Группа ученых разработала устройство, которое может вызывать частичную регенерацию задних конечностей у взрослых водных африканских когтистых лягушек (Xenopus laevis) путем «быстрого запуска» восстановления тканей в месте ампутации. Их результаты, опубликованные 6 ноября в журнале Cell Reports, представляют новую модель тестирования «электроцевтики» или клеточно-стимулирующей терапии.
«В лучшем случае взрослые лягушки обычно отрастают только безликие, тонкие, хрящевые шипы», - говорит старший автор Майкл Левин, специалист по биологии развития в Центре открытий Аллена в Университете Тафтса.«Наша процедура вызвала регенеративную реакцию, которой у них обычно никогда не бывает, что привело к более крупным и более структурированным придаткам. Устройство биореактора вызвало очень сложные последующие результаты, которые биоинженеры пока не могут контролировать на микроуровне напрямую».
Учёные напечатали биореактор на 3D-принтере из кремния и наполнили его гидрогелем - липким комком полимеров. Они добавили в гидрогель увлажняющие протеины шелка, которые способствуют заживлению и регенерации, а затем добавили прогестерон. Прогестерон наиболее известен своей ролью в подготовке матки к беременности, но также было показано, что этот гормон способствует восстановлению нервов, кровеносных сосудов и костной ткани.
Исследователи разделили лягушек на три группы: экспериментальную, контрольную и фиктивную. В экспериментальной и ложной группах они пришивали устройство к лягушкам сразу после ампутации конечности. В экспериментальной группе биореактор выбрасывал прогестерон на место ампутации. Во всех случаях они удаляли устройства через 24 часа.
Когда они смотрели на лягушек экспериментальной группы в разные моменты времени в течение 9,5 месяцев, они заметили, что биореактор, по-видимому, запускал степень регенерации конечностей, не наблюдаемую в других группах. Вместо типичной шиповидной структуры обработка в биореакторе привела к образованию веслообразной формы, более близкой к полностью сформированной конечности, чем можно было бы создать при регенерации без посторонней помощи..
«Устройство биореактора создало благоприятную среду для раны, в которой ткань могла расти, как это было во время эмбриогенеза», - говорит Левин. «Очень краткое применение биореактора и его полезной нагрузки вызвало месяцы роста тканей и формирования паттернов».
Левин и его команда более внимательно изучили регенерированные структуры, используя молекулярный и гистологический анализы. Они увидели, что, в отличие от контрольной и имитационной групп, регенерирующие конечности лягушек, обработанных биореактором, были толще, с более развитыми костями, иннервацией и васкуляризацией. Анализируя видеозапись лягушек в своих аквариумах, они также заметили, что лягушки могут плавать больше, чем неампутированные лягушки.
Секвенирование РНК и анализ транскриптома показали, что биореактор изменил экспрессию генов в клетках в месте ампутации. Гены, участвующие в окислительном стрессе, серотонинергической передаче сигналов и активности лейкоцитов, были активизированы, в то время как некоторые другие гены, связанные с передачей сигналов, были подавлены.
Исследователи также заметили, что рубцевание и иммунные реакции были подавлены у лягушек, получавших биореактор, что позволяет предположить, что добавленный прогестерон ослаблял естественную реакцию организма на травму таким образом, что это способствовало процессу регенерации.
«Как в репродукции, так и в недавно обнаруженной роли прогестерона в функционировании мозга действие прогестерона является локальным или специфичным для тканей», - говорит первый автор Селия Эррера-Ринкон, нейробиолог из лаборатории Левина в Университете Тафтса. «С помощью этого подхода мы демонстрируем, что, возможно, размножение, обработка мозга и регенерация ближе, чем мы думаем. Возможно, у них есть общие пути и элементы общего - и пока еще не до конца изученного - биоэлектрического кода».
Лаборатория Левина продолжит работу над биоэлектрическими процессами для индукции регенерации спинного мозга и перепрограммирования опухоли. Они также надеются повторить свой эксперимент с биореактором на млекопитающих. Предыдущие исследования показывают, что мыши могут частично регенерировать ампутированные кончики пальцев в правильных условиях, но их жизнь на суше препятствует этому процессу.
"Почти все хорошие регенераторы являются водными", - говорит Левин. «Вы можете себе представить, почему это так важно: мышь, которая потеряла палец или руку, а затем перемалывает нежные регенеративные клетки в материал пола, когда она ходит, вряд ли испытает значительную регенерацию конечностей».
Левин планирует добавить к устройству датчики для удаленного мониторинга и оптогенетической стимуляции, что, как он надеется, улучшит контроль над принятием решений клетками после травмы.