Что такое регенерация биология
Регенерация
(от позднелат. regeneratio — возрождение, возобновление)
в биологии, восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и тканей, а также восстановление целого организма из его части. Р. наблюдается в естественных условиях, а также может быть вызвана экспериментально.
Р. у животных и человека — образование новых структур взамен удалённых либо погибших в результате повреждения (репаративная Р.) или утраченных в процессе нормальной жизнедеятельности (физиологическая P.); вторичное развитие, вызванное утратой развившегося ранее органа. Регенерировавший орган может иметь такое же строение, как удалённый, отличаться от него или совсем не походить на него (атипичная Р.). Термин «Р.» предложен в 1712 французским учёным Р. Реомюром, изучавшим Р. ног речного рака. У многих беспозвоночных возможна Р. целого организма из кусочка тела. У высокоорганизованных животных это невозможно — регенерируют лишь отдельные органы или их части. Р. может происходить путём роста тканей на раневой поверхности, перестройки оставшейся части органа в новый или путём роста остатка органа без изменения его формы (см. Морфаллаксис, Эпиморфоз, Регенерационная гипертрофия). Представление об ослаблении способности к Р. по мере повышения организации животных ошибочно, т.к. процесс Р. зависит не только от уровня организации животного, но и от многих др. факторов и характеризуется значительной изменчивостью. Неправильно также утверждение, что способность к Р. закономерно падает с возрастом; она может и повышаться в процессе онтогенеза, но в период старости часто наблюдают её снижение. За последнюю четверть века показано (в т. ч. советскими учёными), что, хотя у млекопитающих и человека целые наружные органы не регенерируют, внутренние их органы, а также мышцы, скелет, кожа способны к Р., которую изучают на органном, тканевом, клеточном и субклеточном уровнях. Разработка методов усиления (стимуляции) слабой и восстановления утраченной способности к Р. приблизит учение о Р. к медицине.
Р. в медицине. Различают физиологическую, репаративную и патологическую Р. При травмах и др. патологических состояниях, которые сопровождаются массовой гибелью клеток, восстановление тканей осуществляется за счёт репаративной (восстановительной) Р. Если в процессе репаративной Р. утраченная часть замещается равноценной, специализированной тканью, говорят о полной Р. (реституции (См. Реституция)); если на месте дефекта разрастается неспециализированная соединительная ткань, — о неполной Р. (субституции, или заживлении посредством рубцевания). В ряде случаев при субституции функция восстанавливается за счёт интенсивного новообразования ткани (аналогичной погибшей) в неповрежденной части органа. Это новообразование происходит путём либо усиленного размножения клеток, либо за счёт внутриклеточной Р. — восстановления субклеточных структур при неизмененном числе клеток (сердечная мышца, нервная ткань). Возраст, особенности обмена веществ, состояние нервной и эндокринной систем, питание, интенсивность кровообращения в поврежденной ткани, сопутствующие заболевания могут ослабить, усилить или качественно изменить процесс Р. В некоторых случаях это приводит к патологической Р. Её проявления: длительно незаживающие язвы, нарушения срастания переломов костей, избыточные разрастания тканей или переход одного типа ткани в другой (см. Метаплазия). Лечебные воздействия на процесс Р. заключаются в стимуляции полной и предотвращении патологической Р. См. также Гипертрофия и Гиперплазия.
Р. у растений может происходить на месте утраченной части (реституция) или на другом месте тела (репродукция). Весеннее восстановление листьев вместо опавших осенью — естественная Р. типа репродукции. Обычно, однако, под Р. понимают лишь восстановление насильственно отторженных частей. При такой Р. организм прежде всего использует основные пути нормального развития. Поэтому Р. органов у растений происходит преимущественно путём репродукции: отнятые органы компенсируются развитием существующих или образующихся вновь метамерных заложений. Так, при отрезании верхушки побега усиленно развиваются боковые побеги. Растения или их части, развивающиеся не метамерно, легче регенерируют путём реституции, как и участки тканей. Например, поверхность ранения может покрыться так называемой раневой перидермой; рана на стволе или ветке может зарубцеваться наплывами (Каллюсами). Размножение растений черенками — простейший случай Р., когда из небольшой вегетативной части восстанавливается целое растение.
Широко распространена Р. и из отрезков корня, корневища или слоевища. Можно вырастить растения из листовых черенков, кусочков листа (например, у бегоний). У некоторых растений удавалась Р. из изолированных клеток и даже из отдельных изолированных протопластов, а у некоторых видов сифоновых водорослей — из небольших участков их многоядерной протоплазмы. Молодой возраст растения обычно способствует Р., но на слишком ранних стадиях онтогенеза орган может оказаться неспособным к Р. Как биологическое приспособление, обеспечивающее зарастание ран, восстановление случайно утраченных органов, а нередко и вегетативное размножение, Р. имеет большое значение для растениеводства, плодоводства, лесоводства, декоративного садоводства и др. Она даёт материал и для решения ряда теоретических проблем, в том числе и проблем развития организма. Большую роль в процессах Р. играют ростовые вещества.
Лит.: Воронцова М. А., Регенерация органов у животных, М., 1949; Студитский А. Н., Основы биологической теории регенерации, «Изв. АН СССР. Серия биологическая», 1952, № 6; Вопросы восстановления органов и тканей позвоночных животных, М., 1954 (АН СССР. Тр. института морфологии животных, в. 11); Воронцова М. А., Лиознер Л. Д., Бесполое размножение и регенерация, М., 1957; Условия регенерации органов у млекопитающих, М., 1972; Кренке Н. П., Регенерация растений, М. — Л., 1950; Синнот Э., Морфогенез растений, пер. с англ., М., 1963; Хэй Э., Регенерация, пер. с англ., М., 1969; Swingle С. F., Regeneration and vegetative propagation, «The Botanical Review», 1940, v. 6, № 7; то же, 1952, v. 18, № 1.
Медицинские интернет-конференции
Языки
Регенерация кожи
Грамкова И.И, Максимова Е.Р.
Регенерация кожи
Грамкова И.И, Максимова Е.Р.
Научный руководитель: Уварова И.А., Романова Т.П.
ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им.В.И. Разумовского Минздрава России
Регенерация-это восстановление как структуры, так и функции органов и тканей после их повреждения или утраты части. Процессы регенерации могут идти на самых уровнях организации живой системы, поэтому различают внутриклеточную регенерацию; клеточную регенерацию; тканевую регенерацию; регенерацию на органном уровне, она бывает физиологическая и репаративная. Физиологическая регенерация-это регенерация биологических структур после их естественного износа при нормальном функционировании. Репаративная регенерация-восстановление биологических структур после повреждения (усиленная физиологическая регенерация). Она включает процессы распада поврежденных клеток, дифференцировку сохранивших жизнеспособность клеток, их пролиферацию, вторично дифференцировку размножившихся клеток, установление межклеточных связей и адаптационную перестройку клеток регенерата. При повреждении кожи в силу вступает ответная реакция, имеющая нервно-гуморальный механизм регулирования, направленный на восстановление целостности кожи. Скорость регенерации кожи зависит от глубины и площади повреждения,состояния иммунитет кожи и от того, как протекает микроциркуляция в сосудистом русле кожи. Результат регенерации кожи: полное заживление; гиперпигментация; депигментация;атрофичная кожа;образование физиологических рубцов; образование патологических рубцов и контрактур.
Скорость эпителизации раны зависит также и от сохранившихся остатков базальной мембраны с базальными кератиноцитами эпидермиса, клеток волосяных фолликулов, сальных желез. При поверхностном повреждении кожи без затрагивания базальной мембраны и верхушек сосочков, регенерация кожи всегда проходит без образования рубцов. Это достигается путем усиленной пролиферации базальных кератиноцитов (царапины, ссадины, ожоги II степени). При повреждении кожи с затрагиванием верхушек сосочков, вследствие которого повреждается базальная мембрана и капилляры поверхностной сосудистой сети, регенерация кожи, как правило, проходит без образования рубцов и протекает за счет сохранившихся фрагментов базальной мембраны, клеток волосяных фолликулов и эпителия сальных желез. При таком заживлении кератиноциты начинают активно делиться и устремляться на дно раны, а также переходят с краев. Сначала создается одиночный слой клеток, а затем многослойный, под которым и идет завершение этого процесса регенерации кожи. При поражениях на данной глубине кожи из-за влияния солнечных лучей могут образовываться гиперпигментации-это связано с тем, что повреждение петель капилляров, служит стимулом тучных клеток для выделения биологически активных веществ в кожу (гистамина, серотонина), стимулирующих меланоциты к выработке меланина, который затем поглощается кератиноцитами и придает им специфический темный цвет. Если при том же раскладе присоединяется инфекция, то возможна депигментация кожи или ее атрофия. При повреждении кожи ниже эпидермиса, на границе сосочкового и сетчатого слоя дермы, регенерация кожи почти всегда проходит с образования рубца (ожоги III степени). Рубцы при таком повреждении могут быть от нормотрофических и атрофических до гипертрофических и келоидных. При глубоком повреждении кожи с разрушением нижележащих тканей, таких как подкожно жировая клетчатка, мышцы, регенерация кожи протекает с формированием деформирующих рубцов.
Что такое регенерация биология
Несмотря на достижения молекулярной биологии, возможности лабораторного синтеза факторов роста клеток, современного уровня развития тканевой инженерии, проблема восстановления утраченного кожного покрова при повреждениях различной этиологии до сих пор по-прежнему актуальна 2. После тяжелых ранений и операций на теле остается чаще всего некрасивый и огромный шрам. Регенерация органов становится многообещающим выбором для многих пациентов, однако многие подробности о механизмах восстановления остаются неизвестными.
Цель работы: провести анализ современных исследований в сфере открытий и решений проблем регенерации кожи.
Миофибробласты рыхлой волокнистой соединительной ткани являются превалирующим типом клеток, который присутствует в грануляционной ткани стягивающихся ран, а также находятся в некоторых развивающихся или нормальных взрослых тканях. Было выявлено, что миофибробласты можно превратить в жировые клетки, перепрограммируя их. Предполагаемая функция миофибробластов заключается в изменении натяжения ткани, а жировые клетки или адипоциты находятся в коже до тех пор, пока не образуется рубцовая ткань. Логично предположить, что каким-то образом необходимо заменить миофибробласты адипоцитами, чтобы не произошло образование рубца. Рубцовая ткань отличается от эпителия отсутствием волосяных фолликулов. Ученые пришли к выводу, что волосяные фолликулы и адипоциты связаны, и если восстановить волосяные фолликулы, они индуцируют увеличение жировых клеток в ответ на сигналы от фолликула. Как регенеративные образования, волосяные фолликулы предлагают хорошую модель для изучения механизмов, связанных с регенеративной медициной. В соответствующих исследованиях основное внимание уделялось донорским клеткам, и нет данных, связанных с влиянием факторов хозяина на реконструкцию волосяного фолликула [5].
Для начала, рассмотрим восстановление волосяных фолликулов при помощи изоляции трансплантированных клеток, проверив влияние факторов клетки-хозяина, то есть понять будет ли возможно развитие волосяного фолликула без клеток хозяина. Ученые отдела Пластической и эстетической хирургии Экспериментального центра Южного медицинского университета (Китай) провели целое исследование, посвященное образованию волосяного фолликула. Для эксперимента использовали шестнадцать новорожденных мышей, меченных красным флуоресцентным белком и двадцать четыре взрослых мыши с зеленым флуоресцентным белком. Все эксперименты над животными были проведены по согласованию с Комитетом по уходу и использованию животных Южного медицинского университета. Затем последовала подготовка клеток для трансплантации. Эпидермис и дерму разделили путем инкубации в течение ночи при температуре в 4 градуса по Цельсию. Потом кожу три раза промыли фосфатно-буферным физиологическим раствором, окончательно отделяя дерму от эпидермиса. Из каждой части получили «фарш» путем измельчения дермы и эпидермиса [8].
Технология Cell-in-a-Box позволила инкапсулировать клетки в защитный, полупроницаемый шарик на основе целлюлозы. Небольшие поры в бусинах позволяют проходить обмену питательных веществ, но клетки внутри бусинок сохраняются. Бусины способны выдерживать до 6 месяцев в имплантате, иммунного ответа хозяина нет. Эти характеристики позволяют встроенным клеткам расти в течение более длительного времени, чем традиционная двумерная клеточная культура. Эта технология была выбрана, как метод исследования и анализа взаимодействия между средами-хозяина и трансплантированными клетками. Капсулы, содержащие дермальные клетки с зеленым флуоресцентным белком, которые получили от новорожденных мышат с красным флуоресцентным белком, были подкожно пересажены мышам без шерсти. Пустые капсулы пересадили как контрольную группу. Каждая группа состояла из 6 мышей, которым в целом было пересажено по 10 капсул. Клетки смесей с красным флуоресцентным белком вводили под поверхностный слой подкожных тканей мышам с зеленым флуоресцентным белком. Никаких побочных эффектов не наблюдалось после трансплантации капсулы. Это указывает на то, что трансплантированные клетки могли принимать все питание от хозяина, но при этом были изолированы от клеток-хозяев. Рана зажила без осложнений. Ученые пришли к выводу, что если инкапсулированные клетки получают достаточное количество питательных веществ от хозяина, то они могут образовывать зрелые фолликулы волос при изоляции от клеток-хозяев [4].
Волосяные фолликулы представляют собой весьма информативную модель для изучения механизмов в области регенерации. Различные исследования подтвердили, что волосяные фолликулы могут быть восстановлены путем пересадки соответствующих клеток, но механизм этого процесса не совсем ясен. Хорошо известно лишь то, что микроокружение играет важную роль в клеточной пролиферации и дифференцировке (рис. 1). Микросреда обычно состоит из следующих групп: клетки (лейкоциты, фибробласты и адипоциты), факторы роста (трансформирующий фактор роста, фактор роста эндотелия сосудов и фактор роста фибробластов), внеклеточный матрикс (ламинин, фибронектин, протеогликан), и сигнальные молекулы (например, костный морфогенетический белок).
Рис. 1. Восстановление волосяных фолликулов и появление новых адипоцитов.
Ученые из Центра биологии развития RIKEN (Япония) успешно смогли создать ткань кожи, которая содержит волосяные фолликулы и сальные железы. Затем эту кожу имплантировали живым мышам, ткани образовывали связи с другими системами органов, такими как нервы и мышцы. Ученые использовали стволовые клетки для создания слоев кожи. Техническим термином для стволовых клеток, которые они использовали, являются перепрограммированные iPS-клетки. Команда доктора Цудзи взяла клетки из десен мышей и использовала химические вещества, чтобы превратить их в iPS-клетки. Затем они культивировали клетки, трансплантировав их на мышей, где они превращались в функционирующую ткань кожи. Как только клетки кожи дифференцировались, их пересаживали на разных мышей, где они начали естественным образом расти с фолликулами и железами и развивали связи с нервами и мышцами. Таким образом, биоинженерная кожа способна расти так же естественно, как и нормальная кожа без трансплантации [7].
До сих пор искусственное развитие кожи было затруднено тем фактом, что на коже не хватало волосяных фолликулов и экзокринных желез, которые играют важную роль в регуляции. Мы все ближе приближаемся к мечте о возможности воссоздания реальных органов в лаборатории для трансплантации, а также считаем, что ткань, выращенная этим методом, может быть использована в качестве альтернативы тестированию на животных химических веществ.
После того как стал понятен принцип регенерации волосяного фолликула возвратимся к начальной теме. Данное открытие было сделано при совместной работе ученых из Медицинской школы Перельмана в университете Пенсильвании и Лабораторией развития и регенеративной биологии Пликуса в Калифорнийском университете в Ирвине. Кристиан Ф. Герреро-Хуарес тесно сотрудничавший с проектом, комментировал открытие: «Как правило, миофибробласты, первичный тип клеток, обнаруженный в ранах, считались неспособными стать другими типами клеток. Однако наша команда обнаружила, что миофибробласты ран могут эффективно и стабильно превращаться в новые различные типы клеток, в частности новые адипоциты, необходимыми для здоровой кожи. В нашем исследовании установлено, что раны с волосяными фолликулами имеют факторы, которые могут перепрограммировать миофибробласты в адипоциты».
Раневым заживлением можно манипулировать, поэтому оно приводит к регенерации кожи, а не к образованию рубцов. Цель состоит в том, чтобы регенерировать волосяные фолликулы раньше. Как только это произойдет, жир будет регенерировать в ответ на сигналы, исходящие от этих фолликулов (рис. 2). Исследование также показало, что волосы и адипоциты могут развиваться отдельно, но зависимо. Сначала формируются волосяные фолликулы. Регенерирующим волосяным фолликулом образуются дополнительные факторы, которые служат для преобразования окружающих миофибробластов в жировые клетки, чтобы избежать образование шрама. Жировая ткань не образуется при отсутствии новых волос, но когда происходит восстановление волосяных фолликулов, новые клетки нельзя отличить от ранее существовавших жировых клеток. Исследователи определили, что костный морфогенетический белок инструктирует миофибробласты стать жировыми клетками [6, 9].
Рис. 2. Влияние волосяных фолликулов на преобразование адипоцитов.
Ученые разработали устройство, которое способно переключать функцию клетки только лишь одним касанием. Эта технология больше известна как тканевая нанотрансфекция, позволяющая в клетки кожи вводить генетический код, который изменяет их на другие типы клеток, необходимые для излечения. Перепрограммирование занимает несколько секунд: нужно коснуться чипом определенного места, а затем удалить его. В серии лабораторных тестов исследователи применили чип к конечностям мышей, которые практически не кровоснабжались из-за поврежденных сосудов. Исследователи перепрограммировали клетки кожи, чтобы они стали сосудистыми клетками. Через неделю начали появляться первые трансформации. Ко второй неделе образованы активные кровеносные сосуды, а к третьей неделе конечности мышей были спасены, при этом другой формы лечения не проводили [10].
Разница технологий заключается в том, как доставляется ДНК в клетки. Чип, нагруженный определенным генетическим кодом или определенными белками, помещается на кожу, а при помощи небольшого электрического тока создаются каналы в ткани. ДНК или РНК вводятся в полученные каналы и начинают перепрограммировать клетки. Этот метод эффективно работает до 98% не только на коже, но и на любом типе ткани. Ученые смогли вырастить клетки мозга на поверхности кожи мыши, собрать их, а потом перенести их в поврежденный мозг мыши. Всего через несколько недель после инсульта мозговая функция была восстановлена.
Заключение. Таким образом, регенерация эпителия без последующего образования соединительнотканного рубца вызвана функционированием миофибробластов. Регенерация ткани обусловлена ее перепрограммированием, которое вызывает сначала появление волосяных фолликулов, а они, в свою очередь, отвечают за регенерацию жировой ткани. Благодаря появлению волос на поврежденной ткани обеспечивается ее регенерация.
Регенерация
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.
Регенерацией называется восстановление организмом утраченных частей на той или иной стадии жизненного цикла. 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 повреждениями или утратой, называют физиологической.
Содержание
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.
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. 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 чем 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.