Переносной биореактор с гормоном помог лягушкам отрастить лапки после ампутации

Учёные из Университета Тафтса в США совершили прорыв в изучении возможностей регенерации. Команда биологов разработала устройство, благодаря которому лягушки смогли отрастить новые задние конечности на месте ампутированных.

Как известно, некоторые виды животных способны частично или даже полностью восстанавливать повреждённые части тела. Это, к примеру, плоские черви, медузы, некоторые виды рыб и земноводных. Млекопитающие, по всей вероятности, утратили эту суперспособность в своём эволюционном прошлом. Однако есть надежда, что её можно "пробудить", если использовать правильные химические "настройки".

В новой работе роль подопытных досталась гладким шпорцевым лягушкам (Xenopus laevis). По словам биологов, взрослые представители этого вида имеют относительно слабые регенеративные способности. К примеру, если лягушке ампутировать лапку, то на её месте появится не новая конечность, а лишь тонкий хрящевой отросток.

Однако новая разработка помогла животным отрастить после удаления конечностей более крупные, веслообразные структуры с костями, нервами и кровеносными сосудами.

Научная группа под руководством Майкла Левина (Michael Levin) достигла таких впечатляющих результатов благодаря использованию прогестерона. Этот половой гормон, напомним, регулирует многие важные процессы в организме женщин. Известно, что прогестерон по совместительству участвует и в восстановлении после повреждений, а также залечивании ран.

"Мы рассмотрели [в качестве стимулятора регенерации] прогестерон, потому что он способствует "ремонту" и восстановление нервов. Он также модулирует иммунный ответ, чтобы способствовать заживлению, и вызывает повторный рост кровеносных сосудов и костей. Прогестерон может также регулировать биоэлектрическое состояние клеток, что приводит к регенерации и формированию [новых] структур", — поясняет соавтор работы Селия Эррера-Ринкон (Celia Herrera-Rincon).

При помощи трёхмерной печати учёные создали миниатюрный носимый биореактор (основным материалом послужил кремний) и наполнили его гидрогелем на основе протеинов шёлка. Последние представляют собой белковые молекулы, которые получают при химической обработке шёлковых волокон. Протеины шёлка применяются в гидролизованном, то есть водорастворимом, состоянии. Общеизвестно, что они способствует регенерации (именно поэтому такие молекулы часто добавляют в косметические антивозрастные средства).

Подопытных лягушек разделили на три группы – экспериментальную, "фиктивную" и контрольную. Всем им ампутировали задние конечности. Сразу же после этого земноводным из первой и второй группы прикрепили биореактор, который должен был высвобождать гидрогель непосредственно в месте повреждения: у первой группы это был гидрогель с прогестероном, у второй – без него.

Животные носили устройство в течение всего лишь 24 часов после ампутации. Между тем контрольной группе пришлось восстанавливаться после травм самостоятельно.

Биологи наблюдали за лягушками более девяти месяцев. В итоге они установили, что у животных из экспериментальной группы гидрогель с прогестероном усилил регенерацию. Земноводные отрастили конечности, очень напоминающие удалённые лапки. Правда, у них отсутствовали ступни.

Лягушки из "фиктивной" группы, получавшие гидрогель без прогестерона, смогли восстановить вместо ампутированной конечности лишь отросток, но более крупный, чем у контрольной группы.

Затем команда Левина подробнее изучила восстановленные ткани конечностей с использованием молекулярных и гистологических анализов и сравнила их с образцами тканей лягушек из второй и третьей групп. Оказалось, что у земноводных из экспериментальной группы кости задних лапок были более крупные и развитые, а в тканях их лапок присутствовали нервные клетки и кровеносные сосуды.

Анализируя записи с камер, исследователи отметили, что лягушки из "прогестероновой" группы стали лучше плавать в аквариумах, поскольку могли задействовать регенерировавшие конечности.

Секвенирование РНК и анализ транскриптомов показали, что после терапии с использованием гидрогеля с гормоном у лягушек изменилась экспрессия генов в клетках тканей, прилегающих к месту ампутации. В частности, повысилась активность генов, регулирующих процессы окислительного стресса, серотонинергической передачи сигналов и активность лейкоцитов.

В то же время работа некоторых других генов, связанных с передачей сигналов, напротив, была приостановлена. Учёные отметили подавление иммунных реакций и процессов образования рубцов. Иными словами, прогестерон вызвал у лягушек естественную реакцию на повреждение, которая была связана не с затягиванием ран, а с отращиванием новой части тела.

Специалисты отмечают, что прогестерон играет важную роль в процессах эмбрионального развития у человека и других видов. В данном случае гормон также способствовал развитию новых клеток и тканей.

"Биореактор создал благоприятную среду для раны, чтобы ткань могла расти, как это происходит во время эмбриогенеза. Краткосрочное использование биореактора и его "полезной нагрузки" стимулировало рост и формирование тканей в течение месяцев", — отметил Майкл Левин.

Селия Эррера-Ринкон добавляет, что не так давно была открыта новая функция прогестерона, связанная с работой мозга. Дальнейшие работы по изучению механизмов действия этого гормона помогут больше узнать о его скрытом потенциале.

"Как при репродукции, так и в недавно открывшейся роли в функционировании мозга, действие прогестерона локально или специфично для тканей. Возможно, процессы, связанные с репродукцией, работой мозга и регенерацией, ближе, чем мы думаем. Возможно, они имеют пути и элементы общего, пока не вполне понятого, биоэлектрического кода", — полагает исследовательница.

Майкл Левин сообщил также, что в новой работе его команда начала использовать более сложные "коктейли" для биореакторов. Согласно предварительным данным, они ещё эффективнее усиливают регенерацию, вплоть до того, что у лягушек отрастают практически полноценные лапки с частичным формированием пальцев. Впрочем, эта работа ещё не завершена и не опубликована ни в одном рецензируемом научном издании, пишет New Scientist.

Конечная цель биологов – создание систем, которые в один прекрасный день помогут восстанавливать ампутированные конечности не только животным, но и людям. Но, по словам Левина, ещё предстоит проделать очень большую работу. Так, нужно найти подходящие химические вещества и сконструировать оптимальное устройство для их подачи, а также провести испытания с различными модельными млекопитающими.

"Ваше тело знает, как создать конечность – это происходит во время эмбрионального развития", — говорит учёный.

По его мнению, не исключено, что такой процесс человеческий организм может повторить, а зависит это от эффективности стимуляции.

"Мы будем использовать модель биореактора в качестве новой платформы для обнаружения контрольных точек "главного регулятора" [регенерации], активируемого лекарствами, чтобы после очень короткого лечения вызывать долгосрочные процессы роста и ремоделирования тканей, а также [создавать] другие факторы, которые поддерживают весь процесс регенерации", — заключил Левин.

Более подробно об этом увлекательном исследовании рассказывается в статье, опубликованной в журнале Cell Reports.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как секрет регенерации гекконов поможет в лечении травм спинного мозга и какие знания о генах помогут научить людей заново отращивать голову.

Также исследователи установили, что способность восстанавливать утраченные части тела животные приобрели более 300 миллионов лет назад.