Регенерация покровных тканей без шрамов возможна у млекопитающих

Рис. 1. Ушки мышей с проколотыми дырочками в первый день и после 28 дней

Рис. 1. Вверху: ушки мышей с проколотыми дырочками в первый день и после 28 дней. Слева — обычные мыши (WT), справа — гомозиготные линии мышей p21−/−, у которых в покровных тканях не синтезируется белок p21; видна высокая степень регенерации тканей во втором случае. Внизу на графике показано изменение площади прокола в процессе заживления. У мышей p21−/− (пунктирная линия) площадь прокола сокращается существенно быстрее и с лучшим результатом, чем у обычных мышей (сплошная линия). Рисунок из обсуждаемой статьи в Genes & Development

Американские ученые разобрались в деталях работы связки регуляторных генов и соответствующих белков во время заживления ран кожных покровов и подкожных тканей. Эксперименты проводились на мышах, но так как в данном случае задействованы консервативные гены, то результаты, вполне возможно, приложимы и к человеческой медицине. Ученые доказали, что возможна регенерация без образования рубцов, объяснили и показали, как можно достигнуть подобного результата.

Группа ученых из медицинской школы Стэнфордского университета изучала процесс регенерации тканей после ранений в зависимости от присутствия белка p21 — ингибитора циклин-зависимой киназы 1А (его также называют CDKN1A — cyclin-dependent kinase inhibitor 1A). Известно, в частности, что этот белок играет значимую роль в формировании клеточного ответа на повреждение ДНК и в регуляции клеточного цикла. О других его функциях и регуляторных каскадах с его участием пока известно немного. Интересной с точки зрения клинических возможностей является высокая экспрессия гена этого белка в местах заживления ран: прежде было продемонстрировано на мышах, кроликах и кошках, что ингибирование или отсутствие p21 приводит к быстрой регенерации тканей ушей без образования рубцов.

И вот теперь ученые провели многоплановые исследования, показав, как именно работает этот белок в местах повреждений. У мышей в ушках прокалывали круглые дырочки диаметром 2 мм и в течение месяца регистрировали скорость их зарастания, состояние клеток разных типов, судьбу отдельных клеточных линий, а также уровень экспрессии генов, связанных так или иначе с p21.

Как и ожидалось, у тех мышей, у которых в коже белок p21 не синтезировался (мутантная линия), заживление и регенерация повреждения протекали существенно быстрее (рис. 1). Но это еще не всё. За месяц восстановился в известном объеме хрящевой прослой под кожей, а также появились и кровеносные капилляры. Вопреки известным представлениям о ходе заживления, клетки соответствующих тканей формировались не из неспециализированных стволовых клеток, а за счет созревания клеток-предшественников каждой из тканей. Иными словами, клетки кожи образуются из клеток-предшественников кожи, клетки хряща — из предшественников хондроцитов (рис. 2).

Рис. 2. Образование слоя хондроцитов в месте повреждения уха

Рис. 2. Образование слоя хондроцитов (зеленый слой, обозначен красной стрелкой) в месте повреждения уха. Показан поперечный срез тканей, тонкий пунктир — граница прокола, справа на каждом кадре — текущая граница регенерации тканей. У мышей дикого типа (левая колонка кадров) хондроциты не появились, а у линий p21−/− сформировался слой хряща. Внизу — количественные оценки числа хондроцитов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Genes & Development

Развитие каждого типа клеток на своем месте, определенном окружающими биохимическими условиями, обеспечило восстановление тканевой структуры. Также в ходе заживления не сформировался обычный рубец и на месте заросшей дырочки не появился шрам. Всё это не похоже на обычный процесс заживления, когда на месте повреждения вместо первоначальной гистологической архитектуры образуется толстая фиброзная ткань. Как такое могло получиться?

Обычно вместе с белком p21 в регенерирующих тканях появляется фактор SDF-1 (stromal cell-derived factor 1). Его производят кератиноциты в местах повреждения. Он, связываясь с рецептором Cxcr4 в лейкоцитах, регулирует миграцию и мобилизацию лейкоцитов к месту повреждения, где они обеспечивают рост фиброзной ткани. Таким образом, связка SDF-1 и Cxcr4 приводит к образованию рубцов в различных тканях (легких, печени, сердце). А вот в мышиных линиях p21−/−, у которых белок p21 не синтезировался, количество SDF-1 и, соответственно, Cxcr4 резко уменьшено. Из этого можно заключить, что в местах повреждения присутствие белка p21 усиливает синтез SDF-1.

Этот вывод проверили с помощью генетических маркеров (измерили количество матричных РНК SDF-1) в местах повреждений ушей у обычных мышей и мышей линий p21−/−. Также проверили, что произойдет, если в нормальных кератиноцитах выключить р21 тем или иным способом, например связать химически. В этом случае SDF-1 тоже перестает синтезироваться. Также ранее было известно, что p21 действует совместно, как кофактор, с транскрипционным фактором C/EBPα. В обсуждаемых экспериментах ученые проверили и это: подавление C/EBPα вызывает снижение ответного синтеза SDF-1.

Таким образом, вырисовывается схема действия факторов регенерации — или, скорее, факторов, препятствующих регенерации (рис. 3). Отсутствие активности p21 в кератиноцитах отключает образование сигнального комплекса SDF-1 + C/EBPα; в результате к месту повреждения в меньшем количестве мобилизуются лейкоциты, имеющие рецепторы Cxcr4. В результате образование фиброзного рубца сильно замедляется. В отсутствие конкуренции вместо этого активизируются тканевые клетки-предшественники, формируя изначальную (контекстную) структуру тканей.

Рис. 3. Схема каскада, обеспечивающего регенерацию тканей поврежденного уха

Рис. 3. Схема каскада, обеспечивающего регенерацию тканей поврежденного уха: слева — у нормальной мыши, справа — у мыши линии p21−/−. Рисунок из обсуждаемой статьи в Genes & Development

Раз происходит такая удачная регенерация, то возникает естественное желание лечить повреждения кожи с помощью манипулирования биохимической активностью участников этой схемы. Ученые продемонстрировали такую возможность. Они использовали ингибитор фактора Cxcr4 — хорошо известный ADM-3100, который применяется для лечения некоторых типов рака и ВИЧ-инфекций. При обработке проколов препаратами ADM-3100 в течение недели (как выяснилось в экспериментах, этого срока достаточно) зарастание уха шло существенно скорее, чем у контрольной группы мышей (рис. 4). Рубцы не появились, зато, согласно схеме, стал формироваться хрящевой прослой.

Рис. 4. Сравнение проколов в ушках мышей без лечения и с местной обработкой прокола препаратом ADM-3100

Рис. 4. Сравнение проколов в ушках мышей без лечения и с местной обработкой прокола препаратом ADM-3100. Слева — фото результатов зарастания проколов без лечения (левое фото) и с лечением, справа — график с динамикой зарастания прокола с лечением (пунктир) и без него. Видно, что восстановление ткани при лечении идет в два раза быстрее и эффективнее. Рисунок из обсуждаемой статьи в Genes & Development

Авторы предполагают, что на основе открытого механизма с помощью как ADM-3100, так и других сопряженных веществ можно лечить сложные кожные экземы — хотя перспективы клинического использования этой схемы существенно шире. При этом они обсуждают различные вариации работы выявленного каскада в зависимости от типа тканей и типов повреждений, фокусируя внимание на очевидном тканеспецифичном контексте ее активности.

Источник: Thomas H. Leung, Emily R. Snyder, Yinghua Liu, Jing Wang, and Seung K. Kim. A cellular, molecular, and pharmacological basis for appendage regeneration in mice // Genes & Development. 2015. V. 29. P. 2097–2107.

Елена Наймарк


22
Показать комментарии (22)
Свернуть комментарии (22)

  • PavelS  | 02.12.2015 | 02:28 Ответить
    Возможно невнимательно читал, но зачем же в природе нужен такой ген, который мешает?
    Ответить
    • protopop > PavelS | 02.12.2015 | 05:22 Ответить
      >>зачем же в природе нужен такой ген, который мешает?<<
      Присоединяюсь к вопросу.
      Ответить
      • chech > protopop | 02.12.2015 | 07:41 Ответить
        "Известно, в частности, что этот белок играет значимую роль в формировании клеточного ответа на повреждение ДНК и в регуляции клеточного цикла."

        Только не написано, положительна эта роль или отрицательна.
        Ответить
      • Nycticorax > protopop | 02.12.2015 | 20:12 Ответить
        Понятие "мешает" возможно только при чётком понимании пользы.
        Насколько можно судить по наблюдаемой картине - эффективная регенерация тканей и органов по каким-то причинам не поддерживается эволюцией - по мере усложнения и развития позвоночных они последовательно теряли регенеративные способности.
        Вообще, как мне представляется, можно предположить тенденцию по мере усложнения организмов заменять "травматическое" выживание - поведенческим. То есть, видимо, организму эффективнее развивать более сложные поведенческие механизмы, позволяющие избежать травмы, нежели поддерживать особенности более эффективно устраняющие последствия травмы уже полученной.
        Ответить
        • RomTV > Nycticorax | 02.12.2015 | 20:45 Ответить
          Но почему нельзя совместить и то и другое?
          Ответить
          • Вячеслав Рогожин > RomTV | 03.12.2015 | 11:55 Ответить
            Как было показано в одной из статей по мутациям, эффективность восстановления ДНК у одноклеточных эукариотов на порядки выше, чем у млекопитающих. Возможно, обеспечивается она у одноклеточных как раз за счет тех механизмов, что, увы, вредят регенеративной функции - в результате чего за сотни лет баланс сместился как раз в сторону регенерации, было найдено некоторое равновесие меж одним и другим. Но есть и другая возможность: если эти два механизма невзаимосвязаны, то все дело в темпах эволюции. В результате и отбор шел с одной стороны, в сторону вариабельности генома (а "почти совершенные" в плане восстановления свойств ДНК одноклеточные эукариоты так и остались одноклеточными), а с другой - для вариабельности надо, чтобы "отработанный материал", размножившись прежде, дох с хорошей динамикой. Посему слишком быстро регенерирующие и долгоживущие "супермены" вели к закату всей популяции перед лицом больших угроз, в условиях конкуренции с более вариабельными соседями. Не исключено и наложение одного механизма на другой - особенно с учетом того, что этот белок все же участвует в восстановлении ДНК (правда, я не въехал, как)
            Ответить
      • ghost_in_machine > protopop | 02.12.2015 | 21:50 Ответить
        Потому что нужно поддерживать баланс, подобно регулятору громкости. Только тишиной у нас является онкология, а музыкой регенерация. Рак без сомнения воспользуется механизмом, если клетке взрослого организма легко активировать процесс делиться в ответ на такую ерунду как прокол уха. Вот оно все и заблокировано 3-4 каскадами проверки, действительно ли все так безнадежно что бы давать опухолям зеленый свет. А с дыркой в ухе (в отличие о саркомы) жить можно долго и вполне счастливо.
        Ответить
        • RomTV > ghost_in_machine | 06.12.2015 | 14:02 Ответить
          Ну да, в пользу такой гипотезы как раз недавно еще одно.исследование было опубликовано: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4657621/
          Ответить
    • jeerom > PavelS | 02.12.2015 | 07:34 Ответить
      Вызывает миграцию лейкоцитов к месту повреждения.
      Вероятно не в клинических условиях у мыши без него будет больше шансов погибнуть от инфекции, чем дождаться регенерации ткани?
      Ответить
      • RomTV > jeerom | 02.12.2015 | 10:12 Ответить
        Это все-равно не дает удовлетворительного ответа: почему бы этому гену не контролировать целостность ДНК и не привлекать лейкоциты, но при этом и не мешать полноценной регенерации? Меня всегда беспокоил этот вопрос, зачем в ходе эволюции позвоночных терялась эта способность, а ведь саламандры могут!
        Ответить
        • jeerom > RomTV | 02.12.2015 | 11:07 Ответить
          Почему-то у этого гена не получилось таких чудес. Будем надеяться, что получится у других, из числа тех 2%, что отличают нас от ближайшего родственного вида : )
          Ответить
    • naimark > PavelS | 02.12.2015 | 14:43 Ответить
      у этого гена множество функций. Если его вообще нет, то эмбрион не развивается. А если он отключается на более поздних стадиях развития, то получается уродцы. вообще, изучение этого гена связано с лечением СПИД и рака. Там не все просто именно из-за его мультифункциональности. Но если его применить локально и на короткое время, то вот результат.
      Меня больше интересовало, когда я читала статью, о возможных долговременных эффектах. В данном случае это важнее - а то как бы "живая вода" не обернулась в конечном итоге "мертвой".
      Ответить
      • Fangorn > naimark | 04.12.2015 | 00:10 Ответить
        "Если его вообще нет, то эмбрион не развивается"
        Что тогда означает "в мышиных линиях p21−/−, у которых белок p21 не синтезировался"?
        "The functional role of p21 has been demonstrated in a p21 knockout mouse, which displays the same range of cellular effects as seen in the MRL mouse and reproduces appendage regeneration in vivo."
        Ответить
        • RomTV > Fangorn | 06.12.2015 | 00:44 Ответить
          Да, меня тоже смутил этот момент и я порылась в описании процесса получения этой линии мышей. Насколько я поняла, речь здесь на самом деле идет о химерах, у которых некоторая часть клеток ( а не все клетки) имеют указанный генетип.
          Ответить
          • RomTV > RomTV | 06.12.2015 | 00:50 Ответить
            А еще очень интересна предыстория. Впервые линия мышей с такой необычной способностью к регенерации была обнаружена случайно в ходе выведения модельной машиной линии совсем для других целей в 1998 г. Этих мышей метили проколами ушей для простоты опознавания индивидуальных особей. И вот тут-то и столкнулись с проблемой, что очень скоро от меток не оставалось и следа )
            Ответить
  • chech  | 02.12.2015 | 07:44 Ответить
    Возникла ассоциация с живой и мёртвой водой из сказок.

    Сначала мёртвая вода (без p21) заживляет раны, потом живая вода (с p21) чинит ДНК
    Ответить
  • olegov  | 02.12.2015 | 13:11 Ответить
    Главный вопрос, который я думаю всех волнует если есть уже рубец. Если удалить рубцовую ткань то можно зарастить его этой методикой без образования шрама, или это только для свежих ран?
    Ответить
  • PavelS  | 02.12.2015 | 13:22 Ответить
    Вообще было бы интересно получить гель для заживления ссадин и порезов. Порезал палец - намазал гелем, всё зажило за день. Было бы круто.
    Ответить
  • sancho  | 02.12.2015 | 14:30 Ответить
    ну если этот гель будет препятствовать дополнительным лейкоцитам, то его можно будет использовать только вместе с бактерицидным пластырем :)
    природе дополнительный рубец не нужен, раз он есть, то это побочный продукт еще какого-то процесса...

    или нужен? чтобы в этом месте уже точно не порвалось...
    на костях же после перелома тоже избыточная заплатка нарастает...
    Ответить
  • Kostja  | 06.12.2015 | 08:32 Ответить
    про такую гипотезу писали
    http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/432122/Spetsializatsiya_ili_regeneratsiya
    Ответить
    • RomTV > Kostja | 06.12.2015 | 08:57 Ответить
      Ух ты, очень интересно, спасибо!
      Ответить
  • glioma  | 02.01.2016 | 17:40 Ответить
    Мне кажется, разобраться во всей биохимической механике человеческого организма, на данном этапе, не хватить всей вычислительной мощности цивилизации. Так что впереди у нас ещё очень долгая дорога до бессмертия (возможного, скорее всего, лишь как цифровое).
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»