11 месяцев назад
Нету коментариев

Подавляющее большинство экспериментов по реге­нерации у позвоночных проведено на земноводных, особенно на саламандрах. Одной из наиболее интересных областей исследования было изучение способности саламандр к полному восстановлению конечностей, строение которых в принципе весьма сходно со строением конечностей человека. В рабо­тах, с результатами которых мы сейчас ознакомимся, были использованы два представителя саламандр: тритоны и животные, известные в основном по их латинскому названию Ambystoma — амбистомы.

Тритоны составляют широко распространенное се­мейство земноводных, представители которого оби­тают в различных частях света. В Соединенных Штатах Америки живет лишь два рода этих живот­ных. Тритоны откладывают икру в водоемах, где и развиваются личинки. После водной стадии личинки путем метаморфоза превращаются во взрослых три­тонов, которые проводят часть жизни на суше. Обычный на востоке США тритон Triturus virides­cens превращается сначала в сухопутную форму, известную как красный тритон, а еще через один— три года после нового изменения внешнего вида вновь возвращается в водную среду (рис. 13). Именно эта взрослая водная форма тритона наиболее широко использовалась в исследованиях регенерации.

Взрослый Triturus virides­cens

Взрослый Triturus virides­cens

Регенерационная способность амбистом семей­ства, живущего в Северной Америке, изучалась, как правило, на личиночной, незрелой форме животных, У этой формы, именуемой аксолотлем, скелет хря­щевой в отличие от костного скелета взрослых жи­вотных. К тому же конечности аксолотлей регене­рируют гораздо лучше конечностей взрослых амбис­том. Итак, мы видим, что эти две формы дают в руки исследователей широкий круг эксперимен­тальных возможностей (рис. 14, 15).

Личиночная форма (аксолотль) мраморной амбистомы

Личиночная форма (аксолотль) мраморной амбистомы

Взрослая форма мраморной амбистомы

Взрослая форма мраморной амбистомы

Оба вида саламандр удобны еще и тем, что их легко найти в природе и можно без особого труда содержать в лаборатории. Тритоны часто встречают­ся на отмелях в прудах с проточной водой или в озерах, где их легко поймать сетью или сачком. Студнеобразные скопления яиц большинства амбис­том можно найти в подобных же местах весной. Интересное исключение составляет мраморная амби­стома Ambystoma opacutn. Этот вид, обитающий на востоке США, выводит потомство в осенние месяцы, что весьма необычно для земноводных. Мраморная амбистома откладывает яйца в заполненные водой углубления, находящиеся на некотором удалении от прудов и озер. Если это скопление яиц перенести в лабораторию, то из них довольно быстро разви­ваются аксолотли.

Личинок амбистомы, а также взрослых тритонов следует содержать в аквариумах с прудовой или очищенной от хлора водопроводной водой. Но если тритоны прекрасно живут в общих аквариумах, то аксолотлей сразу после их вылупления необходимо перевести в индивидуальный контейнер, скажем в бумажную упаковку от молока, поскольку даже при нормальном питании эти животные склонны откусы­вать конечности у своих собратьев. За несколько недель личинки вырастают до размеров более двух с половиной сантиметров и могут быть использованы в экспериментах. Яйца амбистомы собирают лишь в определенные сезоны, только что развившихся личи­нок можно содержать в холодильнике или охлаждае­мой комнате и изредка кормить — в таких условиях их рост существенно замедляется. За несколько недель до опытов аксолотлей переносят в помещение с комнатной температурой и начинают часто кор­мить — нормальный ритм их роста восстанавливается.

Регенерация конечностей

Регенерация поврежденной конечности тритона или аксолотля происходит строго упорядоченно. Восста­навливающийся конец округляется, затем приобретает коническую форму, а поскольку он продолжает увеличиваться в длину, то становится похож на ласт. Вскоре начинают закладываться зачатки паль­цев, и этот процесс намного опережает окончательное формирование конечности (рис. 16). Регенерировав­шая конечность немного уступает по размерам ис­ходной, но в остальном полностью соответствует ей, как по внешнему виду, так и функционально.

Последовательные этапы регенерации конечности тритона

Последовательные этапы регенерации конечности тритона

Постепенное изменение внешней формы регенери­рующей конечности мало что говорит нам о том, что происходит с клетками внутри органа на разных ста­диях регенерации. Об этих изменениях можно, однако, узнать с помощью микроскопического исследования. Для этого у группы саламандр удаляют по одной передней конечности, и поочередно с интервалом в день фиксируют ампутированную конечность каждого животного. Получают серию конечностей, претер­певших процесс регенерации в течение одного, двух, трех и более дней. После специальной обработ­ки готовят очень тонкие срезы конечностей по дли­не, закрепляют их на стекле и окрашивают гистоло­гическими красителями, позволяющими легко рас­познать различные типы клеток. Получается своего рода подневный отчет о судьбе клеток за весь пе­риод регенерации.

Первая фаза регенерации, наблюдаемая на сре­зах,— заживление раны. Наружный покров конеч­ности составляют клетки эпидермиса. После ампута­ции конечности аксолотля или тритона, в каком бы месте она ни была, определенная часть клеток эпи­дермиса начинает перемещаться с культи на раневую поверхность и постепенно закрывает ее (рис. 17, А). После нескольких делений клеток на раневой поверх­ности формируется многослойное образование, име­нуемое апикальной шапочкой. Очень важным обстоя­тельством оказался контакт между клетками апикаль­ной шапочки и подлежащими тканями. Если в ре­зультате какого-либо воздействия этот контакт нару­шался, регенерационный процесс приостанавливался.

Вскоре после заживления раны в культе начи­нается своеобразный процесс «демонтирования», во время которого постепенно рассасываются ткани, непосредственно прилежащие к раневой поверхности. Особенно заметна перестройка мышечной ткани, волокна которой утрачивают упорядоченное располо­жение, делаются как бы «растрепанными». Из мышечных пучков выпадают отдельные мышечные клетки, подобные же изменения претерпевают и во­локна соединительной ткани вблизи конца культи.

Значительным изменениям подвергается также костная ткань ампутированной конечности. Костная ткань состоит из живых клеток, окруженных матрик­сом — плотным веществом, продуктом секреции кле­ток кости. Во время «демонтирования» утрачивается надкостница, костный матрикс разделяется на фрагменты, вокруг которых обнаруживаются клетки не­обычного типа, называемые гигантскими. Эти клетки, содержащие не менее трех ядер, захватывают и пере­варивают кусочки матрикса точно так, как это де­лают белые кровяные клетки, захватывающие и раз­рушающие микроорганизмы. После удаления разру­шенного материала освобождается место для роста новой кости и хряща.

В процессе рассасывания тканей, которое проте­кает значительно быстрее у личиночных форм, неже­ли у взрослых саламандр, концевая часть культи становится отечной и выпячивается наружу. Позже, как это видно на срезах конечности, в культе форми­руются скопления идентичных по внешнему виду клеток, утративших специализацию и чрезвычайно сходных с эмбриональными. Слой таких клеток нахо­дится на растущем конце поврежденной конечности непосредственно под апикальной шапочкой. Это и есть бластема, или регенерационная почка. Как вы помните, формирование бластемы характерно также для ранних стадий регенерации у планарий, причем происхождение ее клеток до сих пор неясно. Немало споров было и по вопросу о происхождении клеток бластемы в регенерирующих конечностях земновод­ных. Однако уже несколько десятков лет назад были проведены убедившие всех ученых эксперименты, по­казавшие, что клетки регенерационной почки берут свое начало не из какого-то резервного источника, а из зрелых клеток тканей культи, располагающихся близ места ампутации. Эти клетки подвергаются дедифференцировке, скапливаются на регенерирующем участке конечности и активно делятся.

Микроскопическое исследование клеток бластемы не обнаружило, какие именно ткани культи послужи­ли их источником. Логично предположить, что они могут происходить из мышечной, костной и соедини­тельной ткани остатка конечности. Но в процессе дедифференцировкиутрачиваются все признаки, ко­торые могли бы указать на какую-либо преемствен­ность. Для мышечных клеток характерны вытянутые волокна с поперечно расположенным материалом, обеспечивающим процесс сокращения. Костные и хрящевые клетки распознаются по присутствию матрикса, который они секретируют в окружающее пространство. Клетки бластемы не имеют ни одного из этих отличительных свойств, хотя по некоторым признакам и напоминают отдельные клетки соедини­тельной ткани, характеризующиеся крайне простой организацией. В последнее время исследователи предложили ряд методов, позволяющих не только «пометить» некоторые типы клеток, вовлекаемых в процесс дедифференцировки и формирования бласте­мы, но и установить судьбу клеток в уже сформи­ровавшемся регенерате конечности (см. гл. III).

После того как под закрывающим рану эпидер­мисом накопятся дедифференцированные клетки, бластема приобретает округлую форму, напоминая своеобразный холмик на поверхности культи. В этой фазе регенерации утратившие специализацию клетки начинают бурно делиться (рис. 17, Б), а в бластему постепенно врастают регенерирующие нервные во­локна. Достигнув апикальной шапочки, они распро­страняются между клетками эпидермиса, пронизы­вая таким образом весь регенерат.

Следующая стадия регенерации — стадия «кони­ческой» бластемы — является результатом активного деления дедифференцированных клеток культи. Она характеризуется налаживанием в регенерате нор­мального кровотока.

Конечность продолжает удлиняться, и в период, называемый стадией редифференцировки, постепенно восстанавливается структура утраченных частей. Первым указанием на восстановление специализации тканей является образование хрящевой «мозоли» во­круг поврежденного конца кости. После этого клет­ки, составляющие центральный участок бластемы, начинают формировать вокруг себя костный мат­рикс. Вскоре в регенерирующей конечности просту­пают очертания восстанавливающихся костей, а чуть позже в клетках бластемы, предназначенных для об­разования мышечной ткани, уже различаются волок­на (рис. 17, В). Мышечные волокна начинают врас­тать по направлению от культи к регенерирующему участку конечности, ластообразная форма которого указывает на идущий процесс восстановления кисти.

Различные стадии регенерирующей передней конечности тритона

Различные стадии регенерирующей передней конечности тритона

Хотя конечность аксолотля восстанавливается значительно быстрее, чем конечность взрослого три­тона, длительность стадии регенерации четко опре­делена как у личиночных, так и у взрослых форм земноводных. У взрослых тритонов, содержащихся при комнатной температуре, заживление раны начи­нается в первые 24 часа после отсечения конечности. «Бластема-холмик» выявляется через 15 дней, а «бластема-конус» — через 18—21 день. В период об­разования ластообразной формы конечности и локте­вого сгиба темп регенерационного процесса несколько замедляется. Затем регенерируют пальцы, полное число которых (четыре) восстанавливается к концу восьмой недели после ампутации. В противополож­ность взрослым земноводным при содержании пят­нистого или мраморного аксолотля в условиях ком­натной температуры заживление раны начинается в течение всего нескольких часов после ампутации ко­нечности. «Бластема-холмик» выявляется через 7 дней, «бластема-конус» становится видимой на 10-й день регенерации. «Пастообразная конечность у этих животных образуется через две недели после операции, а еще через неделю формируются все че­тыре пальца нормальной конечности.

Необходимы ли для регенерации нервы?

Чтобы процесс регенерации шел нормально, необхо­димы не только апикальная шапочка, прикрывающая и поддерживающая контакт с дедифференцированны­ми клетками бластемы, но и такие дифференцирован­ные ткани, как нервная и железистая.

Влияние, оказываемое нервной тканью на ход регенерации, обнаруживается в несложном опыте, состоящем в рассечении нервных стволов конечно­стей аксолотлей или тритонов, подвергающихся реге­нерации. От спинного мозга к передним конечностям животных отходят три основных нерва; там они разветвляются на большее число ветвей меньшего диаметра. На уровне плеча эти нервы идут еще тремя большими неразветвленными пучками волокон, лежа­щими вблизи друг друга. Именно в этом месте их лег­ко рассечь. После такой несложной операции (нося­щей название «денервация») конечность утрачивает контроль со стороны центральной нервной системы.

Перед проведением денервации (как, впрочем, и при любой хирургической операции, в том числе и при удалении участков конечности) исследователи подвергают экспериментальных животных анестезии. После того как обезболивающий эффект достигнут, животное помещают на увлажненной марле в чашку Петри и ставят на столик микроскопа с малым уве­личением. Если операция проводится на взрослом тритоне, для обнажения нервных стволов необходимо рассечь кожу и значительное количество мышечной и соединительной ткани. У личиночных форм до­браться до нервов проще, поскольку прикрывающий их слой ткани весьма тонок. После рассечения нер­вов с помощью глазных ножниц и окончания дейст­вия обезболивающего вещества саламандр переносят в контейнеры, в которых они содержались до опера­ции. При успешно проведенной денервацииопериро­ванная конечность утрачивает способность двигаться.

Когда начинались эксперименты по выяснению связи регенерационной способности животного с со­стоянием его нервной системы, исследователи прежде всего хотели знать, будет ли денервация влиять на восстановительный процесс и, если да, то на какой стадии. Если у вас есть собственные соображения по поводу последовательности экспериментов с такой целью, то набросайте этот план и проследите по книге, какие пути были избраны учеными, искавшими ответ на поставленные выше вопросы.

Денервацию проводили в разные сроки по отно­шению к ампутации конечности. В одних случаях она была осуществлена за несколько дней до удале­ния лапы, в других ее делали одновременно или спустя какое-то время после ампутации.

Животных ежедневно осматривали, из конечностей готовили срезы и окрашенные препараты для обна­ружения под микроскопом каких-либо изменений во внутренней структуре органа. На взрослых тритонах были получены следующие результаты. Если денервацию проводили до ампутации или одновременно с нею, образование бластемы никогда не происходи­ло. Рана заживала, наблюдалось некоторое нарушение структуры тканей культи, но никаких иных признаков регенерации обнаружить не удавалось, Таким же было течение регенерационного процесса и в случае, когда денервацию проводили вскоре после ампутации, когда бластема еще не успевала сформироваться,— оно было ограничено лишь зажив­лением раневой поверхности. Но если нервы рассека­лись в период, когда бластема уже была сформиро­вана, конечность тритона восстанавливалась. Таким образом, исследования показали, что нервная систе­ма необходима для начала регенерационного про­цесса, а после того, как сформируется бластема, вос­станавливающийся регенерат становится как бы не­зависимым от влияния нервной ткани.

Естественно предположить, что подобная зависи­мость справедлива и для процессов регенерации у аксолотлей, на самом же деле личиночные формы Ambystoma, подверженные аналогичному процессу денервации, реагируют несколько отличным от три­тонов образом. Если бластема уже сформировалась, регенерация, как и у тритонов, продолжается незави­симо от денервации. Если передняя конечность под­вергается денервации до или непосредственно во вре­мя ампутации либо сразу после удаления конечности, бластема и в этом случае, как у тритонов, не обра­зуется. Но тут возможно неожиданное явление: де­нервированные конечности постепенно начинают уко­рачиваться. Гистологическое исследование показало, что подобная регрессия обусловлена исчезновением тех клеток культи, которые обычно формируют блас­тему. Что вызывает этот неожиданный эффект и куда мигрируют дедифференцированные клетки культи, не ясно, но отмечено, что, если в остаток конечности вживить — причем в самое разное время после опе­рации — нервные стволы, культя подвергается реге­нерации, даже если этому предшествовала сущест­венная регрессия.

Регенерация конечности при отсутствии нервов

Итак, наличие неповрежденной нервной ткани явля­ется необходимым условием регенерации конечно­стей, хотя ее влияние необходимо лишь на опреде­ленных стадиях восстановительного процесса. Но тут имеется одно интересное исключение из правила. Обнаружено, что, если конечность аксолотля иннер­вирована небольшим числом нервных волокон или вообще лишена их с ранних эмбриональных стадий, ее регенерационная способность не утрачивается.

Чтобы обнаружить это явление, необходимо вы­растить саламандр, конечности которых никогда не имели нервов. Как этого достичь? На ранних стадиях развития на боковых поверхностях тела зародышей земноводных формируются почки конечностей, кото­рые выглядят небольшими выступами. Закладки по­степенно растут и приобретают форму конечностей. Именно в этот период в удлиняющуюся конечность начинают врастать нервные стволы, берущие начало от нервной трубки (закладки спинного мозга эмбри­она). Вот если бы извлечь нервную трубку перед началом иннервации конечностей! Но такая опера­ция невозможна — слишком большое число жизнен­ных процессов регулируется нервными импульсами, идущими от головного мозга через нервную трубку, чтобы после ее удаления у животного оставались шансы выжить. Для поставленной задачи необходимо выбрать иной путь.

В период, предшествующий формированию почек конечностей, отбирают пару эмбрионов амбистомы. С нижней правой части тела одного эмбриона и нижней левой части тела другого удаляют наружный слой тканей (эктодерму) и некоторую часть среднего слоя (мезодермы). Обработанные таким образом части эмбрионов совмещают друг с другом и фикси­руют на несколько часов. Этого времени оказывает­ся достаточно для слияния тканей, в результате чего образуются связанные друг с другом на весь период дальнейшего роста «близнецы». На следующей ста­дии развития у правого эмбриона удаляют нервную трубку. Левый эмбрион, обладающий всеми компо­нентами нервной системы, нормально питается сам и одновременно дает полное жизненное обеспечение правому члену пары, который становится своеобраз­ным паразитом своего близнеца. Продолжая расти, животные скоро приобретают характерные черты ак­солотлей, но близнец-паразит всегда гораздо меньше другого близнеца и его конечности полностью лише­ны нервов на всех стадиях формирования.

Как только подобные пары «близнецов» достига­ют определенной длины, у правого и левого аксолот­лей удаляют конечности. Как и следовало ожидать, ампутированные конечности левых эмбрионов, с нор­мальной иннервацией, полностью регенерируют. Но неожиданно к столь полному восстановлению оказы­ваются способны и конечности правого эмбриона.

Как же объяснить способность к регенерации ли­шенной нервов конечности в свете утраты подобной способности денервированными конечностями нор­мальных саламандр. Одно из возможных объяснений состоит в том, что после вживления нервов в разви­вающуюся конечность все ее ткани становятся в оп­ределенной степени зависимыми от влияния нервной системы, в результате чего регенерационный процесс не может происходить после денервации. Иными словами, конечности становятся «зависимыми» от присутствия в них неповрежденных нервов. Причины такого эффекта до настоящего времени полностью не ясны, однако, конечности «близнецов-паразитов» никогда не содержали нервов и, следовательно, не мог­ли приобрести той зависимости, которая характерна для нормальных конечностей. Именно благодаря «автономному» от нервной системы характеру разви­тия такие конечности и могут регенерировать без нервной ткани.

Эндокринная система и регенерация конечностей

Эндокринная система позвоночных представлена раз­личными железами внутренней секреции, которые вырабатывают биологически активные вещества, на­зываемые гормонами. Гормоны разносятся с током крови по всему организму и либо непосредственно регулируют деятельность какого-нибудь органа, либо стимулируют секрецию других эндокринных желез.

Роль, которую играет тот или иной гормон, мож­но уяснить следующим образом. У нескольких живот­ных удаляют одну и ту же железу. Наблюдаемые вслед за тем расстройства определенных функций организма позволяют предположить, что данные функции относятся к числу тех, которые регулируются гормонами, выделяемыми удаленной железой. Это предположение можно подтвердить или отвергнуть, если вводить оперированным животным один или це­лую серию гормонов и наблюдать, произойдет ли восстановление исходной функциональной актив­ности.

Участие эндокринной системы в процессе регене­рации конечностей земноводных изучалось примерно по тому же плану, что и при изучении действия нер­вов. Поскольку известно, что гипофиз («главная же­леза» внутренней секреции), расположенный у осно­вания головного мозга позвоночных животных, вы­рабатывает ряд гормонов, прямо или опосредованно влияющих на процессы роста, были поставлены опы­ты, в которых регенерацию конечностей тритонов и аксолотлей изучали на фоне удаленного гипофиза.

Чтобы обнаружить гипофиз саламандр, животных подвергают анестезии, а затем с помощью пары тон­ких пинцетов отгибают нёбный отросток верхней че­люсти. Крошечный гипофиз, лежащий непосредствен­но над ним, нетрудно удалить, всосав в оттянутый кончик стеклянной пипетки, после чего отросток воз­вращают на место.

При удалении гипофиза до ампутации, одновре­менно с ней или сразу после нее полное восстановле­ние конечности происходит редко. Если же гипофиз удаляется в период, когда бластема сформирована хотя бы до стадии «холмика», регенерация проходит нормально. Но наличие гипофиза чрезвычайно важ­но и для поздних стадий регенерации конечностей у взрослого тритона. Если гипофиз удаляется на 14-й день после ампутации, то через несколько недель наблюдается заметное отставание в росте развиваю­щихся бластем, а также признаки редифференциров­ки ее клеток (рис. 18).

Влияние удаления гипофиза на поздних стадиях регенерации

Влияние удаления гипофиза на поздних стадиях регенерации

Для выяснения, какие из гормонов гипофиза необходимы для нормального процесса регенерации, взрослым тритонам с удаленным гипофизом вводили разные гормоны, порознь и в сочетании. Наиболее эффективным в поддержании регенерационной спо­собности конечностей тритонов оказалось сочетание двух гормонов — пролактина и тироксина. Роль этих двух гормонов в развитии и обмене веществ у тритонов, очень важна, это было известно давно; но, каков путь влияния этих веществ на регенера­ционный процесс, пока неясно.

Поскольку реакция ампутированных конечностей личинок амбистомы на денервацию существенно от­личается от той, которая наблюдается у взрослых тритонов, логично ожидать, что удаление гипофиза также по-разному будет влиять на регенерацию у личиночных и взрослых форм саламандр. Подобная точка зрения подтвердилась: регенерация конечно­стей у аксолотлей протекает нормально независимо от того, удален гипофиз или нет, а если да, то в ка­кое время по отношению к ампутации. У этих ли­чиночных форм земноводных восстановление утра­ченных конечностей оказывается совершенно незави­симым от влияния столь важной эндокринной железы.

Перспективы исследований

Чтобы полностью понять процесс восстановления ко­нечностей у земноводных, равно как и процесс вос­становления утраченных частей тела у планарий, нужно получить ответы на многие вопросы. Что действительно происходит при дедифференцировке и редифференцировке клеток? Какие ткани культи являются источником клеток бластемы? В чем со­стоит специфика действия нервных и гормональных факторов на регенерацию конечности и почему личи­ночные и взрослые формы саламандр по-разному реагируют на денервацию и удаление гипофиза? Таковы основные вопросы. Близки ли мы к тому, чтобы дать на них ответ. Необходимо подчеркнуть, что благодаря ряду методических усовершенствова­ний и использованию биохимических исследований (детальнее мы поговорим об этом ниже) в разработ­ке этих вопросов достигнут существенный прогресс. Тем не менее размеры «белых пятен» в данной про­блеме еще очень велики.

Несомненно, при чтении этой главы у вас все время возникал еще один вопрос: могут ли достиже­ния в изучении регенерации у земноводных оказать­ся полезными для стимуляции восстановления конеч­ностей у человека? Немало людей, как специалистов, так и неспециалистов, в разное время пытались найти ответ на него. Постараемся и мы разобраться в нем в заключительной главе нашей книги.

РЕГЕНЕРАЦИЯ У ДРУГИХ ПОЗВОНОЧНЫХ

К высшим животным относятся следующие пять классов, перечисленных в соответствии с усложне­нием их организации: рыбы, земноводные, пресмыка­ющиеся, птицы и млекопитающие. Регенерационная способность присуща всем классам высших живот­ных, но в наибольшей степени она выражена у зем­новодных. У высших позвоночных можно наблюдать также необычные механизмы восстановительного ро­ста, не встречающиеся у беспозвоночных животных.

Рыбы

Ряд наружных структур многих видов рыб, например плавники, жабры, чешуя, усики (чувствительные ор­ганы, расположенные у некоторых видов вблизи рта), сравнительно легко поддаются восстановлению. У этой группы животных выявляется также уникаль­ный тип регенерации, не известный среди других видов животных. Если вы увлекаетесь разведением аквариумных тропических рыб или хотя бы изредка рассматривали их в большом аквариуме зоологиче­ского сада, вы знаете, что для «костюмов» обитате­лей теплых вод характерны яркие полосатые или пятнистые рисунки. У многих из этих видов рыб ре­генерация плавников сопровождается восстановле­нием цветового рисунка, свойственного утраченному органу. Подобная регенерация происходит у пресно­водной тропической рыбы, известной аквариумистам как данио розовый. Рыба раскрашена чередующими­ся красными, черными и желтыми полосами, идущи­ми вдоль тела животного, при этом три полосы в том же порядке переходят на плавники. После ампутации плавника на близком расстоянии от тела рыбы не только восстанавливается общая форма и отдельные части утраченного органа, но и четко проступают раскрашивающие линии, рас­положенные в том же порядке, как и в удаленном плавнике.

Подробное исследование данио розового с по­мощью микроскопа показывает, что характерные для этой рыбы цветные полосы состоят из многих клеток, содержащих гранулы соответствующего пигмента — красного, черного или желтого. Но каждый из этих видов пигментных клеток ведет себя по-разному в различные периоды восстановительного роста плав­ников (рис. 19). После отсечения плавника (через середину красной полосы, расположенной у самого тела рыбы) на раневой поверхности появляется ли­шенная всякой окраски бластема. Вслед за этим на­чинают постепенно отрастать костные лучи плавника в наружном направлении от мест их отсечения. Но даже через 20 дней после ампутации плавника, когда его общая структура уже восстановлена, на нем все еще нельзя различить ни одной цветной полосы, кро­ме исходной красной, сохраненной при операции, Практически вся вновь образованная ткань плавника состоит в это время из клеток, несущих желтый пиг­мент, и лишь незначительное число клеток несут гранулы черного пигмента. Оба типа клеток выгля­дят незрелыми и более мелкими по сравнению с нормальными клетками плавника. Это дает основа­ние предположить, что клетки регенерата дифферен­цировались из бесцветных пропигментных клеток (предшественников пигментных клеток), которые мигрировали во вновь формирующуюся ткань. И лишь позднее происходит восстановление общего харак­тера строения и окраски плавника. Красная полоса приобретает свою исходную ширину, зона, состоя­щая из смешанных клеток, сохраняет лишь клетки с черным пигментом, а желтая полоса занимает место у внешнего края плавника. Окраска плавника полностью восстанавливается через 45 дней после его ампутации.

Данио розовый

Данио розовый

Шпорцевая лягушка

Шпорцевая лягушка

Каким же образом осуществляются все эти про­цессы? Ведь восстанавливается не только трехцвет­ная окраска плавника, но и практически равная исходной ширина каждой полосы. После проведения многочисленных экспериментов было сделано заклю­чение, что в процессе регенерации происходит свое­образное взаимодействие трех видов пигментных кле­ток на основе поэтапного клеточного антагонизма:

1. Вначале в регенерирующем плавнике находят­ся н черные, н желтые незрелые пигментные клетки, но эта взаимная толерантность (не­восприимчивость) не может долго продол­жаться. Предполагают, что при созревании желтые клетки выделяют вещество, способное диффундировать на некоторое расстояние и разрушать лежащие рядом с желтыми клетки, несущие черный пигмент.,

2. В то время как в черно-желтой зоне идет этот процесс деструкции, красные пропигментные клетки постепенно проникают в формирую­щийся плавник и там в зоне, граничащей с остатком красной полосы, созревают, восста­навливая таким образом ее исходную ширину.,

3. Созревающие красные клетки тоже начинают выделять вещество, обладающее способностью диффундировать и поражать желтые пигмент­ные клетки. Поэтому вблизи красной полосы разрушаются желтые клетки и остаются непо­врежденными черные. В результате желтая полоса может восстановиться лишь у внешне­го края регенерирующего плавника, что и происходит в действительности, а в середине остается черная полоса.

Хотя предложенные теоретические рассуждения и не объясняют всех явлений, происходящих при вос­становлении окраски данио розового, изложенная ра­бочая гипотеза может служить хорошей основой для дальнейших экспериментов.

Земноводные

Класс позвоночных, называемых земноводными, или амфибиями, делится на две основные группы: хвоста­тые амфибии (саламандры) и бесхвостые (лягушки, жабы). Мы уже познакомились с большим материа­лом по регенерации конечностей у саламандр — груп­пы амфибий, представители которой не теряют хвост в процессе метаморфоза и проводят большую часть своей взрослой жизни в водной среде. В личиночной стадии хвостатые амфибии могут восстанавливать различные органы и части тела. В дополнение к ис­следованиям регенерации конечностей у личинок амбистом (аксолотлей) значительное внимание уделяется закономерностям восстановления хвоста и регенерации участков позвоночника. Различные виды тритонов способны во взрослом состоянии восстанавливать части скелета, глаз и внутренних органов по­мимо уже известной нам способности к регенерации конечностей.

Из крупных саламандр к регенерации способны представители видов, для которых характерно явле­ние неотении, то есть достижение половой зрелости и размножение при сохранении личиночной организа­ции. Животные этих видов проводят всю жизнь в воде. Примером такого неотенического животного является американский протей (Necturus), довольно часто используемый в опытах по регенерации в США. Его легко узнать по перистым наружным жабрам, сохраняющимся на протяжении всей жизни животно­го (рис. 20, А). Другим представителем неотеническихформ хвостатых амфибий является личинка мексиканской амбистомы, или аксолотль (рис. 20, Б). Мексиканского аксолотля чаще используют для экс­периментальных целей, так как его проще содержать в лабораторных условиях по сравнению с протеем. Когда неотенические животные достигают своего максимального размера (более 20 сантиметров), они становятся сходными с крупными саламандрами. Но у последних для полной регенерации конечностей требуется не менее нескольких месяцев, а у протея и аксолотля всего недели. Вот почему протей и аксо­лотль являются удобным объектом для исследовате­лей, обычно стремящихся получить результаты экспе­риментов как можно быстрее.

Лягушки и жабы ведут более наземный образ жизни, чем саламандры, и во взрослом состоянии не имеют хвоста. У личиночных форм этих животных (головастиков) регенерируют многие структуры тела, но у взрослых животных при нормальных условиях эта способность отсутствует. Как установлено, резкое падение способности к регенерации конечностей про­исходит после прохождения головастиками метамор­фоза, когда у них развиваются органы, обеспечиваю­щие им способность к выживанию на суше. Но нет правила без исключений. У южноафриканской шпор­цевой лягушки (Xenopus) способность к регенерации конечностей сохраняется и во взрослом состоянии. Однако внешний вид регенерирующей конечности Xenopus существенно меняется. Восстановившаяся конечность, как правило, заканчивается не кистью о полным набором пальцев, а странной структурой, напоминающей вытянутый шип (рис. 20, В).

Пресмыкающиеся

У многих ящериц при захвате хвоста противником срабатывает отбрасывающий механизм, сходный с имеющимся у некоторых представителей членистоногих. Отбросив хвост, животное уходит от опасности, а утраченный орган постепенно восстанавливается. Поскольку ящерицы — позвоночные животные, их спинной мозг заходит в хвост и защищен костными позвонками. При внезапном сокращении мускулату­ры позвонки разделяются в определенной точке, обеспечивая таким образом отбрасывание хвоста.

Пресмыкающиеся могут восстанавливать утрачен­ную чешую, у этой группы сухопутных животных по­стоянно происходит обновление зубов. Однако хвост является единственным органом рептилий, регенери­рующим в нормальных условиях. Восстановительный рост хвоста после его потери в естественных условиях или после удаления хирургическим путем начинается с процесса дедифференцировки тканей культи и последующего образования бластемы, то есть типич­ных стадий регенерации, с которыми мы уже доста­точно познакомились. Но некоторые черты регенера­ции хвоста у ящериц необычны. Во-первых, при фор­мировании бластемы в ее ткани различима закладка восстанавливающегося спинного мозга, но эта струк­тура берет начало не из дедифференцированных кле­ток, а растет непосредственно из участка мозга, оставшегося в неповрежденном фрагменте хвоста. Во-вторых, регенерировавший хвост не имеет формы, характерной для исходного органа, как бывает при восстановлении конечностей у земноводных или плав­ников у рыб. В новом хвосте спинной мозг оказыва­ется восстановленным не на всю свою длину, наруж­ная сегментация не выражена, а костных позвонков вообще нет. Тем не менее происходит реднфференцировка тканей мышц и хряща, восстанавливается и чешуя.

Зависит ли регенерация хвоста у ящерицы от при­сутствия нервов, как это бывает при регенерации конечностей у амфибий? По-видимому, да, поскольку при экспериментально заблокированном выросте спинного мозга восстановления хвоста не произойдет. Но для обеспечения регенерации хвоста оказываются необходимыми не столько сами нервные волокна, сколько клетки, выстилающие спинномозговой канал. Дальнейшие исследования прояснят роль этих клеток в восстановлении хвоста и, возможно, обнаружат общие для амфибий и рептилий закономерности ре­гуляции органами нервной системы восстановитель­ных процессов.

Птицы

О регенерационной способности птиц известно очень мало, за исключением того, что они периодически сбрасывают и восстанавливают перьевой покров. Регенерация выпавших перьев (или перьев, удален­ных искусственным путем) очень напоминает про­цесс роста этих образований у эмбрионов птиц неза­долго до их вылупления. В кожном слое эмбриона формируются размещенные в правильной геометриче­ской последовательности небольшие перьевые почки, или сосочки, каждый из которых состоит из внутрен­него слоя богатой кровеносными сосудами мягкой пульпы и наружного эпидермального покрова. Посте­пенно почки начинают расти внутрь кожного слоя. Каждая из них при этом формирует перьевое влага­лище, или фолликул, после чего начинается диффе­ренцировка перьевых структур. Затем сосочек удли­няется, растет наружу и вскоре уже выступает из отверстия фолликула. Все более удлиняясь, перьевой сосочек приобретает коническую форму; эпидермаль­ные клетки, занимающие его наружный слой, уплот­няются и окружают растущее перо своеобразной за­щитной оболочкой. Тем временем более глубоко рас­положенные эпидермальные клетки формируют между защитной оболочкой и пульпой, через которую поступает питание, части будущего пера. Когда перьевой вырост достигает нормальной длины, обо­лочка вскрывается, находящиеся под ней мягкие части пера раскручиваются, а пульпа постепенно рассасывается. Часть перьевого сосочка в основании каждого фолликула всегда сохраняется, обеспечивая тем самым восстановление пера во время линьки: вновь образующиеся перья просто выталкивают из перьевых влагалищ своих предшественников.

Линька происходит у птиц один-два раза в год, обычно этот процесс связан с периодом размножения. В период ухаживания, предшествующий спариванию, птицы одеты в яркий брачный наряд, тогда как в зимние месяцы — в более скромные одежды. Один перьевой сосочек дает начало перьям и того и дру­гого типа. Обычно птицы не теряют сразу всего перьевого покрова, хотя есть и исключения из этого правила. Например, пингвины — нелетающие пти­цы — теряют все свои перья одномоментно, и в пери­од линьки их часто можно видеть стоящими в груде перьев. На восстановление оперения пингвинов идет всего 14 дней, поскольку им не требуется регенери­ровать отсутствующие у этих птиц большие маховые перья.

Млекопитающие

На протяжении всей эволюции животного мира по мере перехода от низших форм к высшим совершен­но явно прослеживается постепенное снижение спо­собности животных к восстановлению конечностей или других важных частей тела (восстановительная, или репаративная,регенерация). Эта тенденция так сильно выражена, что у многих высокоорганизован­ных животных регенерационная способность кажет­ся совсем утраченной. У теплокровных позвоноч­ных, птиц и млекопитающих, основной тип восстанови­тельного процесса сводится к заживлению случайных повреждений в костях, мышцах, коже или нервных волокнах. Чтобы подробнее рассмотреть ход регене­рации в этих структурах у млекопитающих, познако­мимся сначала с их нормальным строением и типич­ными примерами повреждений.

РЕГЕНЕРАЦИЯ МЫШЦ

Поперечнополосатые мышцы состоят, как показывает микроскопическое исследование, из большого числа длинных цилиндрических клеток, лежащих парал­лельными пучками и соединенных друг с другом соединительной тканью. Каждое мышечное волокно окружено оболочкой и содержит множество ядер и вытянутых волоконец (фибрилл) с поперечной исчерченностью, несущих вещества, которые обеспечивают сократительную деятельность мышц. По периферии мышечного волокна, непосредственно под его оболоч­кой, при микроскопировании обнаруживаются свое­образные «клетки внутри клетки», получившие на­звание клеток-сателлитов.

При повреждении мышечной ткани млекопитаю­щих, например при сильном сдавливании, происходит разрушение цитоплазмы мышечных волокон в зоне приложения силы. Эта обязательная стадия предше­ствует любому восстановительному процессу. На следующем этапе включаются в работу фагоциты, клетки-чистильщики, функция которых сводится к активному захвату и поглощению всякого рода пато­логического и инфекционного материала — бактерий, мертвых клеток или их фрагментов. В поврежденном участке мышцы сохраняются лишь оболочки мышеч­ных волокон, которые не подвергаются воздействию развертывающегося процесса поглощения поражен­ного материала. После этого в месте повреждения начинают скапливаться миобласты — веретеновидные клетки, имеющие по одному ядру, окруженному не­большим количеством цитоплазмы. Контактируя друг с другом, миобласты сливаются и образуют удлинен­ные структуры, по форме напоминающие трубочки. Происхождение миобластов недостаточно ясно; их предшественниками могут быть мышечные клетки, клетки соединительной ткани и клетки-сателлиты.

С этого момента регенерация мышц у млекопи­тающих в значительной степени зависит от сохранно­сти нервной ткани. Если это условие соблюдается, мышечные трубочки, образовавшиеся из слившихся миобластов, начинают расти, проникают в опустев­шие полости оболочек прежних мышечных клеток, которые теперь служат как бы каркасом для реге­нерирующей части мышц. Формируются дополнитель­ные части цитоплазмы, и в них появляются волокон­ца с поперечной исчерченностью. Процесс сопровож­дается восстановлением функциональной активности мышц.

Подобное замещение мышечной ткани (тканевая регенерация) происходит значительно быстрее, чем восстановительный рост мышц при полноценной ре­генерации конечности у земноводных (регенерация по типу эпиморфоза). Между двумя сравниваемыми процессами есть и еще одно различие. В случае регенерации целой конечности деструкция мускула­туры, культи принимает больший масштаб, чем при тканевой регенерации; кроме того, разрушению под­вергаются и оболочки клеток, а появлению новых мышц обязательно предшествует стадия формирова­ния бластемы. Вновь сформированные мышцы реге­нерировавшей конечности земноводных ничем не от­личаются от исходных, тогда как регенерирующие мышцы млекопитающих существенно уступают по размерам исходным. У низших позвоночных наблю­даются обе формы восстановительных процессов мускулатуры; у беспозвоночных животных, таких, как речные раки, тканевой регенерации мышц вооб­ще не бывает. Восстановление целых конечностей у ракообразных идет по типу эпиморфоза. Интересно, что «программа развития» у речных раков преду­сматривает восстановление именно целой конечности, а не какой-то определенной ткани, тогда как у эво­люционно более продвинутых млекопитающих ситуа­ция становится обратной.

РЕГЕНЕРАЦИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН

Нервная система высших животных подразделяется на центральную и периферическую. Млекопитающие не обладают способностью восстанавливать те или иные части центральной нервной системы (ЦНС), состоящей из головного и спинного мозга, но, как и другие позвоночные, успешно восстанавливают пери­ферические нервы в различных частях тела.

Нервы — это шнуровидные тяжи нервной ткани, образованные пучками нервных волокон, между которыми находится соединительная ткань; нерв среднего размера может включать до нескольких тысяч нерв­ных волокон. Исследование под микроскопом показы­вает, что каждое нервное волокно является отрост­ком (аксоном) одной нервной клетки, или нейрона, основная часть которой (тело) располагается либо в ЦНС, либо близ нее. Аксоны могут достигать значи­тельной длины. Каждый из них заканчивается, раз­ветвляясь, либо в каком-нибудь органе чувств — и в этом случае служит для передачи нервных импуль­сов от рецепторов к ЦНС (например, тепловых или болевых раздражений), — либо в каком-нибудь функционально-активном органе, например мышце или железе (рис. 21). В последнем случае нервные импульсы передают этим органам «инструкции» ЦНС, вырабатываемые ею в ответ на поступающие сигналы. Аксоны окружены шванновскими клетками, играющими важную роль в регенерации нервов. Имеющие форму спирали плотные слои этих клеток покрывают все волокно, создавая так называемую миелиновую оболочку (рис. 22).

Аксон

Аксон

Поперечный срез аксона

Поперечный срез аксона

При поражении периферического нерва, несмотря на полное разрушение аксонов на длительном протяжении, нейроны остаются, как правило, неповреж­денными благодаря их центральному расположению. Подобное повреждение обозначают термином «валлеровская дегенерация».

Процесс дегенерации, в результате которого разру­шаются аксон и миелиновая оболочка, распростра­няется на всю отделенную от нейрона часть нерва, в той же его части, которая осталась при теле нейрона, дегенерирует лишь очень небольшой отрезок. Полу­ченные в последнее время данные показывают, что за процесс деструкции ответственны шванновские клетки. Они разрушают аксон извне, а слой миелина, который они, собственно, и составляют, как бы изнутри.

Регенерация оставшейся части аксона начинается тогда, когда этот процесс еще в полном разгаре. Шванновские клетки, сопровождаемые соседними клетка­ми соединительной ткани, начинают размножаться на обоих концах разреза. Растут они навстречу друг другу, закрывая пораженную часть и располагаясь параллельными тяжами. Вслед за этим сообщество новых клеток начинает постепенно занимать место дегенерировавших отрезка аксона и миелиновой обо­лочки. На концах рассеченного аксона образуются небольшие ростовые конусы, или почки, которые по­степенно раздвигают сформированные ранее тяжи. Последние являются как бы направляющими рельса­ми для роста нервов. Вновь отросшие нервные волок­на вскоре окружаются шванновскими клетками, ко­торые образуют новый слой миелина, после чего нервные волокна, пока еще очень тонкие, вновь иннервируют участок тела, который исходно нахо­дился под контролем поврежденного нерва.

Нервы, являющиеся компонентами регенерирую­щей конечности саламандр, восстанавливаются таким же образом. В начальных стадиях восстановительного роста аксоны, проникающие внутрь клеток ранней бластемы, лишены наружной оболочки. Она появля­ется из шваниовских клеток к началу образования пальцевых выростов; нервы становятся миелинизированными к моменту полного восстановления конеч­ности.

РЕГЕНЕРАЦИЯ КОЖИ

Полный комплекс восстановительных процессов, за­хватывающих и нервную и мышечную ткани, у чело­века протекает сравнительно редко, лишь при серь­езных повреждениях. Но вы несомненно наблюда­ли репаративную регенерацию, которая происходит при нанесении значительно менее серьезных пораже­ний. Заживление переломов в костях — процесс, практически недоступный для наблюдения, чего нель­зя сказать о заживлении ранки на коже, нанесенной, скажем, при неаккуратном пользовании ножницами. На примере этого процесса вы можете легко позна­комиться с закономерностями регенерации кожи.

Кожа человека состоит из наружных слоев эпи­дермиса и подлежащей дермы. При разрезе кожи а ранку устремляется кровь, вскоре она образует там сгусток, после чего постепенно развивается воспали­тельная реакция. Ее характерной чертой является выход лейкоцитов (белых кровяных клеток) из не­поврежденных кровеносных сосудов близ места по­ражения и инфильтрация ими раневого участка. Лейкоциты захватывают частицы грязи и бактерии, попадающие в рану (рис. 23, А). К признакам воспа­ления относятся также болезненность и отечность поврежденного участка кожи. Отек объясняется уси­лением кровотока в близлежащих кровеносных сосу­дах, которые в результате существенно расширяются. Кроме того, стенки кровеносных сосудов выделяют довольно большое количество жидкости, которая тоже вызывает растяжение тканей.

Под прикрытием подсохшего кровяного сгустка, или струпа, клетки эпидермиса и дермы постепенно начинают восстановление кожи. Клетки внешних слоев кожи вовлекаются в процесс следующим образом. Под кровяным сгустком скапливаются эпидермаль­ные клетки, перемещающиеся сюда из окружающих неповрежденных участков. Мы уже сталкивались с подобным явлением, обсуждая ход восстановления конечности у земноводных. Образовав сплошной слой, мигрирующие клетки начинают делиться, пока общая масса клеток не обеспечит восстановления нормаль­ной толщины эпидермиса. В это же время фибробласты, составляющие основной клеточный элемент соединительной ткани, мигрируют в пораженную зону и, размножаясь, увеличивают там свое число. Кроме того, фибробласты выделяют фибриллярный белок — коллаген (рис. 23, Б). Молекулы коллагена сначала формируют тонкие нити, образующие ткань раневого рубца, которые позднее распадаются с тем, чтобы соединиться в тонкие пучки, соответствующие исходной неповрежденной соединительной ткани. К этому времени струп отпадает и восстановление кожного покрова в основных чертах завершается (рис 23, В). У детей и молодых лиц заживление ран протекает довольно быстро, но с возрастом время, необходимое для этого процесса, существенно удли­няется.

Стадии заживления кожного разреза у человека

Стадии заживления кожного разреза у человека

ДРУГИЕ ВИДЫ РЕГЕНЕРАЦИИ

Термин «регенерация» может употребляться в широ­ком смысле, включая различные восстановительные процессы, отличающиеся от уже известного нам про­цесса восстановления утраченных частей тела. У мно­гих животных имеется целый ряд органов и тканей, которые подвергаютсяестественному процессу обнов­ления — так называемой физиологической, или пов­торной, регенерации. Это касается перьев у птиц, че­шуи у пресмыкающихся, экзоскелета у членистоногих и некоторых частей тела у млекопитающих, утрачи­ваемых в процессе нормальной жизнедеятельности: волос или шерсти, наружных слоев кожи, ногтей, внутренней выстилки матки, клеток крови и т. п. К этому процессу относится и смена рогов у оленей, которая, как вы узнаете позже, является гормональ­но регулируемым событием, тесно связанным с изме­нением продолжительности суток в разные времена года в различных климатических зонах.

Еще одним видом регенерации, обозначаемой тер­мином «.компенсаторная гипертрофия», является реак­ция внутренних органов, таких, как печень или почка, на хирургическое вмешательство. При частичном удалении печени в эксперименте на мышах и крысах наступает компенсация утраченной части органа за счет увеличения оставшейся, хотя восстановления ис­ходной формы печени не происходит. Если удаляются две или три доли печени, оставшаяся часть благода­ря быстро -разворачивающемуся процессу клеточного деления достигает суммарных размеров целого орга­на. По-видимому, существует определенный механизм, регулирующий эту форму клеточного роста, потому что постепенно бурное деление клеток замедляется и вообще останавливается, когда печень достигает нор­мального размера. То же самое наблюдается при ре­генерации почки у млекопитающих. Если удалить одну почку, отдельные клетки парного органа начи­нают увеличиваться в размере и числе, их рост про­должается до тех пор, пока оставшаяся почка не достигнет 60—70% общего веса обеих почек. Это обеспечивает оставшейся почке возможность функ­ционировать с почти двойной интенсивностью и ком­пенсирует потребность организма в очистке от фи­зиологических шлаков.

comments powered by HyperComments