Инновационный биореактор заставил отрасти новую ногу у лягушки

Гладкая шпорцевая лягушка (вид Xenopus laevis).

Гладкая шпорцевая лягушка (вид Xenopus laevis).
Фото Brian Gratwicke/CC BY 2.0.

Возможность вырастить новую функциональную (то есть работающую, а не висящую ниточкой) ногу — заветная мечта миллионов пациентов, переживших тяжёлую травму или ампутацию. Недавно учёные из Университета Тафтса и Гарвардского университета сделали очень важный шаг, который в будущем может снизить количество людей, которые становятся инвалидами.

Исследователи смогли инициировать рост потерянной конечности у взрослых лягушек, которые от природы не способны регенерировать конечности. Для этого им понадобился коктейль из пяти препаратов, нанесённый на силиконовый носимый биореактор. Выполненный в виде купола аппарат герметизирует "эликсир" над культёй всего на 24 часа.

Это краткое однодневное лечение запускает 18-месячный период роста, в ходе которого восстанавливается функциональная нога.

Многие животные, включая саламандр, морских звёзд, крабов и ящериц, обладают способностью к полной регенерации по крайней мере некоторых конечностей. Плоских червей можно даже разрезать на части, каждая из которых затем реконструирует целый организм.

Люди также способны закрывать раны за счёт роста соединительной ткани, а наша печень обладает замечательной способностью регенерировать до полного размера после потери 50% массы. Мы также рассказывали о возможности регенерации конечностей у человека.

Однако потеря большой и структурно сложной конечности — руки или ноги — не может быть восстановлена ​​никаким естественным процессом регенерации у человека или млекопитающих.

Крупные травмы на нашем теле покрываются аморфной массой рубцовой ткани, защищая нижележащие органы и ткани от дальнейшей кровопотери и инфицирования, но одновременно предотвращая возможный рост утраченной конечности.

Запуск регенерации

Исследователи инициировали процесс регенерации у африканских шпорцевых лягушек, закрыв рану силиконовым колпачком, который получил название BioDome. Он содержит гель с белками шёлка, дополненный коктейлем из пяти препаратов.

Все препараты выполняли разные задачи: уменьшали воспаление, замедляли выработку коллагена, который мог бы привести к образованию рубцов, и стимулировали рост новых нервных волокон, кровеносных сосудов и мышц.

Комбинация этих препаратов и биореактора обеспечила изолированную локальную среду и необходимые естественные сигналы, которые склонили чашу весов от тенденции к закрытию культи в сторону регенеративного процесса.

Исследователи наблюдали резкий рост тканей у многих лягушек, подвергшихся такому лечению, что привело к воссозданию почти полностью работающей ноги.

Как сообщают учёные, костная структура новых конечностей была максимально приближена к естественной. В конечностях присутствовали многие необходимые внутренние ткани (включая нервную). Кроме того, из конца лягушачьей конечности вырастали даже несколько "зачатков пальцев", хотя и лишённые костей (пясти и фаланг).

Отросшая конечность двигалась и реагировала на такие раздражители, как прикосновение жёсткой щетины. Лягушки даже могли использовать новые ноги для плавания в воде и двигались при этом так же, как обычные лягушки.

"Тот факт, что для запуска многомесячного процесса регенерации требовалось лишь кратковременное воздействие препарата, заставляет нас предположить, что лягушки и, возможно, другие животные могут иметь дремлющие регенеративные способности, которые можно привести в действие", – отметила первый автор статьи Нироша Муруган (Nirosha Murugan) из Университета Тафтса.

Исследователи изучили механизмы, с помощью которых краткосрочное лекарственное вмешательство может привести к долгосрочному росту конечностей.

В течение первых нескольких дней после лечения они обнаружили активацию известных молекулярных путей, которая обычно наблюдается в развивающемся эмбрионе и помогает телу принять нужную форму.

Активация этих путей может позволить самой конечности справиться с задачей роста и организации ткани, подобно тому, как это происходит у эмбриона. Это помогает избежать постоянного терапевтического вмешательства в течение многих месяцев, необходимых для роста конечности. (Сегодня человек с серьёзными переломами крупных костей конечностей переживает минимум две операции.)

"Млекопитающие и другие регенерирующие животные, как правило, получив травмы, подвергаются воздействию воздуха или соприкасаются с землёй, и их ранам может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель, чтобы закрыться рубцовой тканью, – объясняет соавтор исследования Дэвид Каплан (David Kaplan) из Университета Тафтса. – Использование колпачка BioDome в первые 24 часа помогает имитировать среду, подобную амниотической, что в связке с правильными препаратами позволяет процессу восстановления протекать без вмешательства рубцовой ткани".

Поясним, что амниотическая жидкость окружает плод в чреве матери и является его естественной средой.

Предыдущая работа команды из Тафтса показала значительную степень роста конечностей с использованием BioDome. Тогда использовался всего один препарат — гормон прогестерон. Однако получившаяся конечность была больше похожа на небольшой шип и сильно отличалась от функциональной конечности, полученной в текущем исследовании.

Разработка коктейля из пяти препаратов, позволившего вырастить почти полноценную лапку, представляет собой важную веху на пути к восстановлению полностью функциональных конечностей лягушки.

Также результаты этой работы дарят надежду на то, что дальнейшее изучение комбинаций лекарств и факторов роста подарит человечеству возможность выращивать полноценные конечности с нормальными пальцами и более анатомически верными скелетом и скелетными мышцами.

В дальнейшем учёные будут проверять, как этот способ лечения можно применить к млекопитающим.

Исследование учёных из США было опубликовано в научном журнале Science Advances.

Ранее мы сообщали о том, что российские учёные нашли белок, который может ускорить заживление ран у человека. Также мы рассказывали о том, что сетчатку удалось восстановить с помощью особых "строительных лесов" для фоторецепторов. Кроме того, мы сообщали о том, как протез барабанной перепонки может превратиться в натуральный орган.

Больше удивительных новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".