Без протезов. Ученые поняли, как отрастить ампутированные конечности

Судя по всему, человек способен регенерировать подобно рыбам и амфибиям. Ученые описали несколько случаев, когда у маленьких детей отрастали кончики ампутированных пальцев, а в суставах ног взрослого обновлялись ткани. Исследователи предполагают — все дело в нескольких генах. Если понять, как их активировать, то в будущем тот, кто лишится конечностей, сможет обзавестись новыми.

На кончиках пальцев

В начале 1970-х годов ученые рассказали историю маленького мальчика — из-за травмы он лишился кончика указательного пальца. Через несколько месяцев недостающая часть отросла. Как оказалось, этот случай не единственный. Такую регенерацию фиксировали и раньше, но лишь в раннем детстве. У взрослых ничего подобного не происходило.

Странный феномен объяснили только в 2013 году. Ученые из университета Нью-Йорка (США) обнаружили в основании человеческого ногтя небольшую группу стволовых клеток. Благодаря им постоянно растут ногти, а в младенческом возрасте возможно восстановление потерянных кончиков пальцев. Однако регенерация происходит, только если остался хотя бы маленький кусочек ногтя.

Дело в том, что после ампутации в эпителии, лежащем под сохранившейся частью ногтевой пластины, активизируются белки Wnt. В случае травмы они привлекают в поврежденную область нервные клетки, которые в свою очередь запускают рост клеток зародышевой соединительной ткани — тех самых, что исследователи обнаружили в основании ногтя. Такие клетки называются мезенхимальными стволовыми. Как правило, они превращаются в кости, сухожилия и мускулы.

В экспериментах американских биологов именно благодаря этому механизму у мышей за пять недель отрастали новые кончики отрезанных пальцев. Если животным ампутировали слишком большую часть и от ногтя почти ничего не оставалось, процесс регенерации не начинался. Правда, позже ученые с этим справились: стабилизировали в основании ногтя содержание белка бета-катенина — он выполняет роль передатчика сигналов между белками Wnt. В результате даже лишившиеся ногтя мыши вновь обрели утраченные пальцы.

Похожий механизм отвечает за регенерацию и у земноводных, отмечают авторы работы. Его наличие у млекопитающих, в том числе у человека, вселяет надежду, что в будущем откроют способ восстанавливать ампутированные конечности.

Откуда уши растут

Два года спустя международная группа ученых заявила: такой способ найден, правда, пока только у мышей. Стимулируя один из генов роста — он обычно активен лишь во время эмбрионального развития, — биологи восстанавливали поврежденные ткани взрослых животных. Причем речь шла не только о кончиках пальцев, но и об ушных раковинах.

В ходе эксперимента исследователи наблюдали за процессами в клетках так называемых MRL-мышей. Эта популяция грызунов появилась в результате скрещивания нескольких крупных подвидов. Ее представители способны регенерировать хрящи и другие ткани тела — как оказалось, благодаря тому, что сразу после ранения или травмы в их клетках активизируются ген роста и связанный с ним белок HIF-1a. У обычных грызунов этот участок ДНК экспрессирует только во время развития зародыша и практически не проявляет себя в работе взрослого организма.

Когда биологи отключали этот ген у MRL-мышей, регенерация прекращалась. А вот обычные грызуны, которым повышали концентрацию HIF-1a в тканях, наоборот, приобретали способность отращивать утраченные части тела. Так, их ушные раковины, после того как ученые отрезали от них большие куски, возвращались в прежнее состояние и даже зарастали шерстью.

То есть, добавив необходимое количество HIF-1a, можно вернуть любые взрослые клетки в состояние, при котором они будут делиться и распространяться по тканям, превращаясь в нужные типы, отмечают авторы работы. Если же найти эффективный способ доставки белка в организм человека, то и он, скорее всего, сможет восстанавливать части тела.

Человек регенерирующий

Впрочем, в организме людей и так возможна регенерация. Это в прошлом году выяснили американские и шведские исследователи, изучая образцы хрящей здоровых добровольцев и пациентов с остеоартритом. При этой болезни у людей повреждаются суставные хрящи и окружающие их ткани.

Измеряя возраст отдельных молекул — коллагена, аггрекана, фибронектина — во внеклеточном веществе хрящей, биологи заметили: чем дальше сустав от позвоночника, тем больше в нем молодых, новообразованных белков. Так, в голеностопе они были моложе, чем в бедренных суставах.

Кроме того, именно в колене и голеностопе ученые обнаружили экспрессию характерных микроРНК, которые раньше находили у других животных с высокими способностями к регенерации — аксолотля и рыбки данио-рерио. Причем в образцах больных остеоартритом их концентрация оказалась в два раза выше, чем в здоровом хряще, а в голеностопе — в два-пять раз больше, чем в плече.

По мнению авторов работы, все это — проявления способности к регенерации, которая частично сохраняется в некоторых суставах. В условиях стресса и разрушения ткани в хрящах человека запускаются те же процессы, что и в ампутированных конечностях амфибий, когда те пытаются отрастить их заново. Чем дальше сустав от позвоночника, тем активнее регенерация. Этим можно объяснить, почему остеоартрит чаще поражает бедренный сустав и редко встречается в голеностопе.

Исследователи считают: вполне вероятно, что поврежденные суставные хрящи можно будет восстанавливать, стимулируя едва заметные процессы регенерации, например, с помощью инъекций определенных микроРНК.