Американским ученым удалось регенерировать лягушке утраченную лапу

11:01 28 января Киев, Украина

Американские ученые частично отрастили у взрослой лягушки новую концовку на месте утраченной. Приложив к ране после ампутации гидрогель с коктейлем из пяти химических сигналов, им удалось простимулировать у животных регенерацию на следующие полтора года. Благодаря этому лягушке вырастили структурно сложную конечность, к тому же хорошо иннервированную и контролируемую. Своими успехами ученые поделились в статье журнала Science Advances .
 
Фото: Процесс отращивания конечности лягушками. Верхний ряд - нелеченные животные, средний - лечены прикладыванием только гидрогеля, нижний - лечены гидрогелем с коктейлем сигнальных веществ. Murugan et al. / Science Advances, 2022
 
Что предшествовало открытию?

Среди позвоночных животных существа, которые могут восстанавливать утраченные части тела. Пожалуй, наиболее известны из них рептилии, такие как ящерицы, которые способны отбрасывать и отращивать свой хвост (подобную регенерацию также обнаружилиу аллигаторов). Но если говорить о млекопитающих, к которым принадлежит и человек, то возможность отрастить часть тела приближается к нулю. Между тем это не останавливает ученых, стремящихся найти способ регенерации конечностей у людей. Группа ученых из Университета Тафтса, которая ищет возможность отращивания потерянных ног, принадлежит к их числу. Они заметили, что в большинстве успешных экспериментов их предшественников использовали в качестве модели организмы, естественно наделенные способностью к регенерации. Это ограничивает возможность транслировать результаты на млекопитающих, в том числе людей с низкой способностью к регенерации. Поэтому в новой работе ученые решили инициировать отращивание новой конечности у животных, более похожих на нас в этом плане.

Кого избрали для исследования регенерации?

Внимание обратили на амфибий Xenopus laevis – распространенный в биомедицинских исследованиях вид лягушек. На стадии головастика они могут восстановить большинство своих тканей и даже задние конечности, но со временем постепенно теряют это умение. Как у млекопитающих, у взрослых X. laevis мало плюрипотентных стволовых клеток и с возрастом регенеративная способность снижается еще больше, подобно ограничению возможности отрастить кончик пальца у людей при взрослении.

Ученые занялись поиском химических веществ, которые могли бы простимулировать восстановление ампутированной конечности взрослого животного. В предварительном исследовании они выяснили , что в значительной степени этому способствует гормон прогестерон, однако говорить о полноценном отращивании конечности не приходилось. Поэтому в новой работе они применили целый коктейль из пяти химических сигналов, которые должны стимулировать регенерацию конечности. В него входили: BDNF, который может способствовать восстановлению нервов; гормон роста, что улучшает скорость и способность к регенерации; 1,4-DPCA, препятствующий чрезмерному разрастанию фиброзной ткани; резолвин D5, проявляющий противовоспалительные свойства; ретиноевая кислота, метаболит витамина А, чья весомая роль в развитии конечностей позвоночных давно установлена.

Смесь активных веществ погрузили в предварительно разработанные силиконовые емкости с протеином шелка в виде гидрогеля, названные учеными BioDome. Такие устройства прикрепили на 24 часа к ране на месте ампутации задней конечности части из 115 испытуемых лягушек. Другим животным прикрепили такие же устройства, но с самим гидрогелем без медикаментов, третьих вообще оставили без всякого лечения. Следовательно, за испытуемыми наблюдали в течение 18 месяцев.

Что отросло у лягушек за время наблюдения?

У животных из всех трех групп за время исследования наблюдалось разрастание мягких тканей, однако между ними были отличия. Так, лягушки, которые обработали коктейлем веществ, уже через две недели после лечения имели более сложную структуру тканей, чем у других. Конечности животных, к которым прикладывали BioDome с лекарством и без них, к 6-8 месяцам отрастали подобно. Однако начиная с 9 месяца у обработанных коктейлем веществ лягушек регенерация начала идти качественнее, с образованием более длинных и более сложных конечностей, которые похожи на потерянные, в частности с похожими на фаланги структурами.

Также лекарство способствовало активному росту костной ткани, но интересно примерно на 12 месяца ученые наблюдали прерывание образования костной ткани в одинаковом месте у всех этих животных — примерно там, где бедренная кость соединяется с берцовой, если сравнивать с другой, сохраненной задней конечностью. Это свидетельствует о том, что регенерация кости саморегулируется с учетом таких анатомических границ как суставы. Похожей фрагментации новообразованной кости не обнаружили у лягушек, не получавших лечебной смеси.
 
 
Фото: Компьютерная томография книг нелеченного животного (слева) и леченного химическим коктейлем (справа). / Science Advances, 2022
 
Стимулирующий коктейль также обеспечил лучшую иннервацию отращенной конечности. У них обнаружилась такая же чувствительность к прикосновениям, которая проявлялась отдергиванием лапы, как и у лягушек без ампутации. Этими новыми лапами лягушки могли двигать и пользовались, чтобы помогать себе ориентироваться и плавать.

Исследование регенерации на тканевом и клеточном уровнях указало на несколько потенциально важных для инициации возобновления процессов. Одним из первых отличий между лягушками трех групп было заживление ран. У животных, к которым прикладывали гидрогель, затяжка раны происходила гораздо медленнее и менее активно. У нелеченных животных уже через несколько дней после ампутации началось затягивание краев раны внутрь, тогда как у других даже через две недели эпителиальная ткань не покрыла рану, в которой к тому же более интенсивно происходило разрастание кровеносных сосудов. Причем лягушки, у которых рана была самой большой, впоследствии лучше отращивали новую конечность. Ученые предполагают, что большая рана позволяет развиться большей или более плотной бластеме - скоплению клеток, способных к регенерации органов и частей тела. 
 
Фото: Длина мягких тканей лягушек в трех группах. Murugan et al. / Science Advances, 2022

Таким образом, авторы показали, что такое короткое, всего 24 часа, влияние смеси химических сигналов имеет длительный эффект, который прослеживается более года. При этом он не полагается на генную терапию, использование стволовых клеток или другие сложные подходы. Но ученые отмечают, что в дальнейшем следует усовершенствовать потенциальную терапию, которая имеет несколько недостатков. Среди них — длительное время регенерации, неполное воспроизведение нормальной анатомии конечности и не понятно, удастся ли результаты воспроизвести у людей. Ученые говорят, что для поиска ответов следующим шагом должна являться проверка метода регенерации на млекопитающих.