Группа ученых разработала устройство, которое помогает индуцировать частичную регенерацию задней конечности у взрослых особей гладких шпорцевых лягушек (Xenopus laevis) путем «пускового» восстановления ткани на участке ампутации. Их результаты опубликованы в научном журнале Cell Reports и вводят новую модель для тестирования «электролечения» или клеточных стимуляторов.
Разработка устройства для регенерации
«В лучшем случае у взрослых лягушек при ампутации конечности обычно вырастает только малозаметный тонкий хрящевой отросток», – говорит автор исследования Майкл Левин (Michael Levin), сотрудник Алленского центра Дискавери в Университете Тафтса (Allen Discovery Center at Tufts University). «Наша процедура вызвала регенеративный ответ, которого у них обычно никогда не было, что привело к появлению более крупных структурированных придатков. Устройство биореактора вызвало очень сложные последующие процессы, которыми биоинженеры еще не могут управлять напрямую».
Материалы и методы обследования
Ученые с помощью 3D-принтера напечатали биореактор из кремния и наполнили его гидрогелем – упругие шарики из полимеров. Исследователи залили гидрогель гидратирующими белками шелка, которые способствуют восстановлению и регенерации, затем добавили прогестерон. Прогестерон наиболее известен своей ролью в подготовке матки к беременности, но гормон также показал, что он способствует восстановлению нервной ткани, кровеносного сосуда и костной ткани.
Исследователи разделили лягушек на три группы: экспериментальные, контрольные и фиктивные. В экспериментальной и фиктивной группе ученые вшивали устройство к лягушке сразу после ампутации конечности. В экспериментальной группе биореактор высвободил прогестерон на участок ампутации. Во всех случаях они удаляли устройства через 24 часа.
Результаты научной работы
Когда ученые наблюдали за экспериментальной группой лягушек в разные моменты времени в течении 9,5 месяцев, они заметили, что биореактор, похоже, вызывает определенную степень регенерации конечностей, не наблюдаемую в других группах. Вместо типичного слаборазвитого отростка биореактор приводил к образованию почти сформированной конечности, чего не смогла бы создать природная регенерация.
«Устройство биореактора создало благоприятную среду для раны, где ткань могла восстанавливаться, как это было во время эмбриогенеза», – говорит Левин. «Знаменательно, что очень краткое применение биореактора и его полезной нагрузки вызвало рост и формирование тканей на протяжении нескольких месяцев».
Левин с соавторами исследования более подробно изучили регенерированные структуры с использованием молекулярных и гистологических анализов. Они увидели, что в отличие от контрольных и фиктивных групп регенерирующие конечности лягушек, обработанные биореакторами, были более толстыми с более развитыми костями, иннервацией и васкуляризацией. Анализируя видеозапись лягушек, живущих в своих аквариумах, они также заметили, что лягушки могут плавать дольше, чем лягушки без нижней конечности. Секвенирование РНК и анализ транскриптомов показали, что биореактор изменил экспрессию генов в клетках на участке ампутации. Это гены, участвующие в окислительном стрессе, серотонинергической передаче сигналов и активности лейкоцитов.
«То, что мы демонстрируем с помощью этого подхода, говорит, что, возможно, репродукция, обработка в мозге и регенерация ближе, чем мы думаем. Возможно, они разделяют пути и элементы общего – и до сих пор не полностью понятого – биоэлектрического кода».
Лаборатория Левина будет продолжать нацеливать биоэлектрические процессы для индукции регенерации спинного мозга и перепрограммирования опухолей. Они также надеются повторить эксперимент с биореакторами у млекопитающих. Предыдущие исследования показывают, что мыши могут частично регенерировать ампутированные кончики пальцев в правильных условиях, но их жизнь на суше препятствует этому процессу.
Выводы
Левин планирует добавить к устройству датчики для дистанционного мониторинга и оптогенетической стимуляции, которые, как он надеется, улучшат контроль над клетками после травмы.
Авторы другого исследования утверждают, что ученые разработали гидрогель, способный восстанавливать мышцы.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
