Χρήση μυϊκών βλαστοκυττάρων για αναγέννηση:Μαθήματα από Anole Lizards

Παρά τις πρόσφατες εξελίξεις στην αναγεννητική ιατρική, η εκ νέου ανάπτυξη ενός χαμένου μέλους είναι ένα ανυπέρβλητο κατόρθωμα για τα ανθρώπινα όντα, που προς το παρόν περιορίζεται σε υπερήρωες επιστημονικής φαντασίας και κόμικς. Για τα θηλαστικά, η απώλεια των εξαρτημάτων οδηγεί στο σχηματισμό ουλώδους ιστού με ελάχιστη έως καθόλου αναγέννηση, αφήνοντας τα θύματα τραυματικών ατυχημάτων ή γενετικών ανωμαλιών με περιορισμένες επιλογές θεραπείας και φροντίδας.

Προκειμένου να προσεγγίσουν αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες στράφηκαν στη μελέτη μοντέλων οργανισμών που υφίστανται ισχυρή αναγέννηση, όπως η ύδρα, τα σκουλήκια πλαναριού, τα ζέβρα και οι σαλαμάνδρες αξολότλ. Ωστόσο, ενώ έχουμε μάθει πολύτιμα μαθήματα σχετικά με την αναγέννηση από αυτά τα ζώα, όλα έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό:είναι αναμνιώτες - ζώα που μπορούν να γεννήσουν αυγά μόνο στο νερό - και έχουν μεγαλύτερη συγγένεια μαζί μας από τους αμνιακούς οργανισμούς, μια εξελικτική ομάδα που περιλαμβάνει ερπετά, πουλιά και άλλα θηλαστικά.

Οι σαύρες, που είναι ερπετά, είναι εξελικτικά τα πλησιέστερα σπονδυλωτά στον άνθρωπο που μπορούν να αναγεννήσουν ένα ολόκληρο προσάρτημα, και έτσι αποτελούν ένα εξαιρετικό μοντέλο για έρευνα. Πολλά είδη σαύρας έχουν την ικανότητα να αυτοματοποιούν (αυτοακρωτηριάζουν) την ουρά τους ως απάντηση στη θήρα και να αναγεννούν μια εντελώς νέα αντικατάσταση. Αυτή η διαδικασία έχει μελετηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια στο Anolis carolinensis , η πράσινη ανόλη, εγγενής στις νοτιοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες.

Η αναγέννηση της ουράς δεν είναι μια άμεση διαδικασία. χρειάζονται μήνες για να αναγεννηθεί πλήρως μια ουρά και περιλαμβάνει μια εξαιρετικά ενορχηστρωμένη, δυναμική σειρά γεγονότων. Αμέσως μετά την αυτοτομία, ένα επιθήλιο του τραύματος καλύπτει το σημείο του τραυματισμού και το προστατεύει από μόλυνση. Τις επόμενες 30-60 ημέρες, η αναγεννημένη ουρά επιμηκύνεται και οι διακριτοί ιστοί γίνονται εμφανείς. Ολόκληρες μυϊκές ομάδες αρχίζουν να σχηματίζονται και ένας χόνδρος σωλήνας αντικαθιστά τους χαμένους σπονδύλους. Το νεοσχηματισμένο αγγείο παρέχει στην αναγεννημένη ουρά οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά, ενώ τα νεύρα κατεβαίνουν και κάνουν συνδέσεις με τους μυς. Τέλος, οι ιστοί ωριμάζουν, δημιουργώντας μια λειτουργική ουρά.

Αν και κατανοούμε τη σειρά των γεγονότων που λαμβάνουν χώρα κατά την αναγέννηση της ουράς της ανόλης, πολλά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα:γιατί οι σαύρες μπορούν να αναγεννήσουν ολόκληρες νέες μυϊκές ομάδες και χόνδρο ενώ εμείς τα θηλαστικά όχι; Ποια είναι η πηγή των κυττάρων που δημιουργούν νέους ιστούς σε μια αναγεννούμενη ουρά; Ποια γονίδια οδηγούν αυτή τη διαδικασία; Είναι σημαντικό, τι μπορούν να μας πουν οι σαύρες που μπορούμε να εφαρμόσουμε στην ανθρώπινη αναγεννητική ιατρική;

Μια ομάδα επιστημόνων στο κρατικό πανεπιστήμιο της Αριζόνα προσπάθησε να απαντήσει σε αυτές τις ερωτήσεις εξετάζοντας ενήλικα μυϊκά βλαστοκύτταρα, που ονομάζονται δορυφορικά κύτταρα. Αυτά τα κύτταρα, τα οποία υπάρχουν σχεδόν σε όλα τα σπονδυλωτά, βρίσκονται αδρανοποιημένα στους σκελετικούς μας μύες. Μετά από έναν τραυματισμό στους μυς, όπως μπορεί να προκύψει από ένα ατύχημα ή μια έντονη προπόνηση, αυτά τα κύτταρα αντιλαμβάνονται τη βλάβη και ενεργοποιούνται. Σπεύδουν στο σημείο του τραυματισμού και βοηθούν στην αποκατάστασή του με τη σύντηξη μεταξύ τους για να δημιουργήσουν νέες μυϊκές ίνες. Ωστόσο, η δυνατότητα επιδιόρθωσης είναι περιορισμένη στα θηλαστικά και τα δορυφορικά κύτταρα δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν την εκτεταμένη μυϊκή βλάβη που προκαλείται από χρόνιες ασθένειες όπως μυϊκές δυστροφίες ή τραυματικά ατυχήματα. Αυτό έρχεται σε πλήρη αντίθεση με αυτό που βλέπουμε στις σαύρες, όπου μετά την απώλεια μιας ουράς, αναγεννούν εντελώς νέες, πλήρως λειτουργικές μυϊκές ομάδες.

Στην προσπάθεια να κατανοήσουμε πώς μπορεί να διαφέρουν τα κύτταρα δορυφόρου σαύρας, χρησιμοποιήθηκε μια μεταγραφική προσέγγιση για τη σύγκριση των κυττάρων δορυφόρου ποντικού, ανθρώπου και σαύρας. Οι μεταγραφικές αναλύσεις επιτρέπουν στους επιστήμονες να εξετάσουν όλα τα γονίδια που είναι ενεργά σε έναν συγκεκριμένο ιστό ή κύτταρο και να τα συγκρίνουν με άλλους ιστούς και κύτταρα προκειμένου να κατανοήσουν τις βιολογικές διεργασίες που παίζουν. Κανονικά, η σύγκριση μεταξύ διαφορετικών ειδών δεν είναι εφικτή, αλλά η χρήση ενός νέου αλγορίθμου, γνωστού ως XGSA (Cross-species Gene Set Analysis) επέτρεψε τη σύγκριση των επιπέδων γονιδιακής έκφρασης.

Τα ευρήματα ήταν εκπληκτικά:παρά τη διαφορά στην ικανότητα αναγέννησης, τα δορυφορικά κύτταρα σαύρας ήταν πολύ παρόμοια με τα δορυφορικά κύτταρα ποντικιού —ακόμα και ανθρώπινων—, όσον αφορά την παγκόσμια γονιδιακή έκφραση. Ωστόσο, μετά από βαθύτερη έρευνα και εξέταση μεμονωμένων γονιδίων, προέκυψαν βασικές διαφορές. Ενώ και οι δύο τύποι κυττάρων εξέφραζαν γονίδια που σχετίζονται με την ανάπτυξη, τη συντήρηση και την επισκευή των μυών, τα κύτταρα δορυφόρου σαύρας εξέφραζαν επίσης ένα μοναδικό σύνολο γονιδίων που εμπλέκονται στο σχηματισμό χόνδρου. Αυτό υποδηλώνει ότι τα κύτταρα δορυφόρου σαύρας μπορεί να συμμετέχουν όχι μόνο στην αναγέννηση των μυών αλλά πιθανώς και στο σχηματισμό χόνδρου — κάτι που δεν μπορούν να κάνουν τα κύτταρα δορυφόρου θηλαστικών.

Για να δοκιμαστεί αυτή η θεωρία, δορυφορικά κύτταρα από ποντίκια και σαύρες αναπτύχθηκαν σε πιάτα, σε τρισδιάστατες μικρομάζες. Μετά από μια εβδομάδα, τα κύτταρα επιθεωρήθηκαν χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο, ανάλυση γονιδιακής έκφρασης και τεχνικές ανοσοκυτταροχημείας. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα δορυφορικά κύτταρα του ποντικιού εξέφρασαν πρωτεΐνες απαραίτητες για το σχηματισμό μυών και συγχωνεύτηκαν μεταξύ τους σε μυϊκές ίνες. Τα δορυφορικά κύτταρα της σαύρας συγχωνεύτηκαν για να δημιουργήσουν μερικές μυϊκές ίνες, αλλά πολλά από τα κύτταρα συγκεντρώθηκαν σε πυκνούς χόνδρους όζους. Όταν εξετάστηκε η έκφραση γονιδίων και πρωτεϊνών, τα κύτταρα δορυφόρου σαύρας βρέθηκαν να εκφράζουν υψηλά επίπεδα γονιδίων και πρωτεϊνών ειδικά για τον χόνδρο, σε αντίθεση με τα δορυφορικά κύτταρα ποντικού.

Αυτά τα ευρήματα συμφωνούν με τα μεταγραφικά δεδομένα και πρότειναν ότι ενώ τα κύτταρα δορυφόρου ποντικιού είναι μονοδύναμα και μπορούν να γίνουν μόνο μυς, τα κύτταρα δορυφόρου σαύρας μπορούν να συμμετέχουν τόσο στην επισκευή των μυών όσο και στην επισκευή του χόνδρου. Αυτή η βασική διαφορά μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί, εν μέρει, η διαφορά στην ικανότητα αναγέννησης μεταξύ των δύο ειδών. Ας ελπίσουμε ότι η περαιτέρω έρευνα στο θέμα θα ρίξει φως σε νέες στρατηγικές για την προσέγγιση του προβλήματος της μηχανικής και της αναγέννησης ανθρώπινου ιστού.

Η αναγέννηση πολύπλοκων δομών απαιτεί μια ποικιλία διαφορετικών τύπων ιστών, όπως χόνδροι, μύες, νεύρα και δέρμα για να σχηματιστούν την κατάλληλη στιγμή και στη σωστή θέση. Επιπλέον, κάθε μεμονωμένος ιστός πρέπει να επικοινωνεί και να ενσωματώνεται σωστά με τους άλλους, προκειμένου να λειτουργεί ως σύνολο. Προς το παρόν, η εκ νέου ανάπτυξη ενός χαμένου μέλους παραμένει ένα δύσκολο έργο, αλλά ελπίζουμε ότι τα μαθήματα από τα δορυφορικά κύτταρα της σαύρας θα παρέχουν σημαντικά κομμάτια του παζλ.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Identification of satellite cells from anole lizard skeletal muscle and demonstration of expanded musculoskeletal δυναμικό, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Developmental Biology . Η έρευνα διεξήχθη από τους Joanna Palade, Elizabeth D. Hutchins, Rajani M. George, John A. Cornelius, Alan Rawls, Kenro Kusumi και Jeanne Wilson-Rawls από το State University της Αριζόνα και τους Djordje Djordjevic και Joshua Ho από το Victor Chang Cardiac Ινστιτούτο Ερευνών.