Клеточные источники регенерации

Важным вопросом, касающимся механизмов регенерационного процесса, является вопрос о происхождении клеток, из которых строится новообразующаяся часть тела. Регенерация происходит в уже сформированном организме, где процессы дифференцировки, а во многих тканях и процессы деления клеток ослаблены или прекращены. Каким образом, и из каких клеток в этих условиях возникают структуры регенерата? В литературе указывается на три источника клеток для регенерации.

1. Малодифференцированные клетки, сохранившиеся в ходе эмбриогенеза (стволовые, камбиальные). Имеется в виду, что регенерацию обеспечивают представители тех же популяций стволовых клеток, которые в ходе эмбриогенеза являются предшественниками клеток, формирующих ткани и органы. Предполагается, что небольшая часть стволовых клеток сохраняется в виде резерва во взрослом организме. Действительно, известны случаи регенерации с участием резервных клеток. Однако отчетливо такой способ регенерации продемонстрирован пока только у низших животных — кишечнополостных и червей.

Известно, что у кишечнополостных есть так называемые интерстициальные клетки, расположенные в обоих зародышевых листках поблизости от базальной мембраны. Это резервные камбиальные элементы, которые при регенерации скапливаются вблизи раневой поверхности. Из них могут возникать все остальные типы клеток (например, у гидры — эпителиально-мышечные, нервные, железистые, стрекательные и др.). У плоских червей источником регенерационного материала служат необласты.

Другие случаи участия в регенерации резервных малодифференцированных клеток менее достоверны. В скелетной мускулатуре обнаружены так называемые сателлитные клетки, которые, как предполагают, служат источниками клеток при регенерации.

2. Дедифференцировка и редифференцировка клеток дефинитивных тканей. Один из путей образования новых дифференцированных клеток — это дедифференцировка и последующая редифференцировка. Этот способ хорошо продемонстрирован на примере регенерации конечности хвостатых амфибий и во многих других случаях.

Как уже отмечалось, регенерация конечности идет по типу эпиморфоза. На раневой поверхности образуется конусовидное скопление недифференцированных клеток — бластема, в которой заново дифференцируются скелетные элементы, мышцы, кровеносные сосуды и соединительная ткань. Вопросу об источниках регенерационного материала при восстановлении конечности было посвящено много работ, но до сих пор эта проблема окончательно не решена. Несомненно, в регенерационной бластеме происходит дедифференцировка множества клеток, которые затем участвуют в формировании новых тканей. Весьма вероятно, что дедифференцировка идет не до конца, и каждый тип клеток в ходе редифференциации воспроизводит только самого себя.

3. Трансдифференцировка и метаплазия при регенерации. Еще один путь обеспечения регенерационного процесса — превращение одного типа дифференцированных клеток в другие (трансдифференцировка). Крайний случай трансдифференцировки — метаплазия — состоит в превращении производных одного зародышевого листка в производные другого листка. Такие процессы описаны у ряда беспозвоночных животных — кольчатых червей, немертин, кишечнополостных, а также у асцидий. Так немертина Lineus может полностью восстановиться из переднего участка тела, лишенного энтодермы. При этом клетки кишечника образуются из мезенхимных элементов. Чрезвычайно сильная метаплазия наблюдается при регенерации и бесполом размножении таких сравнительно высокоорганизованных животных, как асцидии. Уже говорилось, что целая асцидия может восстановиться из участка жаберной корзинки — органа эктодермального происхождения. При бесполом размножении асцидий все органы тела могут заново возникать из так называемого эпикарда — выроста кишечника, или из клеток мезенхимного типа.

К метаплазии можно отнести и глубокую трансдифференцировку клеток края колокола медуз, описанную швейцарским биологом Ф.Шмидом. Он установил, что из изолированной поперечнополосатой мускулатуры может возникать гладкая мускулатура, стрекательные, пищеварительные и интерстициальные клетки, а при наличии контактов с энтодермой — и нервные клетки.

Трансдифференцировки, не выходящие за пределы одного зародышевого листка, довольно широко распространены среди позвоночных животных. Классический пример такой трансдифференцировки — восстановление удаленного хрусталика из верхнего края радужной оболочки глаза у взрослого тритона. Этот процесс, получивший название вольфовской регенерации (по имени немецкого анатома Г. Вольфа, описавшего его в 1895 г), в последующем был детально исследован. Было установлено, что вольфовская регенерация начинается с глубокой дедифференцировки клеток края радужки, выбрасывания из них пигментных гранул, повышения содержания РНК и пробуждения способности к митотическим делениям и перемещениям. После того как эти клетки образуют морфологически различимый зачаток хрусталика, в них в нормальной последовательности синтезируются типичные для хрусталика белки — кристаллины, т. е. происходит истинная трансдифференцировка на молекулярном и клеточном уровнях.

У хвостатых амфибий и осетровых рыб удаленная сетчатка может регенерировать из клеток пигментного эпителия и цилиарного зачатка. При этом также происходит глубокая перестройка клеток, пробуждение в них митотических делений, а затем и синтеза белков, специфичных для сетчатки.

У крыс превращение пигментного эпителия в сетчатку возможно только в ранний эмбриональный период. Эта способность исчезает между 16 сутками беременности и рождением. Интересно отметить, что способность эмбрионального пигментного эпителия к дифференцировке в сетчатку является причиной тяжелой эмбриональной аномалии строения глаза — колобомы, возникающей при задержке срастания краев глазной щели в ходе замыкания глазного бокала.

Явления трансдифференцировки отмечены и в ходе регенерации конечности тритона и аксолотля (превращение соединительнотканных клеток в мышечные и мышечных — в хрящевые). Эти данные получены в опытах по пересадке в регенерирующую конечность клеток хряща или мышц, взятых от триплоидных или меченых радиоактивным тимидином животных. Триплоидные или меченые тимидином ядра в обоих случаях были обнаружены и в хряще, и в мышцах регенерата. Эти и подобные им опыты указывают на возможность метаплазии в бластеме регенерирующей конечности.

Большое внимание исследователи уделяют процессам регенерации у высокоорганизованных животных, главным образом млекопитающих. У млекопитающих нет способности не только к регенерации целого организма из его частей, но и к регенерации сложных органов — конечностей, глаз и т. д. Предполагается, что у высокоорганизованных животных регенерационная способность как механизм пассивного способа адаптации снизилась. Но зато выработались и усилились активные способы приспособления, связанные с функцией органов движения, ориентации и с высшей нервной деятельностью. Однако имеются и противники представления о снижении значения регенерационных явлений у высших животных.

Реакция органов и тканей млекопитающих (в том числе и человека) на повреждения сложна и еще далеко не изучена. Это обстоятельство, а также большая прикладная значимость этой проблемы для медицины (травматологии, ортопедии, трансплантологии и т. д.) стимулировали широкие исследования способности к регенерации у млекопитающих и человека. Еще в 20-е годы в нашей стране А. В. Румянцевым были начаты работы по изучению восстановительных способностей клеток и тканей in vivo и in vitro, которые легли в основу современных представлений о механизмах регенерации. В настоящее время установлено, что с помощью различных факторов можно оказывать стимулирующее действие на восстановительные процессы. В этом плане достигнуты значительные успехи в стимуляции регенерации мышечной и печеночной ткани, костей черепа и некоторых других тканей и органов. Ведутся исследования по стимуляции регенерационных способностей сердечной мышцы.

ЛЕКЦИЯ 13