Биореактор помог лягушкам регенерировать лапы
Учёные создали устройство, способное индуцировать частичную регенерацию задних конечностей у взрослых водных африканских когтистых лягушек (Xenopus laevis), «запуская» восстановление тканей в месте ампутации. Результаты, опубликованные 6 ноября в журнале Cell Reports, представляют новую модель для тестирования «электроцефтиков» — терапий, стимулирующих клетки.
«В лучшем случае взрослые лягушки обычно отращивают лишь бесформенный тонкий хрящевой шип, — говорит старший автор Майкл Левин, биолог-эволюционист из Центра Аллена при Университете Тафтса. — Наша процедура вызвала у них регенеративный ответ, которого в норме не бывает, что привело к появлению более крупных и структурированных конечностей. Устройство-биореактор запустило очень сложные последующие процессы, которыми биоинженеры пока не могут управлять напрямую».
Устройство было напечатано на 3D-принтере из силикона и заполнено гидрогелем — липким сгустком полимеров. В гидрогель добавили увлажняющие шёлковые белки, способствующие заживлению и регенерации, а также прогестерон. Этот гормон известен своей ролью в подготовке матки к беременности, но также показал способность стимулировать восстановление нервной, сосудистой и костной ткани.
Лягушек разделили на три группы: экспериментальную, контрольную и «плацебо». В экспериментальной и «плацебо»-группах устройство пришивали сразу после ампутации конечности. В экспериментальной группе биореактор высвобождал прогестерон на место ампутации. Во всех случаях устройства удаляли через 24 часа.
Наблюдая за лягушками экспериментальной группы в течение 9,5 месяцев, учёные заметили, что биореактор вызвал степень регенерации, не наблюдавшуюся в других группах. Вместо типичной шипообразной структуры лечение привело к формированию лопастевидного образования, более близкого к полноценной конечности, чем при естественной регенерации.
«Биореактор создал поддерживающую среду для раны, в которой ткань могла расти, как во время эмбриогенеза, — говорит Левин. — Очень кратковременное применение биореактора и его полезной нагрузки запустило месяцы роста и паттернирования тканей».
Команда Левина детально изучила регенерированные структуры с помощью молекулярного и гистологического анализов. Они увидели, что, в отличие от контрольной и «плацебо»-групп, регенерирующие конечности лягушек, обработанных биореактором, были толще, с более развитыми костями, иннервацией и васкуляризацией. Анализ видеозаписей показал, что эти лягушки плавали более похоже на неампутированных особей.
Секвенирование РНК и анализ транскриптома выявили, что биореактор изменил экспрессию генов в клетках в месте ампутации. Были повышены гены, вовлечённые в окислительный стресс, серотонинергическую сигнализацию и активность белых кровяных телец, в то время как некоторые другие сигнальные гены были подавлены.
Исследователи также отметили, что у лягушек с биореактором были снижены рубцевание и иммунный ответ, что позволяет предположить: добавленный прогестерон ослабил естественную реакцию организма на травму, что благоприятствовало процессу регенерации.
«Как в репродукции, так и в своей недавно открытой роли в работе мозга, действие прогестерона является локальным или тканеспецифичным, — говорит первый автор Селия Эррера-Ринкон, нейробиолог из лаборатории Левина. — Наш подход демонстрирует, что, возможно, репродукция, работа мозга и регенерация связаны теснее, чем мы думаем. Возможно, они используют общие пути и элементы общего — и пока не до конца понятого — биоэлектрического кода».
Лаборатория Левина продолжит изучать биоэлектрические процессы для индукции регенерации спинного мозга и репрограммирования опухолей. Они также надеются повторить эксперимент с биореактором на млекопитающих. Предыдущие исследования показывают, что мыши могут частично регенерировать ампутированные кончики пальцев в подходящих условиях, но их наземный образ жизни препятствует этому процессу.
«Почти все хорошие регенераторы — водные организмы, — говорит Левин. — Можно понять, почему это важно: мышь, которая потеряла палец или лапу, а затем стирает хрупкие регенеративные клетки о материал пола при ходьбе, вряд ли испытает значительную регенерацию конечности».
Левин планирует оснастить устройство датчиками для дистанционного мониторинга и оптогенетической стимуляции, что, как он надеется, улучшит контроль над принятием клеточных решений после травмы.