РЕГЕНЕРАЦІЯ У ТВАРИН
Регенерація (від лат. regeneratio – відновлення) – це, в самому широкому розумінні, заміщення різних структур організму (від частин клітин до великих частин тіла) після природного зношування або випадкової втрати. До регенерації слід також віднести формування додаткових структур, які інколи з’являються у відповідь на пошкодження. Дуже важко провести межу між власне регенерацією та рядом інших процесів, у тій чи іншій мірі подібних до регенерації: вегетативним розмноженням, соматичним ембріогенезом, компенсаторними змінами пошкоджених органів, пухлинним ростом. Соматичним ембріогенезом називається формування цілої особини із невеликих шматочків тіла (при цьому нова особини розвивається за механізмами, подібними до її ембріонального розвитку). Це явище зустрічається у ряду нижчих безхребетних: губок, кишковопорожнинних, плоских червів. Токін Б.П. і Короткова Г.П. запропонували відносити до соматичного ембріогенезу лише ті випадки, коли морфологічна вісь особини виникає заново, а до регенерації – лише ті відновні процеси, при яких стара вісь зберігається. Традиційно регенерацію поділяють на фізіологічну та репаративну.
Фізіологічна регенерація. Фізіологічною регенерацією називаються постійні відновні процеси, пов’язані з руйнуванням внутрішньоклітинних структур та із загибеллю клітин у ході нормальної життєдіяльності організму. У різних тканинах і органах пошкоджуваність внутрішньоклітинних структур і самих клітин неоднакова і залежить від багатьох факторів: режиму функціонування, ступеня спеціалізованості, дії ушкоджуючих факторів та ін.. Інтенсивна діяльність клітини супроводжується руйнуванням її структур, виснаженням енергетичних ресурсів і т.п.; все це повинно поповнюватися активною роботою внутрішньоклітинного біосинтетичного апарату. Якщо в результаті диференціації клітина частково або повністю втрачає біосинтетичний апарат (наприклад, еритроцит), то вона не в змозі поповнювати елементи і ресурси, що втрачаються, і гине. Інша причина загибелі клітин – дія пошкоджуючих факторів зовнішнього середовища, фізичних і хімічних агентів, отруєння продуктами метаболіту самої клітини чи інших клітин. Таким чином існують два рівні фізіологічної регенерації: 1. Внутрішньоклітинна регенерація, або регенерація на молекулярно-субклітинному рівні – це відновлення кількості внутрішньоклітинних елементів за допомогою біосинтетичного апарату клітини. Цей тип фізіологічної регенерації характерний для всіх тканин і органів, але його значимість особливо велика для тканин, що втратили здатність до регенерації шляхом клітинного розмноження. Так, клітини нервової тканини відновлюються тільки на молекулярно-субклітинному рівні, тому що вони (за рідкісним винятком) не здатні до поділу. 2. Проліферативная, або клітинна регенерація забезпечує поповнення кількості клітин шляхом поділу диференційованих клітин чи клітин ембріонального типу. У багатьох тканинах, особливо в сполучній і епітеліальній, існують спеціальні камбіальні клітини і вогнища їхньої проліферації: крипти в епітелії тонкої кишки, червоний кістковий мозок, проліферативна зона в епітелії кришталика і в епідермісі шкіри. Названі тканини мають надзвичайно високий рівень проліферативної фізіологічної регенерації. Це обумовлено тим, що еритроцити, клітини кишкового епітелію, кришталика, шкіри в результаті вузької спеціалізації втрачають біосинтетичний апарат і здатність до регенерації на молекулярно-субклітинному рівні. Ці клітини приречені на загибель після нетривалого функціонування. Наприклад, середній час життя еритроцита теплокровної тварини складає 2–4 місяці, протягом цього часу вся популяція еритроцитів крові гине і заміщується новою. Ще вище темп відновлення в епітелії тонкого кишечника теплокровних тварин. Тривалість життя його клітин визначається часом їхнього перебування у ворсинці, тобто, всього лише 2 доби. Інакше кажучи, кожні дві доби тварина скидає в просвіт кишечника весь старий епітелій і заміщає його новим. У результаті регенерації епітелію кишки клітинні втрати величезні, але безупинно відшкодовуються завдяки інтенсивній проліферації клітин крипт. Неперервно регенерує також сперматогенна тканина сім’яника, пов’язана з продукцією величезноі кількості сперматозоїдів. Зрозуміло, що темп і характер фізіологічної регенерації визначаються інтенсивністю й умовами функціонування тканини. Оскільки в ході еволюції хребетних відбувалася інтенсифікація функцій багатьох (а можливо, й усіх) тканин і відповідно вдосконалювалося фізіологічне забезпечення цих функцій, то змінювалася й активність їхньої фізіологічної регенерації. Тому інтенсивність функціонування органів і тканин і їхня фізіологічна регенерація у теплокровних тварин значно вища, ніж у холоднокровних тварин. Наприклад, темп відновлення кишкового епітелію у риб і амфібій набагато нижчий, ніж у птахів і ссавців. Посилення механізмів фізіологічної регенерації, як молекуляоно-субклітинної, так і проліферативної, на фоні загальної інтенсифікації метаболічних процесів у вищих (теплокровних) тварин – один із важливих проявів їхньої прогресивної еволюції.
Репаративна регенерація. Репаративною регенерацією називається відновлення частини організму замість пошкодженої, штучно видаленої, інколи – природно відкинутої; а також,– відновлення організму із його частини. Періоди репативної регенерації: 1) закриття рани)епітелізація і т.п.) й зміни, пов’язані безпосередньо з пошкодженням (запалення, фагоцитоз і т.п.); 2) закладка структур, що заново формуються; 3) ріст та диференціація тканин; 4) включення регенерату в організм (відновлення анатомічних зв’язків, іннервація, відновлення кровопостачання).
Клітинні джерела репаративної регенерації. Клітинні джерела регенерації: 1) малодиференційовані клітини: а) резервні (сплячі); б) стовбурові; 2) диференційовані клітини: а) дедиференціація й наступна редиференціація (утворюються диференційовані клітини того ж типу), регенераційна бластема; б) трансдиференціація (утворюються диференційовані клітини іншого типу, але цього ж зародкового листка) і метаплазія (утворюються диференційовані клітини іншого зародкового листка); в) функціонуючі клітини. 1а) Малодиференційовані сплячі (резервні) клітини, що збереглися в ході ембріогенезу. Тобто, в цьому випадку регенерацію забезпечують представники тих же популяцій клітин, які у ході ембріогенезу є попередниками клітин, що формують тканини й органи. Припускається, що невелика частина таких клітин зберігається у вигляді резерву в дорослому организмі. Чітко такий спосіб регенерації продемонстрований в нижчих тварин: кишковопорожнинних і червів. У кишковопорожнинних є так звані інтерстиціальні клітини, розташовані в обох зародкових листках поблизу від базалыюй мембрани. Це резервні камбіальні елементи, які при регенерації скупчуються поблизу раневої поверхні. З них можуть виникати всі інші типи клітин (наприклад, у гідри – епітеліально-м’язові, нервові, залозисті, жалкі та ін.). У плоских червів джерелом регенераційного матеріалу служать необласти. У скелетній мускулатурі є так звані міосателітоцити, які служать джерелом регенерації м’язевих волокон після ушкодження. 1б) стовбурові клітини (у тканинах з високою фізіологічною проліферативною регенерацією: кров, епідерміс шкіри і т.п.). 2а) дедиференціація і редиференціація клітин дефінітивних тканин – ще один зі шляхів утворення нових диференційованих клітин при регенерації. Цей спосіб добре продемонстрований на прикладі регенерації кінцівки хвостатих амфібій і в багатьох інших випадках. При регенерації кінцівки у хвостатих амфібій клітини поблизу раневої поверхні, що вціліли після ушкодження кінцівки, переходять у недиференційований стан (дедиференціюються). Тут утворюється конусоподібне скупчення таких недиференційованих клітин – регенераційна бластема, у якій клітини розмножуються і заново диференціюються у клітини того ж самого типу. Дуже імовірно, що дедиференціація йде не до кінця і кожен тип клітин у ході редиференціації відтворює тільки самого себе. 2б) трансдиференціація і метаплазія при регенерації – це перетворення одного типу диференційованих клітин в інші, але в межах свого зародкового листка (трансдиференціація), або ж в диференційовані клітини іншого зародкового листка (метаплазія). Такі процеси описані в ряду безхребетних тварин – кільчастих червів, немертин, кишковопорожнинних, асцидій. Так, немертина Lineus цілком відновлюється з передньої ділянки тіла, позбавленої ентодерми. При цьому клітини кишечника утворюються із мезенхімних елементів. Надзвичайно сильна метаплазія спостерігається при регенерації і безстатевому розмноженні таких порівняно високоорганізованих тварин, як асцидії. Ціла асцидія може відновитися з ділянки зяберної корзинки, яка є органом ектодермального походження. При безстатевому розмноженні асцидій всі органи тіла можуть заново виникати з так називаного епікарда – вироста кишечника, або з клітин мезенхімного типу. До метаплазії можна віднести і глибоку трансдиференціацію клітин у медуз. В них із ізольованої поперечно‑посмугованої мускулатури може виникати гладенька мускулатура, жалкі, травні та інтерстиціальні клітини, а при наявності контактів з ентодермою – і нервові клітини. Трансдиференційовки, що не виходять за межі одного зародкового листка, досить широко поширені серед хребетних. Класичний приклад такої трансдифференціації – відновлення вилученого в дорослого тритона кришталика з верхнього краю райдужної оболонки ока. Цей процес, що одержав назву вольфовскої регенерації (по імені німецького анатома Г. Вольфа, що описав її в 1895 р.), у наступному був детально досліджений. Було встановлено, що вольфовска регенерація починається з глибокої дедиференціації клітин краю райдужки, викидання з них пігментних гранул, підвищення змісту РНК і відновлення здатності до мітотичних поділів і до переміщень. Після того, як ці клітини утворять морфологічно помітний зачаток кришталика, у них у нормальній послідовності синтезуються типові для кришталика білки – кристаліни, тобто відбувається справжня трансдиференціація на молекулярному і клітинному рівнях. У хвостатих амфібій і осетрових риб вилучена сітківка може регенерувати з клітин пігментного епітелію і циліарного зачатка. При цьому також відбувається глибока перебудова клітин, пробудження в них мітотичних поділів, а потім і синтезу білків, специфічних для сітківки. За даними О.Г. Стройової, у пацюків перетворення пігментного епітелію в сітківку можливо тільки в ранній ембріональний період. Ця здатність зникає між 16 добою вагітності і народженням. Цікаво відзначити, що здатність ембріонального пігментного епітелію до диференціації в сітківку є причиною тяжкої ембріональної аномалії будови ока – колобоми, що виникає при затримці зрощення країв очної щілини в ході замикання очного бокала. В останні роки явища трансдиференціації відзначені й у ході регенерації кінцівки тритона й аксолотля: перетворення сполучнотканинних клітин у м’язові і м’язових – у хрящові. Ці дані отримані в дослідах по пересадці в кінцівку, що регенерує, клітин хряща чи м’язів, взятих від триплоїдних або мічених радіоактивним тимідином тварин. 2в) функціонуючі клітини (наприклад, паренхіма печінки).
Форми репаративної регенерації: Відсутність регенерації. Уже давно вважалося, що орган не регенерує у відповідь на ушкодження внаслідок відсутності таких специфічних ініціюючих факторів, як травмовані нерви чи раневий епідерміс, або ж внаслідок генетичної нездатності відновлювати втрачені органи. В багатьох випадках це безсумнівна істина, але стають усе більш очевидними взаємини між регуляцією морфогенезу й ініціацією регенерації, тобто, у деяких випадках причиною відсутності регенерації може бути невідповідність чи втрата морфогенетичної інформації. Типова регенерація (повне відновлення форми): Повне відновлення форми в більшості випадків відбувається в результаті епіморфної регенерації. Але й в інших системах регенерації також можливо відновлення нормальної форми. Так, у деяких війчастих найпростіших, наприклад Stentor, відновлюється вихідний зовнішній вигляд організму після значного руйнування, і ця форма регенерації не може вважатися епіморфною, тому що вона відбувається усередині однієї‑єдиної клітини. У деяких системах регенерації дійсно відбувається повне і досконале відновлення вилучених тканин, але морфогенетичні механізми різко відрізняються від тих, котрі виявляються в процесі регенерації шляхом епіморфозу. Атипова регенерація: Гіпоморфна регенерація, або неповне відновлення структур, досить широко розповсюджене явище у природі. Після ампутації кінцівки у дорослих жаб або в ящірок найчастіше формуються прості шиповидні структури. При регенерації кінцівок у комах і в деяких кільчастих червів також має місце різко виражений гіпоморфізм. Причини утворення гіпоморфних регенератів різні і поки що не до кінця з’ясовані. Наприклад, у епіморфних системах гіпоморфізм може бути наслідком недостатнього харчування, тривалої денервації, часткового рентгенівського опромінення, метаморфоза. Гіпоморфні регенерати можуть також розвиватися й у відповідь на застосування деяких методичних прийомів, що впливають на морфогенетичні взаємодії. Як в ембріональному розвитку, так і при регенерації все більша увага приділяється дослідженню взаємин між ростом і морфогенезом, і не викликає сумнівів, той факт що в багатьох випадках гіпоморфні регенерати виникають у результаті поступового припинення росту чи внаслідок формування неадекватних популяцій клітин у структурі, що розвивається. Так, у планарій утворюються, власне кажучи, нормальні особини, але розміри їх набагато менші, ніж у вихідних тварин, які були джерелом регенераційного матеріалу. Гіперморфна регенерація (суперрегенерація) – це коли в ході репаративної регенерації формуються структури, більші за втрачені. В крайніх випадках може призвести до пухлинного росту. Утворення додаткових структур в процесі регенерації: В певних умовах виникають подвоєні регенерати, або ж у регенератах формуються додаткові структури. Утворення додаткових структур у регенераті можна стимулювати і без видалення вихідної тканини чи органа. Це, між іншим, свідчить про те, що ампутація не є обов’язковою для ініціації регенерації. Утворення додаткових структур можна також стимулювати і посля ампутації. Наприклад, якщо видаляти в планарій головний відділ, а на культю нанести багато поздовжніх надрізів, то регенерують багатоголові планарії (мал. 5). Факт утворення додаткових кінцівок став особливо цікавою моделлю для вивчення механізмом морфогенезу. Бейтсон (Bateson, 1894) вивчивши велику кількість додаткових структур, що утворюються в процесі регенерації, сформулював узагальнення, відоме як закон Бейтсона: додаткові кінцівки за будовою є дзеркальним відображенням одна одної. Протягом багатьох десятиліть це явище залишалося непоясненим, але останнім часом воно враховується в цілому ряді моделей морфогенезу.
Гетероморфна регенерація: У більшості випадків відновлена структура є точною копією вихідної, але в деяких класичних експериментах удалося одержати структури, що разюче відрізняються від ампутованих. Одними з перших гетероморфні регенерати були отримані в планарий – формування двох голів на одній з поверхонь короткого сегмента тіла планарії. Інший різновид гетероморфних регенератів, які іноді називаються гомеозисними регенератами – коли ампутована кінцівка заміщається новою кінцівкою, що належить іншому сегменту тіла. Добре відомим прикладом цього типу є отримана Гербстом (Herbst, 1896) регенерація антени на місці ока в ракоподібного Palinurus. Опубліковано також кілька повідомлень про регенерацію кінцівки на місці антени в комах.
Способи прояву репаративної регенерації. Епіморфоз:Епіморфна регенерація заключається у формування так званої регенераційної бластеми шляхом дедиференціації і проліферації клітин на ампутаційній поверхні й наступних диференціації, морфогенезу, рості бластеми з утворенням копії втраченої структури. При епіморфозі відновні процеси локалізовані в зоні рани і утворюють регенераційну бластему, чітко відмежовану від інших областей, які не включені в регенераційні процеси. Класичний приклад – регенерація кінцівки у хвостатих амфібій. Морфаллаксис:Цей термін вперше застосував Морган (Morgan) для опису тих явищ регенерації, які він спостерігав у планарій. Регенерація у плоских червів можлива із невеликих шматочків тіла. При цьому такий шматочок тіла перебудовується у цілий організм, але, зрозуміло, менших розмірів; клітинні поділи і ріст при цьому не відбуваються. Таким чином, принциповою оссобливістю морфаллаксиса є реорганізація частини тварини у цілий організм. Морфаллаксис також виявлений у кишковопорожнинних. Так, у гідроїдного поліпа Tubularia після ампутації головного відділу кінець стебельця, що залишився, закривається. Потім дистальна частина стебла проходить реорганізацію, в результаті чого на дистальному кінці стебла формується район нової голови. Менш виражений морфаллаксис спостерігається у кільчастих багатощетинкових червів. У них після ампутації голови починається регенераційний ріст, але паралельно з ним відбувається реорганізація шляхом морфаллаксису деяких вцілілих тулубових сегментів поблизу місця ампутації у сегменти голови. Ендоморфоз (дифузна регенерація, регенераційна гіпертрофія) – тип регенерації, характерний для відновлення внутрішніх органів теплокровних тварин. При цьому регенераційні процеси виникають в товщі тієї частини органа, що вціліла після пошкодження, вони не локалізовані в якійсь окремій зоні, на травмованій поверхні регенерація слабка. Приклади: регенерація печінки, нирок, гонад. Регенерація може відбуватися: 1) за рахунок переважання процесів розмноження клітин (наприклад, у печінці); 2) за рахунок переважання процесів збільшення розмірів клітин (наприклад, у нирках). Для пояснення механізмів ендоморфозу запропоновано дві групи гіпотез: 1) функціональні гіпотези (згідно них, регенерація запускається тому, що клітини, які вціліли після пошкодження, не справляються з функціональними навантаженнями); 2) гуморальні гіпотези (згідно них, регенерація запускається певними хімічними речовинами. Наприклад, постулюється, що клітини органа виробляють певний інгібітор, який блокує мітози клітин даного органа. При пошкодженні кількість клітин цього органа зменшується, відповідно зменшується і кількість інгібітора; в результаті блокада мітозу знімається. Але як тільки маса органа відновлюється, кількість інгібітора стає нормальною, і відновлюється блокада мітозів.). Деякі дослідники не відносять ендоморфоз до регенерації, або ж відносять лише випадки, коли відбується розмноження клітин (як, наприклад, у печінці), а все інше відносять до компенсаторних змін органів.
Література: 1. Газарян К.Г., Белоусов Л.В. Биология индивидуального развития животных.– М: Высшая школа, 1983. 2. Карлсон Б.М. Регенерация.– М: Наука, 1986. 3. Мэттсон П. Регенерация – настоящее и будущее.– М: Мир, 1982.
|
Мал. 5. Утворення багатоголової планарії.
