Reģenerācija (bioloģija): kā organismi ataudzē zaudētās daļas

Uzzini reģenerāciju bioloģijā: kā organismi ataudzē zaudētās daļas — no cilmes šūnu lomām līdz tritonu un plakan­tārpu brīnumiem.

Reģenerācija nozīmē, ka organisms ataudzē zaudēto daļu, tādējādi atjaunojot sākotnējo funkciju. Tas ir termins attīstības bioloģijā. Reģenerācija var attiekties gan uz vienkāršiem audu atjaunošanas procesiem, gan uz sarežģītu orgānu vai ekstremitāšu atjaunošanu. Tā ir ne tikai bojājuma seku labošana, bet bieži vien arī precīza struktūras un funkcijas atjaunošana.

Dažādās organismu grupās spēja reģenerēties ir ļoti atšķirīga. Piemēram, tritoni var reģenerēt nogrieztas ekstremitātes, bet zīdītāji parasti to nespēj pilnīgi. Ekstremitāšu reģenerācija visbiežāk norit divos galvenajos posmos: vispirms pieaugušo šūnu dediferencēšanās vai aktivācija līdz cilmes šūnu veida stāvoklim, kas līdzīgs embrionālajām šūnām, un pēc tam šo šūnu dalīšanās un diferenciācija, lai veidotu jaunas struktūras. Šajā procesā svarīga loma ir arī bojājuma vietas mikrovides signāliem un nervu stimulācijai.

Vienkāršāki dzīvnieki, piemēram, plakanās tārpes, var reģenerēties, jo pieaugušo ķermenī saglabājas plašas cilmes šūnu (neoblastu) kopas. Tās migrē uz bojātām ķermeņa daļām, dalās un diferencējas, lai nodrošinātu trūkstošos audus. Citos organismos, piemēram, jūras zvaigznēs vai hidrā, reģenerācija var notikt, pārstrukturējot esošos audus, nevis veidojot lielu blastēmu.

Reģenerācijas veidi un piemēri

• Epimorfoze (blastēmas veidošanās) — bojājuma vietā veidojas šūnu masas (blastēmas), kas dalās un izveido jaunus audus. Tipisks piemērs ir salamandru un akso lotu ekstremitāšu reģenerācija.
• Morfaloze (pārorientēšanās) — esošie audi pārorientējas un pārdiferencējas, lai atjaunotu zaudēto daļu; šādu tipu redz, piemēram, Hydra sugās.
• Kompatējoša reģenerācija — atlikušais audums kompensē funkciju, piemēram, daļēja orgānu atjaunošana aknās.
• Dažos gadījumos organisms izmanto cilmes šūnas, kas saglabājušās pieaugušo audos (piem., plakanajiem tārpiem), citos — pieaugušo audu šūnas dediferencējas un atgūst plastiskumu.

Šūnu un molekulārie mehānismi

Reģenerācijā iesaistīti vairāki līmeņi — šūnu, audu un molekulārie signāli. Galvenie aspekti:

• Dediferencēšanās un blastēmas veidošanās: dažās sugās pieaugušās šūnas zaudē specializāciju un atgriežas proliferatīvā stāvoklī, veidojot blastēmu.
• Cilmes šūnu aktivācija: audu rezerves cilmes šūnas vai progenitoru šūnas migrē uz bojājuma vietu un diferencējas vajadzīgajās šūnu līnijās.
• Molekulārie signāli: šūnu augšanas faktori un signālu ceļi — Wnt, FGF, BMP, Notch, retinoīdi u. c. — regulē proliferāciju, diferenciāciju un ģeometriju. Nervo signāls bieži ir nepieciešams, piemēram, salamandru gadījumā.
• Imūnsistēmas loma: iekaisuma šūnas (it īpaši makrofāgi) var veicināt vai kavēt reģenerāciju — pareiza iekaisuma regulācija atbalsta audu atjaunošanos, bet hronisks iekaisums veicina rētošanos.
• Extraģenētiskā matriksa (ECM) un rētošanās: bieži vien cilvēku un citu zīdītāju ierobežojumi saistīti ar stipru fibrozes reakciju un rētošanos, kas barjerē pilnu reģenerāciju.

Piemēri dzīvnieku pasaulē

• Salamandri un akso loti: var pilnīgi atjaunot kājas, asti, dažkārt arī daļu iekšēju orgānu.
• Plakanās tārpi: spēj atjaunot visu ķermeni no mazas ķermeņa daļas, pateicoties pluripotentām neoblast šūnām.
• Jūras zvaigznes, jūras gurķi: var atjaunot ekstremitātes, dažreiz pat visu ķermeni no atsevišķas zara.
• Daži rāpuļi (piem., ķirzakas): spēj ataudzēt asti, taču jauna aste bieži atšķiras struktūrā no oriģināla.
• Zīdītājiem reģenerācijas iespējas ir ierobežotākas: cilvēkiem aknas spēj atjaunoties līdz noteiktai robežai, bērni reizēm var ataudzēt pirkstu galiņu, un daži žurku pētījumi rāda ierobežotu reģenerācijas potenciālu.

Domājamā un medicīniskā nozīme

Reģenerācijas izpratne ir svarīga gan pamatbioloģijā, gan klīniskajā medicīnā. Pētījumi cenšas:

• izprast, kā atjaunot cilmes šūnu potenciālu zīdītājos;
• attīstīt aknu, sirds vai nervu audu reģenerācijas terapijas;
• izmantot šūnu terapiju, audu inženieriju un bioinženierijas materiālus, lai veicinātu minimālu rētošanos un funkcionālu atjaunošanos;
• izpētīt molekulāros slēdžus (piem., Wnt, FGF), kurus manipulējot iespējams aktivizēt reģenerācijas programmas cilvēku audos.

Ierobežojumi un izaicinājumi

Lai gan daudzi organismi spēj plaši reģenerēties, ir šķēršļi, kas traucē to izmantošanu cilvēku ārstniecībā: rētošanās, atšķirīgi imūnreakciju modeļi, sarežģīta cilvēka orgānu arhitektūra un drošības jautājumi saistībā ar kontrolētu šūnu proliferāciju. Papildus nepieciešami dziļāki molekulārie un ģenētiskie pētījumi, kā arī jaunas in vivo un in vitro metodes (piem., vienšūnu transkriptomika, ģenētiskā manipulācija, organoīdi) reģenerācijas potenciāla novērtēšanai.

Kopsavilkumā: reģenerācija ir daudzveidīgs biologisks fenomens, kas aptver vienkāršu audu atjaunošanu līdz sarežģītai orgānu vai ekstremitāšu atjaunošanai. Sapratne par šūnu uzvedību, signālu ceļiem un mikrovides ietekmi ir ceļš uz iespējamu reģeneratīvās medicīnas attīstību, kas nākotnē varētu ļaut cilvēkiem atjaunot bojātas struktūras ar mazāku rētošanos un labāku funkcionalitāti.

Jautājumi un atbildes

J: Ko attīstības bioloģijā nozīmē reģenerācija?

J: Vai visiem organismiem ir vienādas reģenerācijas spējas?

J: Kāds ir piemērs dzīvniekam, kas spēj reģenerēt nogrieztas ekstremitātes?

J: Kādi ir divi galvenie posmi tritonu ekstremitāšu reģenerācijā?

Jautājums: Kāpēc vienkāršāki dzīvnieki, piemēram, plakanās tārpenes, var reģenerēties?

J: Kā cilmes šūnu kopas ļauj plakantārpiem reģenerēties?

J: Vai zīdītāji var reģenerēt zaudētās ekstremitātes?

Meklēt pēc burta