующую часть тела. Как часть этой позиционной памяти в клетках фибробластов, бластема знает, что должна расти в правильной последовательности, чтобы избежать дефектной регенерации. Например, если саламандра потеряет ступню на лодыжке, бластема разовьется наружу и сформирует ступню, а не целую ногу.
Используя саламандру в качестве чертежа, ученые надеются когда-нибудь создать бластемы из клеток человека. До тех пор наши друзья-амфибии по-прежнему являются правящими регенераторами животного царства.