Регенерация это в медицине что означает
Что такое регенеративная медицина
Несколько десятков лет назад возможность компенсировать функции утраченных органов или полностью заменить их казалась казуистикой. За десятилетия медицина продвинулась так далеко, что уже активно обсуждаются полное избавление человека от заболеваний и продление жизни. Регенеративная медицина получила не только признание, но и большие инвестиции вкупе с государственной поддержкой.
Регенерация как возможность сохранения здоровья
Человеку свойственна регенерация. До 11 лет организм способен восстановить утраченный кончик пальца, на протяжении всей жизни — заживлять повреждения мягких тканей и переломы.
Ее задача — научить стволовые клетки дифференцироваться в специализированные, которые полностью восстановят функцию утраченных органов.
Исторические факты
Впервые этот термин был использован в 1992 г. Леландом Кайзером. Он описал медицину будущего и возможность избавления от хронических заболеваний.
Дальнейшие опорные моменты развития отрасли можно представить следующим образом:
Сегодня вопросы восстановления регенерации изучаются во всех развитых странах мира.
Работает свыше 2000 научных центров, открытия разной степени важности регистрируются практически ежедневно.
Что такое регенеративная медицина
Регенеративная медицина — новый метод лечения, способный восстановить целостность разрушенных болезнью или травмой органов при использовании стволовых клеток животного или человека.
Направление располагается на стыке биологии, генной инженерии и практической медицины. В ближайшие годы отрасль может полностью изменить жизнь людей, избавив их от хронических и неизлечимых патологий, продлив им молодость.
Классы стволовых клеток
В зависимости от источника получения, начальные клетки можно классифицировать следующим образом:
Также возможно подразделение клеток (и, соответственно, способа трансплантации) на аутологичные и аллогенные. Критерий классификации — принадлежность организму.
Аутологичные
Представляют из себя собственные клетки человека. При аутологичной трансплантации они изымаются, хранятся некоторое время, а затем возвращаются. Чаще трансплантируются гемопоэтические и сердечные клетки, используемые для лечения дегенерации миокарда.
Аллогенные
При аллогенной трансплантации в роли донора и реципиента выступают разные люди.
Основными источниками при этом являются:
Аллогенная трансплантация всегда сопряжена с рисками. Современная регенеративная медицина смогла снизить вероятность отторжения с 70-90% до 10-50%.
Виды стволовых клеток
В зависимости от потентности (способности производить другие типы клеток), клетки бывают:
Несмотря на разнообразие, широкое практическое применение в медицине нашли только мультипотентные. Они и служат предметом большинства научных исследований.
Типы мультипотентных стволовых клеток
Мультипотентные клетки подразделяются на:
Мультипотентные клетки содержат фактор роста и могут модулировать воспалительную реакцию, способны самостоятельно переходить в ткани. Поэтому они привлекают внимание травматологов, проктологов и общих хирургов всего мира.
Жировая ткань в регенеративной терапии
Жировая ткань — второй по важности источник мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК).
Жировое депо имеет массу преимуществ по сравнению с костным мозгом. Среди них:
Клетки жировой ткани перед введением в организм требуют тщательного и длительного выделения и культивирования в питательных средах.
Их использование без предварительного выращивания не оправдано.
Применение регенеративной медицины для лечения заболеваний
Отрасль реализует себя, когда остается мало шансов не только на выздоровление, но и на сохранение жизни. Основными пациентами являются лица с онкологическими и наследственными патологиями, орфанными болезнями.
Все чаще технологии регенеративной медицины используют для эстетических и косметологических целей. Они позволяют устранить дефекты после массивных операций и травм.
Диабет
Стволовые жировые клетки могут быть внедрены в печень. После трансплантации они начинают делиться и вырабатывать инсулин — основной гормон поджелудочной железы.
Печень компенсирует эндокринную функцию панкреатической железы, позволяя облегчить течение сахарного диабета или вылечить его. На сегодня исследования выполнялись только на грызунах.
Гепатология
ММСК костного мозга оправдали себя при использовании с целью запуска регенерации клеток печени. Технология позволяет полностью восстановить функцию гепатоцитов при тяжелых формах печеночной недостаточности (жировом гепатозе, циррозе).
Сердечно-сосудистые болезни
Пересадка юных клеток из сердца свиньи позволяет устранить дегенеративные изменения миокарда человека после перенесенной ишемии. Технология основана на идентичности свиного и человеческого сердец и ждет исследований на людях. Способ позволит вылечить неподдающуюся медикаментозной терапии аритмию или сердечную недостаточность.
Глазные болезни
Регенерация используется для устранения врожденных и приобретенных дефектов роговицы глаза. Технология применяется в целях терапии ожогов и рубцов (после тяжелых травм и инфекционных заболеваний) роговицы.
Нервные болезни
Опыты на крысах и мышах демонстрируют способность эмбриональных клеток возвращать подвижность парализованным конечностям. В экспериментах ученые вводили их грызунам прямо в спинной мозг. Методика ждет признания и исследования на людях. Она поможет бороться с остаточными явлениями после инсульта.
Ортопедия и травматология
Сегодня медицина уже способна искусственно создавать протезы хрящей и суставов, выращивать их внутри организма. Для этого применяются аутологичные регенеративные концентраты. Опробовано восстановление тканей не только опорно-двигательного аппарата, но и внутреннего уха и глаза.
Стоматология
Медикаменты на основе аллогенных фибробластов и кератиноцитов человека, бычьего коллагена могут быть введены в ткани челюстно-лицевой области. Данный метод восстанавливает целостность мягких тканей десны и челюстей без лоскутных пересадок.
Косметология
Плазма, обогащенная тромбоцитами, и мезенхимальные клетки используются для избавления от признаков старения кожи. После их введения запускаются процессы регенерации, синтеза коллагеновых и эластиновых волокон. Кожа становится гладкой и эластичной, мелкие морщины разглаживаются.
Уретропластика
Использование трансинженерных систем для запуска регенерации уротелия позволяет полностью восстановить проходимость протоков мочевыделительной системы и функцию эпителия. Направление применяется для устранения дефектов эпителия, полученных в ходе поражения конкрементами, инородными телами или опухолью.
Облысение
Ученые научились внедрять клонированные волосяные фолликулы в очаги облысения волосистой части головы. Затем в зоне вмешательства выполняется стимуляция, запускается рост волос. Можно полностью излечить наследственное облысение, которое не реагирует на лечение.
Лидеры в области регенеративной медицины
Рынок находится на этапе зарождения, выделить лидеров пока сложно. Аналитики прогнозируют быстрый рост объема инвестиций всех компаний, расположенных преимущественно на территории США.
Спрос на донорские органы
Сегодня в мире спрос на донорские органы чрезвычайно высок. Например, только в России ежегодно требуется свыше 18 000-25 000 трансплантаций органов. Однако только 5-10% больных получают необходимую помощь.
Направление тормозится ввиду этических и моральных аспектов, которые в некоторых странах установлены на законодательном уровне.
Вопросы морального характера
Дифференцированные стволовые клетки помогают побороть рак и заболевания крови, но их количество и области внедрения ограничены. Наиболее ценным источником считаются эмбрионы, однако юридические и моральные нормы не позволяют добывать из них клетки в неограниченном количестве. Большинство исследований пока ограничиваются организмами животных.
Доступные аптечные препараты
Для лечения большого числа патологий выпускаются такие препараты:
Рынок медикаментов расширяется рекордными темпами. Сейчас свыше 5 000 препаратов проходят регистрацию.
Медицинские учреждения
Научно-исследовательские центры и организации практической медицины расположены по всему миру. Большая их часть сосредоточена на территории Европы и Северной Америки. В России функционирует свыше 45 структур, занимающихся изучением и внедрением в лечебную работу последних достижений медицины в области регенерации.
Перспективы лечения стволовыми клетками
Медицина уже способна избавить человека от цирроза или последствий инфаркта миокарда, восполнить грубые дефекты после травм или операций, компенсировать пороки развития внутренних органов, вновь подарить сенсорные функции.
Отрасль имеет большие перспективы развития и ставит перед собой запредельные задачи (достижение абсолютного здоровья и бессмертия, избавление от страданий), которые скоро могут стать реальностью.
Прогнозы на ближайшее будущее
По оценкам ученых, направление будет стремительно развиваться. Уже через 5-10 лет последуют открытия, которые перевернут традиционное понимание человеческого существования.
Главное — создать условия для доминирования науки, привлечения инвестиций. Это невозможно без строго государственного регулирования и поддержки.
Регенеративная медицина и клеточные технологии
Морские звезды могут отрастить новые тела, акулы — зубы, ящерицы — конечности. Однако человек на такое еще не способен. С целью восстановления поврежденных органов и тканей, лечения тяжелых заболеваний и сохранения молодости появились технологии регенеративной медицины, которые развиваются рекордными темпами и уже дают впечатляющие результаты.
Что такое регенеративная медицина
Это особый метод терапии, позволяющий восстановить поврежденные или пораженные болезнями ткани при помощи стволовых клеток человека и животных. Методика появилась около 25 лет назад и активно развивается.
Регенеративная медицина объединяет достижения практической медицины, генной инженерии и биологии.
Ученые считают, что она сможет полностью изменить жизнь людей в будущем.
Когда применяются методы регенеративной медицины
Направление применимо при заболеваниях и травмах, когда шансы не только на выздоровление, но и на выживание низки, когда иные методы лечения уже исчерпали себя. Это онкологические, наследственные и орфанные заболевания. Они часто затрагивают детей и людей среднего возраста.
Направление может применяться и в эстетических или косметологических целях (с целью устранения дефектов после травм и опухолей).
Последние достижения
Регенеративная медицина постоянно развивается: разрабатываются все новые методы лечения и коррекции общего состояния, восстановления поврежденных и утраченных органов. Разработки бывают неудачными, но далеко не всегда.
Гепатология
Лечение больных с тяжелыми формами печеночной недостаточности (циррозом, жировым гепатозом) — одно из ключевых направлений медицины. На экспериментальных моделях оказались эффективны технологии длительной восстановительной регенерации пораженных гепатоцитов при использовании мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) костного мозга.
Также с высокой эффективностью опробованы выделенные из печени белковые факторы и инженерные тканевые конструкции билиарного тракта.
Диабет
Исследования обнаружили, что среди клеток жировой ткани имеются те, которые могут делиться и вырабатывать инсулин после пересадки в печень. Опыты проводились на грызунах. В результате печень брала на себя функцию поджелудочной железы и не просто облегчала течение сахарного диабета I и II типов, но и полностью избавляла человека от данного заболевания.
Сердечно-сосудистые болезни
Опробована методика пересадки стволовых клеток из работоспособного сердца свиньи для устранения деструктивных изменений миокарда после инфаркта.
Ввиду того что сердце свиньи аналогично по строению таковому у человека, появился шанс опробовать технологию на людях. Направление позволит устранить симптомы аритмии или сердечной недостаточности при длительном течении ишемической болезни сердца или несвоевременно оказанной помощи при инфаркте миокарда.
Облысение
Наследственное облысение до сих пор не поддается терапии. Активно проводятся исследования, основанные на клонировании волосяных фолликулов с их последующим внедрением в облысевшие области головы. Затем в зоне воздействия проводится стимуляция роста волос.
Нервные болезни
Эксперименты на грызунах показали, что даже парализованные конечности ввиду поражения нервных тканей позвоночника снова могут стать подвижными. В опытах ученые вводили мышам и крысам эмбриональные клетки в нервные ткани. В скором времени начнутся испытания методики на людях.
Глазные болезни
Внедрение стволовых клеток в роговицу позволяет устранить многочисленную группу врожденных и приобретенных дефектов. Технология разработана и с успехом применяется для лечения посттравматических и постинфекционных рубцов роговицы, ожогов.
Уретропластика
Дефекты многослойного эпителия мочевыделительных путей, полученные в ходе поражения опухолью или инородными телами, конкрементами, под влиянием пороков формирования и развития, поддаются терапии.
Трансинженерные системы показали высокую эффективность при использовании в целях регенерации пораженного уротелия. Медицина позволяет полностью восстановить проходимость протоков и функциональную активность эпителия.
Косметология
Для устранения морщин и других признаков старения кожи активно применяются не только плазма, обогащенная тромбоцитами, но и стволовые клетки. После внедрения в кожу они запускают процессы клеточной регенерации, синтез коллагеновых и эластиновых волокон. Кожа становится гладкой и эластичной, мелкие морщины разглаживаются.
Стоматология
Тканевая инженерия внедрена и в челюстно-лицевую хирургию. Препараты на основе аллогенных кератиноцитов и фибробластов организма человека и бычьего коллагена уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством медикаментов и пищевых продуктов (FDA).
Подобные препараты позволяют восстановить целостность тканей десны и челюстей без использования травматичных лоскутных пересадок.
Клеточные и тканевые технологии
Сейчас уже доступны такие методы генной терапии, как выращивание и клонирование отдельных тканей, частей и даже целых органов. Создание новых участков может происходить как внутри, так и вне тела человека. При этом риск отторжения минимален.
Биопринтинг (3D-печать) органов и тканей
Печать органических 3D-моделей основана на послойном построении трехмерных структур биологических тканей. На первом этапе принтер печатает материал с учетом разнообразия тканей в клеточном строении. Затем модель помещается в инкубатор, где в течение короткого периода выращивается.
3D-биопринтинг уже опробован. Изготовлены ткани кожных покровов, сердца и кровеносных сосудов, костей.
Выращивание органов
В основе направления лежит использование трехмерных структур клеток для выращивания «зачатков» органов — органоидов. Из них впоследствии выращивают «крупный» аналог.
Органоиды используются и для:
Сложность технологии позволяет выращивать только простые по строению органы. К ним относятся влагалище, мочевой пузырь, сосуды.
Технологии ксенотрансплантации
Ксенотрансплантация — это пересадка тканей или органов от одного биологического вида другому. Несмотря на сходство между человеком и приматами, приоритетные разработки затрагивают исключительно свиней. Свиньи — это неограниченный и доступный ресурс органов для человека.
Восстановление органов человека
Данное направление активно развивается уже на протяжении десятилетий. Ключевыми достижениями являются:
Уже прослежены отдаленные результаты оперативных вмешательств (давностью до 8 лет).
Технологии донорства органов
После пересадки от одного человека другому органы приживаются не всегда. Например, почки остаются только в 75% случаев.
С помощью редактирования генома наука создала CAR-T-клетки, которые подавляют иммунный ответ организма и позволяют приживаться практически любому органу. Так стала возможна аллотрансплантация — пересадка органов иммунологически несхожему организму.
Технологии протезирования
Регенеративная медицина может не только создавать полноценные искусственные протезы некоторых хрящей и суставов, сосудов, полостных органов, но и выращивать их внутри организма.
Активно применяются следующие аутологичные регенеративные концентраты:
Введение данных веществ через небольшой прокол (реже — надрез) к очагу поражения позволяет полностью восстановить разрушенные структуры. Уже возможно восстановление слуха (кохлеарный имплантат) и зрения (бионический глаз).
Переливание молодой крови и парабиоз
На рубеже XX в. ученые смогли соединить кровеносные системы 2 животных разного возраста (молодого и пожилого). Такую модель назвали гетерохроническим парабиозом. Через некоторое время возрастная особь стала более активной, продолжительность ее жизни увеличилась.
Переливание плазмы человека мышам приводит не только к увеличению продолжительности их жизни, но и к снижению частоты нейродегенеративных заболеваний и патологий опорно-двигательного аппарата. Направление считается молодым в науке, в скором времени возможны новые открытия.
Компания Ambrosia
Компания-стартап Ambrosia недавно применила явление парабиоза на практике. В ходе исследования лицам до 25 лет переливали плазму крови людей старше 35 лет. У некоторых испытуемых было зафиксировано снижение темпов или исчезновение некоторых признаков старения. Специалисты практиковали и введение их собственной пуповинной крови.
В начале 2019 года FDA выпустила пресс-релиз, где высказала обеспокоенность в отношении использования данного метода. Ambrosia прекратила свою деятельность.
Стартап Elevian
Проект Elevian занимался продлением молодости. Специалисты подошли к долголетию с научно обоснованной точки зрения. Ученые выделили молекулу GDF-11 у молодых мышей. После введения данного компонента в кровь возрастных грызунов отмечалось восстановление поврежденных тканей сердечной мышцы, центральной нервной системы, легких и почек. Ученые ставят перед собой задачу восстановить естественную способность организма человека к регенерации, которая была эволюционно утрачена.
Вопрос о безопасности новых технологий
Регенеративная терапия — это метод лечения высокого риска. Направление слишком молодое, чтобы говорить не только о его эффективности, но и о безопасности для здоровья и жизни. История развития фармакологии показала, что ошибки при разработке лекарств могут проявиться даже через десятилетия. Бурно развивающейся отрасли нужно минимум 25-30 лет, чтобы оценить эффективность и безопасность.
Ограничения и запреты
Выделяют 2 типа стволовых клеток:
Взрослые клетки эффективны в целях терапии рака и заболеваний крови, но имеются в организме в ограниченном количестве. Их сложно изъять, а сама процедура имеет ряд сложностей. Самый ценный источник стволовых клеток — эмбрионы (абортированные или на ранней стадии развития). Однако юридические и моральные аспекты запрещают подобную практику в большинстве стран.
Перспективы лечения стволовыми клетками
Регенеративная медицина помогла вылечить детей от лейкоза, эффективно побороть гемофилию, восполнить посттравматические дефекты или нарушения развития органов. Уже сегодня проводятся операции по пластике половых органов, восстановлению сенсорных функций, устранению нарушений функций сердца.
Ученые ставят перед собой практически непреодолимую цель — сделать человека здоровым и бессмертным, избавить его от физических и моральных страданий.
Прогнозы на ближайшее будущее
Сперва ученые пытались внедрять стволовые клетки напрямую в ткани для восстановления миокарда или регенерации центральной нервной системы. Затем начались оправданные вмешательства внутрь клетки и генома.
В ближайшие 5-10 лет регенеративная медицина будет развиваться опережающими темпами. Главное — обеспечить для этого единство научных подходов, инвестиций и государственных интересов, а также должное регулирование всех действий.
Регенерация (восстановление). Что такое регенерация тканей?
Содержание
Регенерация — все подробности
Регенерация (от позднелатинского regeneratio возрождение, возобновление) — обновление структур организма в процессе жизнедеятельности и восстановление тех структур, которые были утрачены в результате патологических процессов.
Явления регенерации были знакомы людям еще в глубокой древности. К концу 19 века был накоплен материал, раскрывающий закономерности регенераторной реакции у человека и животных, но особенно интенсивно проблема регенерации разрабатывается с 40-х годов 20 века.
Различают два вида регенерации — физиологическую и репаративную. Физиологическая регенерация — непрерывное обновление структур на клеточном (смена клеток крови, эпидермиса и другое) и внутриклеточном (обновление клеточных органелл) уровнях, которыми обеспечивается функционирование органов и тканей. Репаративная регенерация — процесс ликвидации структурных повреждений после действия патогенных факторов. Оба вида регенерации не являются обособленными, не зависимыми друг от друга. Так, репаративная регенерация развертывается на базе физиологической, т.е. на основе тех же механизмов, и отличается лишь большей интенсивностью проявлений. Поэтому репаративную регенерацию следует рассматривать как нормальную реакцию организма на повреждение, характеризующуюся резким усилением физиологических механизмов воспроизведения специфических тканевых элементов того или иного органа.
Значение регенерации для организма определяется тем, что на основе клеточного и внутриклеточного обновления органов обеспечивается широкий диапазон приспособительных колебаний их функциональной активности в меняющихся условиях окружающей среды, а также восстановление и компенсация нарушенных под воздействием различных патогенных факторов функций. Физиологическая и репаративная регенерация являются структурной основой всего разнообразия проявлений жизнедеятельности организма в норме и патологии.
Процесс регенерации развертывается на разных уровнях организации — системном, органном, тканевом, клеточном, внутриклеточном. Осуществляется он путем прямого и непрямого деления клеток, обновления внутриклеточных органелл и их размножения. Обновление внутриклеточных структур и их гиперплазия являются универсальной формой регенерации, присущей всем без исключения органам млекопитающих и человека. Она выражается либо в форме собственно внутриклеточной регенерации, когда после гибели части клетки ее строение восстанавливается за счет размножения сохранившихся органелл, либо в виде увеличения числа органелл (компенсаторная гиперплазия органелл) в одной клетке при гибели другой.
Восстановление исходной массы органа после его повреждения осуществляется различными путями. В одних случаях сохранившаяся часть органа остается неизмененной или малоизмененной, а недостающая его часть отрастает от раневой поверхности в виде четко отграниченного регенерата. Такой способ восстановления утраченной части органа называют эпиморфозом. В других случаях происходит перестройка оставшейся части органа, в процессе которой он постепенно приобретает исходные форму и размеры. Этот вариант процесса регенерации называют морфаллаксисом. Чаще эпиморфоз и морфаллаксис встречаются в различных сочетаниях. Наблюдая увеличение размеров органа после его повреждения, прежде говорили о его компенсаторной гипертрофии. Цитологический анализ этого процесса показал, что в его основе лежит размножение клеток, т.е. регенераторная реакция. В связи с этим процесс получил название «регенерационная гипертрофия».
Принято считать, что репаративная регенерация развертывается после наступления дистрофических, некротических и воспалительных изменений. Так, однако, бывает далеко не всегда. Значительно чаще немедленно после начала действия патогенного фактора резко интенсифицируется физиологическая регенерация, направленная на компенсацию убыли структур, в связи с их внезапным ускоренным расходованием или гибелью. В это время она представляет собой по существу репаративную регенерацию.
Об источниках регенерации имеются две точки зрения. Согласно одной из них (теория резервных клеток), происходит пролиферация камбиальных, незрелых клеточных элементов (так называемх стволовых клеток и клеток-предшественников), которые, интенсивно размножаясь и дифференцируясь, восполняют убыль высокодифференцированных клеток данного органа, обеспечивающих его специфическую функцию. Другая точка зрения допускает, что источником регенерации могут быть высокодифференцированные клетки органа, которые в условиях патологического процесса могут перестраиваться, утрачивать часть своих специфических органелл и одновременно приобретать способность к митотическому делению с последующей пролиферацией и дифференцировкой.
Исходы процесса регенерации могут быть различными. В одних случаях регенерация заканчивается формированием части, идентичной погибшей по форме и построенной из такой же ткани. В этих случаях говорят о полной регенерации (реституции, или гомоморфозе). В результате регенерации может образоваться и совсем иной орган, чем удаленный, что обозначают как гетероморфоз (например, образование у ракообразных конечности вместо усика). Наблюдают также неполное развитие регенерирующего органа — гипотипию (например, появление меньшего числа пальцев на конечности у тритона). Случается и обратное — формирование большего числа конечностей, чем в норме, обильное новообразование костной ткани в месте перелома и другое (избыточная регенерация, или суперрегенерация). В ряде случаев у млекопитающих и человека в результате регенерации в зоне повреждения образуется не специфическая для данного органа ткань, а соединительная ткань, в дальнейшем подвергающаяся рубцеванию, что обозначают как неполную регенерацию, или реституцией. Завершение восстановительного процесса полной регенерации, или субституцией, в значительной мере определяется сохранностью или повреждением соединительнотканного каркаса органа. Если избирательно гибнет только паренхима органа, например, печени, то обычно наступает полная ее регенерация; если же некрозу подвергается и строма, процесс всегда заканчивается формированием рубца, В силу различных причин (гиповитаминоз, истощение и другое) течение репаративной регенерации может принимать затяжной характер, качественно извращаться, сопровождаясь образованием вяло гранулирующих, длительно не заживающих язв, формированием ложного сустава вместо срастания костных отломков, гиперрегенерацией ткани, метаплазией и другое. В подобных случаях говорят о патологической регенерации.
Степень и формы выражения регенерационной способности неодинаковы у разных животных. Ряд простейших, кишечнополостных, плоских червей, немертин, кольчатых червей, иглокожих, полухордовых и личиночно-хордовых обладают способностью восстанавливать из отдельного фрагмента или кусочка тела целый организм. Многие представители этих же групп животных способны восстанавливать только большие участки тела (например, головной или хвостовой его концы). Другие восстанавливают лишь отдельные утраченные органы или их часть (регенерация ампутированных конечностей, усиков, глаз — у ракообразных; частей ноги, мантии, головы, глаз, щупалецев, раковины — у моллюсков; конечностей, хвоста, глаз, челюстей — у хвостатых амфибий и другое). Проявления регенерационной способности у высокоорганизованных животных, а также человека отличаются значительным разнообразием — могут восстанавливаться крупные части внутренних органов (например, печени), мышцы, кости, кожа и другое, а также отдельные клетки после гибели части их цитоплазмы и органелл.
В связи с тем, что высшие животные не способны целиком восстанавливать организм или крупные его части из небольших фрагментов, в качестве одной из важных закономерностей регенерационной способности в 19 веке было выдвинуто положение, что она снижается по мере повышения организации животного. Однако в процессе углубленной разработки проблемы регенерации, особенно проявлений регенерации у млекопитающих и человека, становилась все более очевидной ошибочность этого положения. Многочисленные примеры свидетельствуют о том, что среди сравнительно низкоорганизованных животных встречаются такие, которые отличаются слабой регенерационной способностью (губки, круглые черви), в то время как многие относительно высокоорганизованные животные (иглокожие, низшие хордовые) этой способностью обладают в достаточно высокой степени. Кроме того, среди близкородственных видов животных нередко встречаются как хорошо, так и плохо регенерирующие.
Многочисленные исследования восстановительных процессов у млекопитающих и человека, систематически проводившиеся с середины 20 века, также свидетельствуют о несостоятельности представления о резком снижении или даже полной утрате регенерационной способности по мере повышения организации животного и специализации его тканей. Концепция регенерационной гипертрофии свидетельствует о том, что восстановление исходной формы органа не является единственным критерием наличия регенерационной способности и что для внутренних органов млекопитающих еще более важным показателем в этом отношении является их способность восстанавливать свою исходную массу, т.е. общее количество структур, обеспечивающих специфическую функцию. В результате электронномикроскопических исследований коренным образом изменились представления о диапазоне проявлений регенераторной реакции и, в частности, стало очевидным, что элементарной формой этой реакции является размножение не клеток, а восстановление и гиперплазия их ультраструктур. Это, в свою очередь, явилось основанием для отнесения к процессам регенерации такого феномена, как гипертрофия клетки. Считалось, что в основе этого процесса лежит простое увеличение ядра и массы коллоида цитоплазмы. Электронно-микроскопические исследования позволили установить, что гипертрофия клетки — процесс структурный, обусловленный увеличением числа ядерных и цитоплазматических органелл и на основе этого обеспечивающий нормализацию специфической функции данного органа при гибели той или иной его части, т.е. в принципе это процесс регенераторный, восстановительный. С помощью электронной микроскопии была расшифрована сущность и такого широко распространенного явления, как обратимость дистрофических изменений органов и тканей. Оказалось, что это не просто нормализация состава коллоида ядра и цитоплазмы, нарушенного в результате патологического процесса, а значительно более сложный процесс нормализации архитектоники клетки за счет восстановления структуры поврежденных органелл и их новообразования. Таким образом и этот феномен, ранее стоявший особняком среди других общепатологических процессов, оказался проявлением регенераторной реакции организма.
В целом же все эти данные явились основанием для существенного расширения представлений о роли и значении процессов регенерации в жизнедеятельности организма, и в частности для выдвижения принципиально нового положения о том, что эти процессы имеют отношение не только к заживлению повреждений, а являются основой функциональной активности органов. Важную роль в утверждении этих новых представлений о диапазоне и сущности процессов Р. сыграла точка зрения, что главным в регенерации органа является не только достижение им исходных анатомических параметров, но и нормализация нарушенной функции, обеспечиваемая различными вариантами структурных преобразований. Именно в таком принципиально новом освещении под структурно-функциональным углом зрения учение о регенерации утрачивает свое преимущественно биологическое звучание (восстановление удаленных органов) и становится первостепенно важным для решения основных проблем современной клинической медицины, в частности проблемы компенсации нарушенных функций.
Эти новые данные убеждают в том, что регенерационная способность у высших животных и, в частности, у человека характеризуется значительным разнообразием своих проявлений. Так, в некоторых органах и тканях, например, в костном мозге, покровном эпителии, слизистых оболочках, костях, физиологическая регенерация выражается в непрерывном обновлении клеточного состава, а репаративная регенерация — в полном восстановлении дефекта ткани и реконструкции ее исходной формы путем интенсивного митотического деления клеток. В других органах, например, в печени, почках, поджелудочной железе, органах эндокринной системы, легких и другие, обновление клеточного состава происходит сравнительно медленно, а ликвидация повреждения и нормализация нарушенных функций обеспечиваются на основе двух процессов — размножения клеток и наращивания массы органелл в предсуществующих сохранившихся клетках, в результате чего они подвергаются гипертрофии и соответственно этому возрастает их функциональная активность. Характерно, что исходная форма этих органов после повреждения чаще всего не восстанавливается, в месте травмы образуется рубец, а восполнение утраченной части происходит за счет неповрежденных отделов, т.е. восстановительный процесс протекает по типу регенерационной гипертрофии. Внутренние органы млекопитающих и человека обладают огромной потенциальной способностью к регенерационной гипертрофии; например, печень в течение 3—4 недель после резекции 70% ее паренхимы по поводу доброкачественных опухолей, эхинококка и другое, восстанавливает исходный вес и в полном объеме — функциональную активность. В центральной нервной системе и миокарде, клетки которых не обладают способностью к митотическому делению, структурное и функциональное восстановление после повреждения достигается исключительно или почти исключительно за счет увеличения массы органелл в сохранившихся клетках и их гипертрофии, т.е. восстановительная способность выражается только в форме внутриклеточной регенерации.
В различных органах в основе характерного для млекопитающих и человека разнообразия проявлений физиологической и репаративной регенерации лежат скорее всего структурно-функциональные особенности каждого из них. Например, хорошо выраженная способность к размножению клеток, свойственная эпителию кожи и слизистых оболочек, связана с основной его функцией — непрерывным поддержанием целости покровов на границе с окружающей средой. Также особенностями функции объясняется высокая способность костного мозга к клеточной регенерации непрерывным отделением все новых и новых клеток от общей массы в кровь. Эпителиальные клетки, выстилающие ворсинки тонкой кишки, регенерируют по клеточному типу, т.к. для осуществления ферментативной деятельности они сходят с ворсинки в просвет кишки, а их место тотчас занимают новые клетки, в свою очередь уже готовые отторгнуться так же, как это только что случилось с их предшественницами. Восстановление опорной функции кости может быть достигнуто только путем пролиферации клеток, и именно в области перелома, а не в каком-либо ином месте. В ряде других органов, например, в печени, почках, легких, поджелудочной железе, надпочечниках, необходимый объем работы после повреждения обеспечивается прежде всего восстановлением исходной массы, поскольку основная функция этих органов связана не столько с сохранением формы, сколько с определенным количеством и размерами структурных единиц, выполняющих в каждом из них специфическую деятельность,— печеночных долек, альвеол, панкреатических островков, нефронов и другое. В миокарде и в центральной нервной системе митоз оказался в значительной мере или полностью вытесненным внутриклеточными механизмами репарации повреждения. В центральной нервной системе, в частности, функция, например, пирамидной клетки (пирамидального нейроцита) коры головного мозга состоит в непрерывном поддержании связей с окружающими и располагающимися в самых различных органах нервными клетками. Она обеспечивается соответствующей структурой — многочисленными и разнообразными отростками, соединяющими тело клетки с различными органами и тканями. Менять такую клетку в порядке физиологической или репаративной регенерации — это значит менять и все эти исключительно сложные ее связи как внутри нервной системы, так и далеко на периферии. Поэтому характерным, наиболее целесообразным и экономичным путем восстановления нарушенной функции для клеток центральной нервной системы является усиление работы клеток, соседних с погибшими, за счет гиперплазии их специфических ультраструктур, т.е. исключительно путем внутриклеточной регенерации.
Таким образом, эволюционный процесс в мире животных характеризовался не постепенным ослаблением регенерационной способности, а нарастающим разнообразием ее проявлений. При этом регенерационная способность в каждом конкретном органе приобретала ту форму, которая обеспечивала наиболее эффективные пути восстановления его нарушенных функций.
В основе всего разнообразия проявлений регенерационной способности у млекопитающих и человека лежат две ее формы — клеточная и внутриклеточная, которые в разных органах или сочетаются в различных комбинациях, или существуют обособленно. В основе этих казалось бы крайних форм процесса регенерации лежит единый феномен — гиперплазия ядерных и цитоплазматических ультраструктур. В одном случае эта гиперплазия развертывается в предшесуществующих клетках и каждая из них увеличивается, а в другом — то же число новообразованных ультраструктур размещается в разделившихся клетках, сохраняющих нормальные размеры. В итоге общее число элементарных функционирующих единиц (митохондрий, ядрышек, рибосом и другое) в обоих случаях оказывается одинаковым. Поэтому среди всех этих комбинаций форм регенераторной реакции нет «худших» и «лучших», более или менее эффективных; каждая из них является наиболее соответствующей структуре и функции данного органа и одновременно неподходящей для всех остальных. Современное учение о внутриклеточных регенераторных и гиперпластических процессах свидетельствует о несостоятельности представлений о возможности нормализации работы патологически измененных органов на основе «чисто функционального напряжения» сохранившихся отделов; любые, даже едва уловимые функциональные сдвиги компенсаторного порядка всегда обусловливаются соответствующими пролиферативными изменениями ядерных и цитоплазматических ультраструктур.
Эффективность процесса регенерации в большой мере определяется условиями, в которых он протекает. Важное значение в этом отношении имеет общее состояние организма. Истощение, гиповитаминоз, нарушения иннервации и другие, оказывают значительное влияние на ход репаративной регенерации, затормаживая ее и способствуя переходу в патологическую. Существенное влияние на интенсивность репаративной регенерации оказывает степень функциональной нагрузки, правильное дозирование которой благоприятствует этому процессу. Скорость репаративной регенерации в известной мере определяется и возрастом, что приобретает особое значение в связи с увеличением продолжительности жизни и соответственно числа оперативных вмешательств у лиц старших возрастных групп. Обычно существенных отклонений процесса регенерации при этом не отмечается и большее значение, по-видимому, имеют тяжесть заболевания и его осложнения, чем возрастное ослабление регенерационной способности.
В регуляции процессов регенерации участвуют многочисленные факторы эндо- и экзогенной природы. Установлены антагонистические влияния различных факторов на течение внутриклеточных регенераторных и гиперпластических процессов. Наиболее изучено влияние на регенерацию различных гормонов. Регуляция митотической активности клеток различных органов осуществляется гормонами коры надпочечников, щитовидной железы, половых желез и другое. Важную роль в этом отношении играют так называемые гастроинтестинальные гормоны. Известны мощные эндогенные регуляторы митотической активности — кейлоны, простагландины, их антагонисты и другие биологически активные вещества. Важное место в исследованиях механизмов регуляции процессов регенерации занимает изучение роли различных отделов нервной системы в их течении и исходах. Новым направлением в разработке этой проблемы является изучение иммунологической регуляции процессов регенерации, и в частности установление факта переноса лимфоцитами «регенерационной информации», стимулирующей пролиферативную активность клеток различных внутренних органов. Регулирующее влияние на течение процесса регенерации оказывает и дозированная функциональная нагрузка.
Знание механизмов регуляции регенерационной способности органов и тканей открывает перспективы для разработки научных основ стимуляции репаративной регенерации и управления процессами выздоровления.
Регенерация — основная информация
Регенера́ция (восстановление) — способность живых организмов со временем восстанавливать повреждённые ткани, а иногда и целые потерянные органы. Регенерацией также называется восстановление целого организма из его искусственно отделённого фрагмента (например, восстановление гидры из небольшого фрагмента тела или диссоциированных клеток). У протистов регенерация может проявляться в восстановлении утраченных органоидов или частей клетки.
Регенерация, происходящая в случае повреждения или утраты какого-нибудь органа или части организма, называется репаративной. Регенерацию в процессе нормальной жизнедеятельности организма, обычно не связанную с повреждением или утратой части организма, называют физиологической.
Физиологическая регенерация
В каждом организме на протяжении всей его жизни постоянно идут процессы восстановления и обновления. У человека, например, постоянно обновляется наружный слой кожи. Птицы периодически сбрасывают перья и отращивают новые, а млекопитающие сменяют шерстный покров. У листопадных деревьев листья ежегодно опадают и заменяются свежими. Такие процессы носят название физиологической регенерации.
Репаративная регенерация
Репаративной называют регенерацию, происходящую после повреждения или утраты какой-либо части тела. Выделяют типичную и атипичную репаративную регенерацию.
При типичной регенерации утраченная часть замещается путём развития точно такой же части. Причиной утраты может быть внешнее воздействие (например, ампутация), или же животное намеренно отрывает часть своего тела (автотомия), как ящерица, обламывающая часть своего хвоста, спасаясь от врага.
При атипичной регенерации утраченная часть замещается структурой, отличающейся от первоначальной количественно или качественно. У регенерировавшей конечности головастика число пальцев может оказаться меньше исходного, а у креветки вместо ампутированного глаза может вырасти антенна (гетероморфоз).
Регенерация у животных
Способность к регенерации широко распространена среди животных. Низшие животные, как правило, чаще способны к регенерации, чем более сложные высокоорганизованные формы. Так, среди беспозвоночных гораздо больше видов, способных восстанавливать утраченные органы, чем среди позвоночных, но только у некоторых из них возможна регенерация целой особи из небольшого её фрагмента. Тем не менее общее правило о снижении способности к регенерации с повышением сложности организма нельзя считать абсолютным. Такие примитивные животные, как круглые черви и коловратки, практически не способны к регенерации, а у гораздо более сложных ракообразных и амфибий эта способность хорошо выражена; известны и другие исключения. Некоторые сравнительно близкородственные животные сильно различаются в этом отношении. Так, у многих видов дождевых червей только из передней половины тела может полностью регенерировать новая особь, тогда как пиявки не способны восстановить даже отдельные утраченные органы. У хвостатых амфибий на месте ампутированной конечности образуется новая, а у лягушки культя просто заживает и никакого нового роста не происходит. Однако, как показали опыты Полежаева, если культю лягушки подвергать механическим раздражениям или воздействию определённых химических веществ, то конечность регенерирует. Более того, при таких условиях регенерируют и конечности некоторых млекопитающих, например, новорожденных крысят.
Нет также чёткой связи между характером эмбрионального развития и способностью к регенерации. Так, у некоторых животных со строго детерминированным развитием (гребневики, полихеты) во взрослом состоянии регенерация развита хорошо (у ползающих гребневиков и некоторых полихет целая особь может восстановиться из небольшого участка тела), а у некоторых животных с регулятивным развитием (морские ежи, млекопитающие) — достаточно слабо.
Многие беспозвоночные способны к регенерации значительной части тела. У большинства видов губок, гидроидных полипов, многих видов плоских, ленточных и кольчатых червей, мшанок, иглокожих и оболочников из небольшого фрагмента тела может регенерировать целый организм. Особенно примечательна способность к регенерации у губок. Если тело взрослой губки продавить через сетчатую ткань, то все клетки отделятся друг от друга, как просеянные сквозь сито. Если затем поместить все эти отдельные клетки в воду и осторожно, тщательно перемешать, полностью разрушив все связи между ними, то спустя некоторое время они начинают постепенно сближаться и воссоединяются, образуя целую губку, сходную с прежней. В этом участвует своего рода «узнавание» на клеточном уровне, о чём свидетельствует следующий эксперимент: губки трёх разных видов разделяли описанным способом на отдельные клетки и как следует перемешивали. При этом обнаружилось, что клетки каждого вида способны «узнавать» в общей массе клетки своего вида и воссоединяются только с ними, так что в результате образовалась не одна, а три новых губки, подобные трём исходным. Из других животных к восстановлению целого организма из взвеси клеток способна только гидра.
Регенерация у человека
У человека хорошо регенерирует эпидермис; к регенерации способны также такие его производные, как волосы и ногти. Способностью к регенерации обладает также костная ткань: кости срастаются после переломов. С утратой части печени (до 85 %) оставшиеся фрагменты начинают увеличиваться в размере благодаря увеличению размера самих клеток, но не благодаря увеличению их количества; таким образом печень полностью восстанавливает первоначальную массу.
При определённых условиях могут ограничено регенерировать кончики пальцев — при утере фрагмента пальца до первой фаланги, если рана не была купирована.
До недавних пор считалось, что нервная система не способна к регенерации, но последние исследования показали, что ЦНС обладает некоторым нейрогенезом — способностью создавать новые нейроны и впоследствии образовывать новые синаптические соединения.
Регенерация, которую мы потеряли (видео, выступление на «Дне биологии для школьников» в ИБХ РАН)
Мария Терёшина рассказывает о регенерации — полноценном восстановлении «случайно» утраченных частей организма. Эта способность будоражит умы учёных вот уже 250 лет. Мария объясняет, кто и что может регенерировать, каковы основные механизмы этого процесса и почему же у нас с вами нет этой замечательной способности.
Мария Терёшина — кандидат биологических наук, сотрудник ИБХ.