Учени са успели да предизвикат бавен растеж на крака при вид възрастни жаби, който не може естествено да регенерира собствените си крайници. Загубеният крак израстват отново в продължение на месеци, предизвикан само от 24-часово излагане на коктейл от пет лекарства, доставян от биореактор. Новите крака са достатъчно функционални, за да позволят усещане и движение.

Описание на проучването е публикувано в Science Advances.

Все още е много рано, но се предполага, че този нов подход потенциално може да бъде приложен към хора със загубени крайници през следващите години и десетилетия. 

Много същества имат способността за пълна регенерация на поне някои крайници, включително саламандри, морски звезди, раци и гущери. Плоските червеи могат дори да бъдат нарязани на парчета, като всяко парче реконструира цял организъм. Хората са способни да затварят рани с нарастване на нова тъкан, а черният ни дроб има забележителна способност да се регенерира до пълен размер след загуба от 50%.

Но загубата на голям и структурно сложен крайник - ръка или крак - не може да бъде възстановена с никакъв естествен процес на регенерация при хора или бозайници - след големи наранявания те се покриват с аморфна маса от белези, предпазвайки ги от по-нататъшна загуба на кръв и инфекция, но и предотвратявайки по-нататъшен растеж.

Стартиране на регенерация

Изследователите от Университета Тъфтс задействат регенеративния процес в африканските жаби Xenopus, като затварят раната в силиконова капачка, която те наричат ​​BioDome, съдържаща копринен протеинов гел, зареден с коктейл от пет лекарства.

Всяко лекарство изпълнява различна цел, включително подтискане на възпалението, инхибиране на производството на колаген, което би довело до белези, и стимулиране на нов растеж на нервните влакна, кръвоносните съдове и мускулите. Комбинацията и биореакторът осигуряват локална среда и сигнали, които отклоняват естествената тенденция за затваряне на пънчето и насочват към регенеративен процес.

Изследователите наблюдават драматичен растеж на тъканите в много от третираните жаби, пресъздавайки почти напълно функционален крак.

_{Кредит: Nirosha J. Murugan et al.}

Новите крайници имат костна структура, удължена с характеристики, подобни на костната структура на естествения крайник, богат набор от вътрешни тъкани (включително неврони) и няколко „пръста на крака“ израснаха от края на крайника, макар и без подкрепата на подлежащата кост.

Регенирираният крайник се движи и реагира на стимули като докосване от твърдо влакно и жабите успяват да го използват за плуване във вода, движейки се подобно на нормална жаба.

„Вълнуващо е да видим, че лекарствата, които избрахме, помогнаха за създаването на почти пълно функционален крайник“, заявява Нироша Муруган (Nirosha Murugan), водещ автор на статията. „Фактът, че е необходимо само кратко излагане на лекарствата, за да се задейства едномесечен процес на регенерация, предполага, че жабите и може би други животни може да имат латентни регенеративни способности, които могат да бъдат задействани."

В рамките на първите няколко дни след лечението изследователите откриват активирането на известни молекулярни пътища, които обикновено се използват в развиващия се ембрион, за да помогнат на тялото да се оформи.

Активирането на тези пътища може да позволи тежестта на растежа и организацията на тъканта да се поеме от самия крайник, подобно на това което се случва в ембриона, вместо да изисква постоянна терапевтична интервенция през периода, необходим за растежа на крайника.

Как работи BioDome

Животните, естествено способни да се регенерират, живеят предимно във водна среда. Първият етап на растеж след загуба на крайник е образуването на маса от стволови клетки в края на пънчето, наречена бластема, която се използва за постепенно възстановяване на изгубената част от тялото. Раната бързо се покрива от кожни клетки в рамките на първите 24 часа след нараняването, защитавайки реконструиращата тъкан отдолу.

„Обикновено нараняванията на бозайниците и другите регенериращи се животни ще бъдат изложени на въздух или в контакт със земята и може да са нужни дни до седмици, за да се затворят с белези“, обяснява Дейвид Каплан (David Kaplan), професор по инженерни науки в Университета Тъфтс, съавтор на изследването. „Използването на капачката BioDome през първите 24 часа помага да се имитира среда, подобна на амниотична, която, заедно с правилните лекарства, позволява на процеса на възстановяване да протича без намеса на белези.“

_{Кредит: Nirosha J. Murugan et al.}

Следващи стъпки при жаби и бозайници

Предишна работа на екипа на Университета Тъфтс показва значителна степен на растеж на крайниците, предизвикан от едно лекарство, прогестерон, с BioDome. Въпреки това, полученият крайник нараства като шип и е далеч от по-нормално оформения, функционален крайник, постигнат в настоящото изследване.

Коктейлът с пет лекарства представлява значителен етап към възстановяването на напълно функционалните крайници на жаба и предполага, че по-нататъшното изследване на комбинациите от лекарства и растежен фактор може да доведе до регенерирали крайници, които ще са по-функционално завършени, с нормални пръсти, сухожилия и по-детайлни скелетни и мускулни характеристики.

„След това ще тестваме как това лечение може да се приложи към бозайници“, съобщава съавторът Майкъл Левин (Michael Levin), професор по биология в Университета Тъфтс.

„Покриването на отворената рана с течна среда под BioDome, с правилния лекарствен коктейл, може да осигури необходимите първи сигнали за задвижване на регенеративния процес“, отбелязва Левин. "Това е стратегия, фокусирана върху задействането на спящи, присъщи програми за анатомично моделиране, а не микроуправление на сложния растеж, тъй като възрастните животни все още имат информацията, необходима, за да направят структурите на тялото си."

Nirosha J. Murugan, Hannah J. Vigran, Kelsie A. Miller, Annie Golding, Quang L. Pham, Megan M. Sperry, Cody Rasmussen-Ivey, Anna W. Kane, David L. Kaplan, Michael Levin. Acute multidrug delivery via a wearable bioreactor facilitates long-term limb regeneration and functional recovery in adult Xenopus laevis. Science Advances, 2022; 8 (4) DOI: 10.1126/sciadv.abj2164

Scientists regrow frog's lost leg, Tufts University