Informacija

13.1. Raumenų audinių raida ir regeneracija - biologija


Mokymosi tikslai

  • Apibūdinkite palydovinių elementų funkciją
  • Apibrėžkite fibrozę
  • Paaiškinkite, kuris raumuo turi didžiausią regeneracinį gebėjimą

Dauguma kūno raumenų susidaro iš embriono mezodermos. Paraksialinės mezoderminės ląstelės, esančios greta nervinio vamzdelio, sudaro ląstelių blokus, vadinamus somitai. A myoblast yra raumenis formuojanti kamieninė ląstelė, kuri migruoja į skirtingas kūno vietas ir susilieja (-si), kad sudarytų sincitumą, arba myotube. Tačiau širdies ir lygiųjų raumenų ląstelės nėra daugiabranduolės, nes jų ląsteles sudarantys mioblastai nesusilieja.

Širdies ir vieno vieneto lygiųjų raumenų raiščiai išsivysto ankstyvose vystymosi stadijose. Skeleto raumenyse ACh receptoriai iš pradžių yra palei didžiąją mioblastų paviršiaus dalį, tačiau stuburo nervo inervacija sukelia augimo faktorių išsiskyrimą, kurie skatina motorinių galinių plokščių ir NMJ formavimąsi. Kai neuronai tampa aktyvūs, elektriniai signalai, siunčiami per raumenis, daro įtaką lėtų ir greitų skaidulų pasiskirstymui raumenyse.

Nors vystymosi metu nustatomas raumenų ląstelių skaičius, palydovinės ląstelės padeda atkurti skeleto raumenų ląsteles. A palydovinė ląstelė yra panašus į mioblastą, nes yra kamieninių ląstelių tipas; tačiau palydovinės ląstelės yra įtrauktos į raumenų ląsteles ir palengvina baltymų sintezę, reikalingą remontui ir augimui. Šios ląstelės yra už sarkolemmos ribų ir yra skatinamos augti ir susilieti su raumenų ląstelėmis augimo faktorių, kuriuos tam tikros formos streso metu išskiria raumenų skaidulos. Palydovinės ląstelės gali labai retai regeneruoti raumenų skaidulas, tačiau jos pirmiausia padeda atkurti gyvų ląstelių pažeidimus. Jei ląstelė yra labiau pažeista, nei gali būti pataisyta palydovinių ląstelių, raumenų skaidulos pakeičiamos randiniu audiniu, vadinamuoju procesu. fibrozė. Kadangi rando audinys negali susitraukti, raumenys, patyrę didelę žalą, praranda jėgą ir negali pagaminti tokios pat jėgos ar ištvermės, kaip galėtų būti pažeisti.

Lygus raumenų audinys gali atsinaujinti iš kamieninių ląstelių tipo, vadinamo a pericitas, kuris randamas kai kuriose mažose kraujagyslėse. Pericitai leidžia lygiųjų raumenų ląstelėms atsinaujinti ir atsigauti daug lengviau nei skeleto ir širdies raumenų audiniai. Širdies raumuo, kaip ir skeleto raumenų audinys, nelabai atsinaujina. Negyvą širdies raumenų audinį pakeičia randinis audinys, kuris negali susitraukti. Kai kaupiasi rando audiniai, širdis praranda gebėjimą pumpuoti dėl sutraukiamosios galios praradimo. Tačiau šiek tiek gali atsinaujinti dėl kraujyje esančių kamieninių ląstelių, kurios retkarčiais patenka į širdies audinį.

Karjeros jungtys: kineziterapeutas

Mirus raumenų ląstelėms, jos nėra regeneruojamos, o pakeičiamos jungiamuoju audiniu ir riebaliniu audiniu, kurie neturi raumenų susitraukimo galimybių. Raumenys atrofuojasi, kai jie nenaudojami, ir laikui bėgant, jei atrofija užsitęsia, raumenų ląstelės miršta. Todėl svarbu, kad tie, kurie yra jautrūs raumenų atrofijai, mankštintųsi, kad išlaikytų raumenų funkciją ir neleistų visiškai prarasti raumenų audinio. Kraštutiniais atvejais, kai judėjimas neįmanomas, raumenis iš išorinio šaltinio galima įvesti elektrinei stimuliacijai. Tai veikia kaip endogeninės nervų stimuliacijos pakaitalas, skatinantis raumenų susitraukimą ir užkertant kelią baltymų praradimui, atsirandančiam dėl nepakankamo naudojimo.

Kineziterapeutai dirba su pacientais, kad išlaikytų raumenis. Jie mokomi nukreipti į atrofijai jautrius raumenis ir skirti bei stebėti pratimus, skirtus tiems raumenims stimuliuoti. Yra įvairių atrofijos priežasčių, įskaitant mechaninius sužalojimus, ligas ir amžių. Lūžus galūnei ar atlikus operaciją, sutrinka raumenų naudojimas ir gali atsirasti nenaudojimo atrofija. Jei raumenys nėra mankštinami, ši atrofija gali sukelti ilgalaikį raumenų silpnumą. Insultas taip pat gali sukelti raumenų sutrikimus, nutraukdamas tam tikrų raumenų nervų stimuliaciją. Be nervinių įėjimų šie raumenys nesusitraukia ir taip pradeda netekti struktūrinių baltymų. Šių raumenų mankšta gali padėti atkurti raumenų funkciją ir sumažinti funkcinius sutrikimus. Su amžiumi susijusių raumenų netekimas taip pat yra fizinės terapijos tikslas, nes mankšta gali sumažinti su amžiumi susijusios atrofijos poveikį ir pagerinti raumenų funkciją.

Kineziterapeuto tikslas - pagerinti fizinį funkcionavimą ir sumažinti funkcinius sutrikimus; tai pasiekiama suprantant raumenų sutrikimo priežastį ir įvertinus paciento galimybes, po to sukuriama programa šioms galimybėms stiprinti. Kai kurie vertinami veiksniai apima jėgą, pusiausvyrą ir ištvermę, kurie nuolat stebimi, kai įvedami pratimai, skirti raumenų funkcijos pagerėjimui stebėti. Kineziterapeutai taip pat gali instruktuoti pacientus, kaip tinkamai naudotis įranga, pavyzdžiui, ramentais, ir įvertinti, ar kas nors turi pakankamai jėgų naudotis įranga ir kada gali veikti be jos.


13.1. Raumenų audinių raida ir regeneracija - biologija

Miogenezė yra raumenų audinio susidarymas embriono vystymosi metu iš mezodermos kamieninių ląstelių.

Mokymosi tikslai

Apibūdinkite miogenezės procesą, raumenų audinio formavimąsi

Pagrindiniai išsinešimai

Pagrindiniai klausimai

  • Žmogaus embriono kamieninės ląstelės yra pluripotentinės, tai reiškia, kad jos diferencijuojasi į visų tipų ląsteles, įskaitant raumenų ląsteles.
  • Raumeninis audinys susidaro embriono mezoderminiame sluoksnyje, reaguojant į fibroblastų augimo faktoriaus, serumo atsako faktoriaus ir kalcio signalus.
  • Esant fibroblastų augimo faktoriui, mioblastai susilieja į kelių branduolių mitotubelius, kurie sudaro raumenų audinio pagrindą.
  • Nepanaudoti mioblastai diferencijuojasi į mio palydovines ląsteles, kurios lieka raumenų skaiduloje tol, kol prireikia diferencijuotis į naujas raumenų ląsteles, kai raumuo yra pažeistas ar įtemptas.
  • Miocitai yra vamzdinės raumenų ląstelės arba skaidulos, kurios vystosi iš mioblastų.
  • Miocitai specializuojasi kaip širdies, skeleto ar lygiųjų raumenų ląstelės.

Pagrindinės sąlygos

  • miogenezė: Raumenų audinio formavimasis embriono vystymosi metu.
  • mezoderma: Vienas iš trijų audinių sluoksnių metazo gyvūno embrione. Vystydamasis embrionui, jis gamina daug suaugusiųjų vidaus organų, įskaitant raumenis, stuburą ir kraujotakos sistemą.
  • mioblastai: Embrioninių kamieninių ląstelių tipas, iš kurio atsiranda raumenų ląstelės.

Pavyzdžiai

Kūno kūrėjai sustiprina natūralius vystymosi procesus, susijusius su mioblastų raumenų susiliejimu ir diferenciacija į mio palydovus, kad žymiai padidėtų mio palydovų masė, taigi ir raumenų dydis bei svoris.

Embriogenezė yra embriono formavimo ir vystymosi procesas, kol jis tampa vaisiu.

Embrioblastų charakteristikos

Skeleto palydovinė raumenų ląstelė: Palydovinės ląstelės yra tarp bazinės membranos ir atskirų raumenų skaidulų sarkolemmos (ląstelių membranos). Jie sugeba diferencijuoti ir susilieti, kad padidintų esamas raumenų skaidulas ir suformuotų naujas. Šios ląstelės yra seniausia žinoma suaugusiųjų kamieninių ląstelių niša ir dalyvauja normaliame raumenų augime, taip pat regeneracijoje po traumų ar ligų.

Vidinės ląstelių masės ląstelės (embrioblastai), žinomos kaip žmogaus embrioninės kamieninės ląstelės (hESC), diferencijuojasi ir sudaro keturias struktūras: amnioną, trynio maišelį, alantoidą ir patį embrioną. Žmogaus embrioninės kamieninės ląstelės yra pluripotentinės, tai yra, jos gali diferencijuotis į bet kurį suaugusio žmogaus ląstelių tipą ir į bet kurį tarpinį kamieninių ląstelių tipą, kuris ilgainiui virsta suaugusiųjų ląstelių linijomis. hESC taip pat yra nemirtingi, jie gali dalintis ir augti neribotą laiką, neatsižvelgiant į diferenciaciją ar ląstelių senėjimą (ląstelių senėjimas).

Pirmasis hESC, sudarančių tinkamą embrioną, diferenciacija yra trijų ląstelių tipų, žinomų kaip gemalų sluoksniai: ektoderma, mezoderma, ir endodermas. Ektoderma ilgainiui formuoja odą (įskaitant plaukus ir nagus), gleivinę ir nervų sistemą. Mezoderma sudaro skeletą ir raumenis, širdį ir kraujotakos sistemą, šlapimo ir reprodukcines sistemas bei jungiamuosius audinius kūno viduje. Endoderma sudaro virškinimo traktą (skrandį ir žarnyną), kvėpavimo takus ir endokrininę sistemą (kepenis ir endokrinines liaukas).

Miogenezės procesas

Miogenezė yra raumenų audinio formavimasis, ypač embriono vystymosi metu. Raumenų skaidulos susidaro susiliejus mioblastams į daugiabriaunius pluoštus, vadinamus miotubeliais. Ankstyvo embriono vystymosi metu šie mioblastai dauginasi, jei yra pakankamai fibroblastų augimo faktoriaus (FGF). Kai FGF baigiasi, mioblastai nustoja dalytis ir išskiria fibronektiną ant savo tarpląstelinės matricos. Antrasis etapas apima mioblastų sulyginimą su miotubeliais. Trečiasis etapas yra pati ląstelių susiliejimas. Šiame etape kalcio jonai yra labai svarbūs vystymuisi. Miocitų stiprinimo faktoriai (MEF) skatina miogenezę. Serumo atsako faktorius (SRF) vaidina pagrindinį vaidmenį miogenezės metu, reikalingas raištinių alfa-aktino genų ekspresijai. Skeleto alfa-aktino ekspresiją taip pat reguliuoja androgenų receptoriai, o tai reiškia, kad steroidai gali reguliuoti miogenezę.

Mioblastų charakteristikos

Mioblastas yra embriono kamieninių ląstelių tipas, kuris diferencijuojasi ir sudaro raumenų ląsteles. Skeleto raumenų skaidulos susidaro susiliejus mioblastams, todėl raumenų skaidulos turi kelis branduolius. Mioblastų suliejimas būdingas skeleto raumenims (pvz., Bicepsams brachii), o ne širdies ar lygiesiems raumenims.

Mezoderma: Embrioninis sluoksnis, iš kurio vystosi raumenų audiniai, įskaitant širdies raumenis, skeleto raumenų ląsteles, inkstų kanalėlių ląsteles, raudonuosius kraujo kūnelius ir žarnyno lygiuosius raumenis.

Mioblastai, kurie nesudaro raumenų skaidulų, vėl diferencijuojasi į palydovines (myosatellite) ląsteles. Šios ląstelės lieka greta raumenų skaidulų, esančių tarp sarkolemmos ir endomizio (jungiamojo audinio, padalijančio raumenų fascikus į atskirus pluoštus). Palydovinės ląstelės sugeba diferencijuotis ir susilieti, kad padidintų esamas raumenų skaidulas ir suformuotų naujas. Nepažeistuose raumenyse dauguma palydovinių ląstelių yra ramios, jos nesiskiria ir nesidalija. Reaguodami į mechaninę įtampą, palydovinės ląstelės suaktyvėja ir iš pradžių dauginasi kaip skeleto mioblastai, prieš jas diferencijuojant.

Miocitai (taip pat žinomi kaip raumenų ląstelės arba raumenų skaidulos) yra ląstelių rūšis, randama raumenų audinyje. Šios ilgos vamzdinės ląstelės vystosi iš mioblastų ir sudaro raumenis. Yra įvairių specializuotų miocitų formų, turinčių įvairių savybių, įskaitant širdies, skeleto ir lygiųjų raumenų ląsteles. Širdies miocitai generuoja elektrinius impulsus, kurie kontroliuoja širdies ritmą ir kitas funkcijas.


Poliškumo ir gradiento teorija

Kiekvienas gyvas daiktas pasižymi poliškumu, kurio pavyzdys yra organizmo diferencijavimas į galvą, priekinę dalį, uodegą arba užpakalinę dalį. Atsinaujinančios dalys nėra išimtis, jos pasižymi poliškumu, nes visada auga distaline kryptimi (toliau nuo pagrindinės kūno dalies). Tačiau tarp apatinių bestuburių skirtumas tarp proksimalinio (prie kūno ar kūno link) ir distalinio ne visada yra aiškus. Pavyzdžiui, nesunku pakeisti „stiebų“ poliškumą kolonijiniuose hidroiduose. Paprastai stiebo gabalas užauga galvą arba hidrantą laisvu arba distaliniu galu, jei jis yra susietas, tačiau jis regeneruoja hidrantą gale, kuris iš pradžių buvo artimas. Šios sistemos poliškumą, matyt, lemia aktyvumo gradientas taip, kad hidrantas atsinaujina visur, kur medžiagų apykaitos greitis yra didžiausias. Kai hidrantas pradeda vystytis, jis slopina kitų, artimiausių jam, gamybą, išsklaidydamas slopinamąją medžiagą žemyn išilgai stiebo.

Kai planarinės plokščiosios kirmėlės perpjautos per pusę, kiekvienas gabalas atgauna trūkstamą galą. Ląstelės iš esmės identiškose kūno vietose, kuriose buvo atliktas pjūvis, sudaro blastemas, kurios vienu atveju sukelia galvą, o kitu - uodegą. Tai, ką kiekviena blastema regeneruoja, visiškai priklauso nuo to, ar ji yra ant priekinio ar užpakalinio plokščio kirmino gabalo: tikrąjį skirtumą tarp šių dviejų dalių gali nustatyti metaboliniai skirtumai. Jei skersinis plokščiojo kirmino gabalas supjaustomas labai plonai - per siauras, kad būtų galima nustatyti veiksmingą medžiagų apykaitos gradientą, jis gali atkurti dvi galvas, vieną abiejuose galuose. Jei metabolinis aktyvumas plokščiojo kirmino priekiniame gale dirbtinai sumažėja veikiant tam tikrus vaistus, tada buvusiame užpakaliniame kirmino gale gali išsivystyti galva.

Priedo regeneracija kelia kitokią problemą nei visi organizmai. Žuvies pelekas ir salamandros galūnė turi proksimalinius ir distalinius galus. Tačiau įvairiomis manipuliacijomis galima priversti jas atsinaujinti proksimaline kryptimi. Jei žuvies peleke įpjaunama kvadratinė skylė, regeneracija vyksta taip, kaip tikėtasi iš vidinės kraštinės, bet gali atsirasti ir nuo distalinio krašto. Pastaruoju atveju regeneruojantis pelekas iš tikrųjų yra distalinė struktūra, išskyrus tai, kad jis auga proksimaline kryptimi.

Varliagyvių galūnės reaguoja panašiai. Galima tritono ranką persodinti į netoliese esančią kūno sieną, o kai bus nustatyta pakankama kraujotaka, atskirti ranką tarp peties ir alkūnės. Taip susidaro du kelmai, trumpas, sudarytas iš viršutinės rankos dalies, ir ilgesnis, sudarytas iš likusios rankos dalies, kyšančios neteisinga kryptimi iš gyvūno šono. Abu kelmai regeneruoja tą patį, būtent viską, kas paprastai yra distaliai iki amputacijos lygio, nepriklausomai nuo to, į ką kelmas buvo nukreiptas. Todėl atvirkštinė ranka atkuria savo veidrodinį vaizdą.

Akivaizdu, kad kai struktūra atsinaujina, ji gali gaminti tik tas dalis, kurios paprastai yra nutolusios nuo amputacijos lygio. Dalyvaujančiose ląstelėse yra informacijos, reikalingos viskam vystyti „pasroviui“, tačiau jos niekada negali tapti labiau artimos struktūros. Regeneracija, kaip ir embriono vystymasis, vyksta tam tikra seka.


Regeneracija

Morphoallaxis: Hydra auga prarandant ląsteles nuo galų ir pumpuruojant.
„Hydra“ turi tuščiavidurį vamzdinį kūną (0,5 cm ilgio), čiuptuvai supa burną (hipostomas), o kitame gale - bazinis diskas (pėda).
„Hydra“ turi tik du gemalų sluoksnius - ektodermą ir endodermą, atskirtus bazine membrana.
Hidra nuolat auga ir formuojasi, o ląstelės prarandamos čiuptuvo galuose ir iš pagrindinio disko.
Ląstelės nuolat keičia savo padėtį ir formuoja naujas struktūras judėdamos aukštyn ir žemyn kūno stulpelyje.
Atsiranda pumpuravimas, 2/3 žemyn kūno ašimi, kuri išvysto galvą, tada atsiskiria kaip maža nauja hidra.

„Hydra“ regeneracija yra poliarizuota ir nepriklauso nuo augimo.
Perpjovus į dvi dalis, apatinė dalis sukurs galvą, o viršutinė - pėdą.
Iš „Hydra“ kūno pašalintas gabalas tuo pačiu poliškumu regeneruoja ir galvą, ir bazinį diską.
Iš nedidelio fragmento susidarys maža Hydra, kuri augs po šėrimo.
Stipriai apšvitinta Hydra, kuri negali dalintis (augti), atsinaujins.

Galvos sritis slopina netoliese esančių galvų susidarymą
„Hydra“ galvos sritis veikia kaip organizacinis regionas ir kaip netinkamo galvos formavimo inhibitorius.
Hipostomas ir baziniai diskai veikia kaip organizaciniai centrai, kurie suteikia poliškumą ir skatina galvos ir uodegos formavimąsi.
Skrandžio hipostomos įskiepiai sukels antrą galvą (ir galiausiai naują kūną).
Regiono, esančio šalia galvos ir skrandžio srities, įpjovos nesukurs naujos galvos, nebent bus pašalinta pradinė galvutė, bet sukurs naują galvą pėdos srityje.

Galvos regeneraciją „Hydra“ galima apibūdinti dviem gradientais:
1) galvos inhibitoriaus gradientas ir
2) padėties informacijos gradientas (išilgai kūno ašies).
Diacilglicerolis, stiprus antrasis pasiuntinys (t. Y. Fosfatidilinozitolio signalizacija), sukelia negimdinės galvos susidarymą, o ličio sukelia negimdines pėdas.
„Hox“ genų homologai ir šakutės galvutės transkripcijos faktoriai veikia organizuojančiuose „Hydra“ regionuose.

Epimorfozė: Stuburinių galūnių regeneracija apima ląstelių diferenciaciją ir augimą.
Postamputavimo tritonuose epidermio ląstelės uždengia žaizdą ir sudaro blastemą.
Blastemos ląstelės kyla iš po žaizdos epidermio, išsiskiria ir pradeda dalintis.
Per kelias savaites šios ląstelės tampa kremzlėmis, raumenimis ir jungiamuoju audiniu.
Transdeterminaciją galima pastebėti paženklinus (daugiabranduolines) raumenų ląsteles rodaminu-dekstranu (dideliu žymekliu).
Atsiranda pažymėtų mononukleatinių ląstelių, kurios sukelia kremzles ir raumenis.
Regeneruojančiose tritonų ląstelėse Rb baltymas inaktyvuojamas fosforilinant.
Galūnių regeneracija taip pat priklauso nuo nervinių ląstelių buvimo.

Blastema sukuria struktūras, turinčias padėties distalines vertes.
Regeneracija visada vyksta distaline pjūvio paviršiaus kryptimi.
Amputuota galūnė atkurs kraujotaką, kai ji bus sujungta su kamienu.
Jei tada pjaustomas žastikaulis, abu paviršiai regeneruoja distalines struktūras.
Skiepijus distalinę blastemą į proksimalinį kelmą, kelmas (dažniausiai) sukels normalią galūnę, o distalinė blastema sudaro riešą ir ranką.
Tai pasiekiama atkuriant padėties vertes, skatinant tarpkultūrinį augimą.
Nors žinduoliai negali regeneruoti galūnių, daugelis (įskaitant mažus vaikus) gali atkurti savo skaitmenų galus.

Retino rūgštis gali pakeisti regeneruojančių galūnių proksimo-distalines vertes.
Retino rūgštis yra besivystančiose stuburinių galūnėse ir gali pakeisti viščiuko galūnės padėties vertes.
Veikiant retinoinei rūgščiai, blastemos padėties vertė pasikeičia į labiau proksimalines, todėl susidaro proksimalūs įpjovos ir distaliniai elementai.
Sužeistas epidermis yra stiprus retinoinės rūgšties šaltinis.
Regeneruojančiose galūnėse retinoinės rūgšties yra aiškiai, o koncentracija didesnė distalinėse blastemose.

Vabzdžių galūnės interkaluoja padėties vertes.
Sudėjus labai skirtingos padėties audinius, trūkstamas vertes pakeičia tarpkaulinis augimas.
Amucionuotų tarakonų kojų skiepijimas rodo tarpusavio ryšį.
Blauzdikaulio distalinis pjūvis, įskiepytas į proksimalinį pjūvį, augs, kad susietų trūkstamus gabalus.
Tačiau artimiausio pjūvio blauzdikaulis, įskiepytas į distaliniu būdu supjaustytą šeimininką, taip pat augs interkalacijos būdu.
Pastaruoju atveju regeneruotas gėrimas yra atvirkštinės krypties (šerių kryptimi).
Aplinkos reikšmes taip pat galima atkurti interkaliacija.

Augalų auginiai gali užauginti pilnus augalus, atkurdami visas padėties vertes.


Regeneracinės medicinos strategijos

2 palydovinės skeleto raumenų ląstelės

Raumenų regeneracija senyvo amžiaus pelėms ir žiurkėms sumažėja. SC skaičius nesumažėja su amžiumi, tačiau jų gebėjimas daugintis smarkiai sumažėja dėl trūkumo, dėl kurio suaktyvėja tik 25% SC, suaktyvėjusio jaunuose raumenyse (Conboy ir kt., 2003). Trūkumas atsiranda dėl nepakankamo Notch ligando Delta reguliavimo ir taip sumažėjusio Notch aktyvavimo. Užblokavus „Notch“ aktyvavimą jaunuose raumenyse inhibitoriumi, pastebimas slopinimas atsinaujinti (Conboy ir kt., 2003). Pagyvenusių raumenų, persodintų į jaunus šeimininkus, regeneracinis pajėgumas padidėja, o jaunų raumenų sumažėja, kai jie persodinami į senus šeimininkus (Carlson ir Faulkner, 1989 Carlson ir kt., 2001). „Notch“ aktyvinimas tiesiogiai su antikūnu prieš jo tarpląstelinį domeną atkuria senų raumenų regeneracines galimybes iki jaunų pelių lygio (Conboy ir kt., 2003). Be to, senų heterochroninių parabenų pelių aktyvuotų SC skaičius ir masinis raumenų atsinaujinimas buvo atkurtas beveik iki jaunų pelių lygio, o jaunų porų pelių aktyvuotų SC skaičius ir masinis raumenų regeneravimas buvo tik šiek tiek sumažintas (Conboy ir kt., 2005) (9.7 pav.).

9.7 pav. Heterochroninė parabiozė atkuria raumenų regeneraciją ir palydovinių ląstelių aktyvaciją senoms žiurkėms, o tai sukelia jaunasis serumas. (A) Jaunos ir pagyvenusios pelės buvo suporuotos izochroniškai arba heterochroniškai, o blauzdikaulio raumuo buvo sužeistas lokaliai užšaldant. Raumenys buvo analizuojami histologiškai praėjus 5 dienoms po traumos. Į viršų, hematoksilino ir eozino dėmės. Apačioje, imuninis dažymas embrioninei miozino sunkiajai grandinei (eMHC, raudona). Branduoliai dažyti Hoechst (mėlyna). Senstančių raumenų regeneraciją žymiai pagerina heterochroninė parabiozė. (B, C) Juostinės diagramos, matuojančios regeneracijos indeksą (embrioninių MHC miofiberių skaičius pažeidimo vietoje/bendras branduolių skaičius lauke) ir Delta + (aktyvių) palydovinių ląstelių procentas. Duomenys rodo, kad heterochroninė parabiozė žymiai pagerina senėjimo raumenų regeneracijos indeksą ir aktyvių SC skaičių. (D, E) Šis poveikis yra aplinkosauginis, kaip rodo reikšmingas Delta + ir Notch + SC skaičiaus padidėjimas, kai pagyvenę SC buvo auginami 24 valandas jauname serume.

Atgaminta gavus Conboy ir kt. Leidimą, Pagyvenusių kamieninių ląstelių atjauninimas veikiant jaunai sisteminei aplinkai. Gamta 433: 760–764. Autorių teisės 2005, „Nature Publishing Group“.

Šie stebėjimai vėl reiškia tam tikrų sisteminių nišinių veiksnių praradimą, dėl kurio su amžiumi mažėja raumenų ir kepenų regeneraciniai pajėgumai. Atsižvelgiant į šią hipotezę, SC poveikis nuo senų pelių raumenų iki jaunų pelių serumo in vitro dėl to padidėja Delta ekspresija, padidėja Notch aktyvacija ir padidėja proliferacija (Conboy ir kt., 2005) (9.7 pav.). Be to, pranešama, kad senų žiurkių ir žmonių raumenims trūksta mechaninio augimo faktoriaus (MGH), IGF-I sujungimo varianto, gamybos (Owino ir kt., 2001 Hameed ir kt., 2004). Stiprumo treniruotės sulėtina žmonių sarkopenijos atsiradimą (Clarke, 2004) ir žymiai padidina MGF gamybą, ypač kartu su augimo hormono vartojimu (Goldspink, 2004), ir tai dar kartą rodo, kad nišiniai veiksniai daro didelę įtaką senėjimo raumenų gebėjimui išreikšti nesibaigiantį regeneracinį potencialą (Aagaard, 2004).


Eugenijaus Bello regeneracinės biologijos ir audinių inžinerijos centras

Eugenijaus varpų regeneracinės biologijos ir audinių inžinerijos centras buvo įkurtas 2010 m., Dovanojant nepaprastas Millicent Bell ir John bei Valerie Rowe vadovavimo dovanas. Varpų centro tyrimais siekiama išsiaiškinti molekulinius, genetinius ir ląstelių mechanizmus, kuriais grindžiamas labai diferencijuotų audinių augimas ir pakeitimas vystymosi metu, fiziologinė apykaita ir atstatymas po sužalojimo. Šie procesai yra labai svarbūs žmonių sveikatai ir biologijai ir nuo pat pradžių, kai MBL mokslininkai Thomas Huntas Morganas ir Jacques'as Loebas dirbo, buvo elegantiškų tyrimų su daugybe pavyzdinių organizmų laboratorijoje.

Naudodami unikalius ir labai lengvai judančius jūrų ir vandens modelių organizmus, didelį našumą ir lyginamuosius genetinius metodus, naujas vaizdo gavimo technologijas ir naujausius daug duomenų reikalaujančios skaičiavimo analizės pasiekimus, „Bell Center“ mokslininkai, bendradarbiaudami su kolegomis iš Čikagos universiteto ir Argonne Nacionalinė laboratorija pateikia atsakymus į kai kuriuos svarbiausius ir įdomiausius biologijos klausimus. Nuo ląstelių energetikos kontrolės iki organų vystymosi ir nugaros smegenų regeneracijos procesų šie transformaciniai atradimai leidžia naujai pažinti pagrindinius audinių augimo, taisymo ir regeneravimo mechanizmus visuose metazoanuose ir leis naujus metodus suprasti, gydyti ir užkirsti kelią žmogaus liga.


Anotacija

Kamieninės ląstelės ir jų vietinė mikroaplinka arba niša bendrauja per mechaninius ženklus, kad reguliuotų ląstelių likimą ir ląstelių elgesį bei vadovautųsi vystymosi procesams. Embriono vystymosi metu mechaninės jėgos dalyvauja modeliavime ir organogenezėje. Pluripotentinių kamieninių ląstelių fizinė aplinka reguliuoja jų savęs atsinaujinimą ir diferenciaciją. Mechaniniai ir fiziniai užuominos taip pat svarbios suaugusiųjų audiniuose, kur suaugusioms kamieninėms ląstelėms reikalinga fizinė sąveika su tarpląsteline matrica, kad būtų išlaikytas jų stiprumas. In vitro, sintetiniai kamieninių ląstelių nišos modeliai gali būti naudojami tiksliai kontroliuoti ir manipuliuoti kamieninių ląstelių mikroaplinkos biofizikinėmis ir biocheminėmis savybėmis ir ištirti, kaip mechaninių ženklų būdas ir dydis, pvz., matricos standumas ar taikomos jėgos, tiesioginis kamieninių ląstelių diferenciacija ir funkcija. Pagrindinės kamieninių ląstelių mechanobiologijos įžvalgos taip pat padeda kurti dirbtines nišas, kurios remia kamienines ląsteles regeneraciniam gydymui.


Bioinžinerinė hibridinė raumenų skaidula regeneracinei medicinai

Raumenys yra didžiausias organas, kuris sudaro 40% kūno masės ir atlieka esminį vaidmenį palaikant mūsų gyvenimą. Raumenų audinys išsiskiria savo unikaliu gebėjimu spontaniškai atsinaujinti. Tačiau esant rimtiems sužalojimams, pvz., Patyrusiems autoavarijas ar naviko rezekciją, dėl kurios sumažėja raumenų tūris (VML), raumenų gebėjimas atsigauti yra labai sumažėjęs. Šiuo metu VML gydymas apima chirurgines intervencijas su autologiniais raumenų atvartais ar transplantatais kartu su fizine terapija. Tačiau chirurginės procedūros dažnai sumažina raumenų funkciją ir kai kuriais atvejais sukelia visišką transplantato nepakankamumą. Taigi reikia papildomų terapinių galimybių, kad būtų pagerintas raumenų praradimas.

Daug žadanti pažeistų raumenų funkcinių gebėjimų gerinimo strategija yra skatinti skeleto raumenų regeneraciją de novo, integruojant transplantuotas ląsteles. Raumenų praradimui gydyti buvo naudojamos įvairios ląstelių rūšys, įskaitant palydovines ląsteles (raumenų kamienines ląsteles), mioblastus ir mezenchimines kamienines ląsteles. Tačiau invazinės raumenų biopsijos, prastas ląstelių prieinamumas ir ribota ilgalaikė priežiūra trukdo klinikiniam vertimui, kai terapinei naudai gali prireikti milijonų iki milijardų brandžių ląstelių.

Kitas svarbus klausimas yra trimatės mikroaplinkos kontrolė sužalojimo vietoje, siekiant užtikrinti, kad persodintos ląstelės tinkamai diferencijuotųsi į raumeninius audinius su pageidaujamomis struktūromis. Įvairios natūralios ir sintetinės biomedžiagos buvo naudojamos siekiant pagerinti persodintų ląstelių išgyvenimą ir brendimą, o įdarbinti ląsteles -šeimininkes raumenų regeneracijai. Tačiau yra neišspręstų, ilgalaikių audinių pastolių vystymosi dilemų. Natūralūs pastoliai pasižymi dideliu ląstelių atpažinimu ir ląstelių surišimo afinitetu, tačiau dažnai nesugeba užtikrinti mechaninio tvirtumo dideliuose pažeidimuose ar nešančiuose audiniuose, kuriems reikalinga ilgalaikė mechaninė parama. Priešingai, sintetiniai pastoliai yra tiksliai sukurta alternatyva, turinti suderinamas mechanines ir fizines savybes, taip pat pritaikytas struktūras ir biochemines kompozicijas, tačiau dažnai jiems trukdo ląstelių pritraukimas ir prasta integracija su šeimininko audiniu.

Siekdama įveikti šiuos iššūkius, Seulo, Pietų Korėjos, Pagrindinio mokslo instituto (IBS) Nanomedicinos centro tyrimų grupė, Yonsei universitetas ir Masačusetso technologijos institutas (MIT) sukūrė naują dirbtinių raumenų regeneracijos protokolą. Komanda pasiekė veiksmingą VML gydymą pelės modelyje, naudodama tiesioginio ląstelių perprogramavimo technologiją kartu su natūraliu sintetiniu hibridiniu pastoliu.

Tiesioginis ląstelių perprogramavimas, dar vadinamas tiesiogine konversija, yra veiksminga strategija, užtikrinanti veiksmingą ląstelių terapiją, nes tai leidžia greitai sukurti konkrečiai pacientui skirtas tikslines ląsteles, naudojant autologines ląsteles iš audinių biopsijos. Fibroblastai yra ląstelės, kurios dažniausiai randamos jungiamuosiuose audiniuose, ir jos aktyviai dalyvauja žaizdų gijime. Kadangi fibroblastai nėra galutinai diferencijuotos ląstelės, juos galima paversti indukuotomis miogeninėmis kamieninėmis ląstelėmis (iMPC), naudojant kelis skirtingus transkripcijos faktorius. Čia ši strategija buvo taikoma teikiant iMPC raumenų audinių inžinerijai.

Siekiant suteikti struktūrinę paramą besidauginančioms raumenų ląstelėms, polikaprolaktonas (PCL) buvo pasirinktas kaip medžiaga akytiems pastoliams gaminti dėl didelio biologinio suderinamumo. Nors druskos išplovimas yra plačiai naudojamas būdas akytoms medžiagoms kurti, jis dažniausiai apsiriboja uždarų porėtų konstrukcijų gamyba. Norėdami įveikti šį apribojimą, tyrėjai papildė įprastą druskos išplovimo metodą terminiu piešimu, kad būtų pagaminti pritaikyti PCL pluošto pastoliai. Ši technika palengvino didelio našumo porėtų pluoštų gamybą, kurių standumas, akytumas ir matmenys leidžia tiksliai pritaikyti pastolius prie sužalojimo vietų.

Tačiau vien sintetinio PCL pluošto pastoliai nesuteikia optimalių biocheminių ir vietinių mechaninių užuominų, imituojančių raumenims būdingą mikroaplinką. Taigi hibridinių pastolių konstrukcija buvo baigta į PCL struktūrą įtraukiant išskaidytą raumenų tarpląstelinės matricos (MEM) hidrogelį. Šiuo metu MEM yra viena iš plačiausiai naudojamų natūralių biomedžiagų VML gydymui klinikinėje praktikoje. Taigi, mokslininkai mano, kad hibridiniai pastoliai, sukurti naudojant MEM, turi didžiulį potencialą klinikinėje praktikoje.

Gautos biologiškai sukurtos raumenų skaidulų konstrukcijos parodė mechaninį standumą, panašų į raumenų audinius, ir parodė geresnę raumenų diferenciaciją ir pailgą raumenų išlyginimą in vitro. Be to, bioinžinerinių raumenų konstrukcijų implantacija į VML pelės modelį ne tik paskatino raumenų regeneraciją padidėjus inervacijai ir angiogenezei, bet ir palengvino funkcinį pažeistų raumenų atsigavimą. Tyrimo grupė pažymi: „Hibridinė raumenų konstrukcija galėjo vadovautis išoriškai pridėtų perprogramuotų raumenų ląstelių ir infiltruojančių ląstelių šeimininkų atsakais, siekiant pagerinti funkcinį raumenų atsinaujinimą, organizuojant diferenciaciją, parakrininį efektą ir konstruktyvų audinių pertvarkymą“.

Prof. CHO Seung-Woo from the IBS Center for Nanomedicine and Yonsei University College of Life Science and Biotechnology who led this study notes: "Further studies are required to elucidate the mechanisms of muscle regeneration by our hybrid constructs and to empower the clinical translation of cell-instructive delivery platforms."


Turinys

Ecosystems can be regenerative. Following a disturbance, such as a fire or pest outbreak in a forest, pioneering species will occupy, compete for space, and establish themselves in the newly opened habitat. The new growth of seedlings and community assembly process is known as regeneration in ecology. [17] [18]

Pattern formation in the morphogenesis of an animal is regulated by genetic induction factors that put cells to work after damage has occurred. Neural cells, for example, express growth-associated proteins, such as GAP-43, tubulin, actin, an array of novel neuropeptides, and cytokines that induce a cellular physiological response to regenerate from the damage. [19] Many of the genes that are involved in the original development of tissues are reinitialized during the regenerative process. Cells in the primordia of zebrafish fins, for example, express four genes from the homeobox msx family during development and regeneration. [20]

"Strategies include the rearrangement of pre-existing tissue, the use of adult somatic stem cells and the dedifferentiation and/or transdifferentiation of cells, and more than one mode can operate in different tissues of the same animal. [1] All these strategies result in the re-establishment of appropriate tissue polarity, structure and form." [21] : 873 During the developmental process, genes are activated that serve to modify the properties of cell as they differentiate into different tissues. Development and regeneration involves the coordination and organization of populations cells into a blastema, which is "a mound of stem cells from which regeneration begins". [22] Dedifferentiation of cells means that they lose their tissue-specific characteristics as tissues remodel during the regeneration process. This should not be confused with the transdifferentiation of cells which is when they lose their tissue-specific characteristics during the regeneration process, and then re-differentiate to a different kind of cell. [21]

Arthropods Edit

Arthropods are known to regenerate appendages following loss or autotomy. [23] Regeneration among arthropods is restricted by molting such that hemimetabolous insects are capable of regeneration only until their final molt whereas most crustaceans can regenerate throughout their lifetimes. [24] Molting cycles are hormonally regulated in arthropods, [25] although premature molting can be induced by autotomy. [23] Mechanisms underlying appendage regeneration in hemimetabolous insects and crustaceans is highly conserved. [26] During limb regeneration species in both taxa form a blastema [27] following autotomy with regeneration of the excised limb occurring during proecdysis. [25] Limb regeneration is also present in insects that undergo metamorphosis, such as beetles, although the cost of said regeneration is a delayed pupal stage. [28] Arachnids, including scorpions, are known to regenerate their venom, although the content of the regenerated venom is different than the original venom during its regeneration, as the venom volume is replaced before the active proteins are all replenished. [29]

Annelids Edit

Many annelids (segmented worms) are capable of regeneration. [30] For example, Chaetopterus variopedatus ir Branchiomma nigromaculata can regenerate both anterior and posterior body parts after latitudinal bisection. [31] The relationship between somatic and germline stem cell regeneration has been studied at the molecular level in the annelid Capitella teleta. [32] Leeches, however, appear incapable of segmental regeneration. [33] Furthermore, their close relatives, the branchiobdellids, are also incapable of segmental regeneration. [33] [30] However, certain individuals, like the lumbriculids, can regenerate from only a few segments. [33] Segmental regeneration in these animals is epimorphic and occurs through blastema formation. [33] Segmental regeneration has been gained and lost during annelid evolution, as seen in oligochaetes, where head regeneration has been lost three separate times. [33]

Along with epimorphosis, some polychaetes like Sabella pavonina experience morphallactic regeneration. [33] [34] Morphallaxis involves the de-differentiation, transformation, and re-differentation of cells to regenerate tissues. How prominent morphallactic regeneration is in oligochaetes is currently not well understood. Although relatively under-reported, it is possible that morphallaxis is a common mode of inter-segment regeneration in annelids. Following regeneration in L. variegatus, past posterior segments sometimes become anterior in the new body orientation, consistent with morphallaxis.

Following amputation, most annelids are capable of sealing their body via rapid muscular contraction. Constriction of body muscle can lead to infection prevention. In certain species, such as Limnodrilus, autolysis can be seen within hours after amputation in the ectoderm and mesoderm. Amputation is also thought to cause a large migration of cells to the injury site, and these form a wound plug.

Echinoderms Edit

Tissue regeneration is widespread among echinoderms and has been well documented in starfish (Asteroidea), sea cucumbers (Holothuroidea), and sea urchins (Echinoidea). Appendage regeneration in echinoderms has been studied since at least the 19th century. [35] In addition to appendages, some species can regenerate internal organs and parts of their central nervous system. [36] In response to injury starfish can autotomize damaged appendages. Autotomy is the self-amputation of a body part, usually an appendage. Depending on severity, starfish will then go through a four-week process where the appendage will be regenerated. [37] Some species must retain mouth cells to regenerate an appendage, due to the need for energy. [38] The first organs to regenerate, in all species documented to date, are associated with the digestive tract. Thus, most knowledge about visceral regeneration in holothurians concerns this system. [39]

Planaria (Platyhelminthes) Edit

Regeneration research using Planarians began in the late 1800s and was popularized by T.H. Morgan at the beginning of the 20th century. [38] Alejandro Sanchez-Alvarado and Philip Newmark transformed planarians into a model genetic organism in the beginning of the 20th century to study the molecular mechanisms underlying regeneration in these animals. [40] Planarians exhibit an extraordinary ability to regenerate lost body parts. For example, a planarian split lengthwise or crosswise will regenerate into two separate individuals. In one experiment, T.H. Morgan found that a piece corresponding to 1/279th of a planarian [38] or a fragment with as few as 10,000 cells can successfully regenerate into a new worm within one to two weeks. [41] After amputation, stump cells form a blastema formed from neoblasts, pluripotent cells found throughout the planarian body. [42] New tissue grows from neoblasts with neoblasts comprising between 20 and 30% of all planarian cells. [41] Recent work has confirmed that neoblasts are totipotent since one single neoblast can regenerate an entire irradiated animal that has been rendered incapable of regeneration. [43] In order to prevent starvation a planarian will use their own cells for energy, this phenomenon is known as de-growth. [10]

Amphibians Edit

Limb regeneration in the axolotl and newt has been extensively studied and researched. Urodele amphibians, such as salamanders and newts, display the highest regenerative ability among tetrapods. [44] As such, they can fully regenerate their limbs, tail, jaws, and retina via epimorphic regeneration leading to functional replacement with new tissue. [45] Salamander limb regeneration occurs in two main steps. First, the local cells dedifferentiate at the wound site into progenitor to form a blastema. [46] Second, the blastemal cells will undergo cell proliferation, patterning, cell differentiation and tissue growth using similar genetic mechanisms that deployed during embryonic development. [47] Ultimately, blastemal cells will generate all the cells for the new structure. [44]

After amputation, the epidermis migrates to cover the stump in 1–2 hours, forming a structure called the wound epithelium (WE). [48] Epidermal cells continue to migrate over the WE, resulting in a thickened, specialized signaling center called the apical epithelial cap (AEC). [49] Over the next several days there are changes in the underlying stump tissues that result in the formation of a blastema (a mass of dedifferentiated proliferating cells). As the blastema forms, pattern formation genes – such as HoxA and HoxD – are activated as they were when the limb was formed in the embryo. [50] [51] The positional identity of the distal tip of the limb (i.e. the autopod, which is the hand or foot) is formed first in the blastema. Intermediate positional identities between the stump and the distal tip are then filled in through a process called intercalation. [50] Motor neurons, muscle, and blood vessels grow with the regenerated limb, and reestablish the connections that were present prior to amputation. The time that this entire process takes varies according to the age of the animal, ranging from about a month to around three months in the adult and then the limb becomes fully functional. Researchers at Australian Regenerative Medicine Institute at Monash University have published that when macrophages, which eat up material debris, [52] were removed, salamanders lost their ability to regenerate and formed scarred tissue instead. [53]

In spite of the historically few researchers studying limb regeneration, remarkable progress has been made recently in establishing the neotenous amphibian the axolotl (Ambystoma mexicanum) as a model genetic organism. This progress has been facilitated by advances in genomics, bioinformatics, and somatic cell transgenesis in other fields, that have created the opportunity to investigate the mechanisms of important biological properties, such as limb regeneration, in the axolotl. [47] The Ambystoma Genetic Stock Center (AGSC) is a self-sustaining, breeding colony of the axolotl supported by the National Science Foundation as a Living Stock Collection. Located at the University of Kentucky, the AGSC is dedicated to supplying genetically well-characterized axolotl embryos, larvae, and adults to laboratories throughout the United States and abroad. An NIH-funded NCRR grant has led to the establishment of the Ambystoma EST database, the Salamander Genome Project (SGP) that has led to the creation of the first amphibian gene map and several annotated molecular data bases, and the creation of the research community web portal. [54]

Anurans can only regenerate their limbs during embryonic development. [55] Once the limb skeleton has developed regeneration does not occur (Xenopus can grow a cartilaginous spike after amputation). [55] Reactive oxygen species (ROS) appear to be required for a regeneration response in the anuran larvae. [56] ROS production is essential to activate the Wnt signaling pathway, which has been associated with regeneration in other systems. [56] Limb regeneration in salamanders occurs in two major steps. First, adult cells de-differentiate into progenitor cells which will replace the tissues they are derived from. [57] [58] Second, these progenitor cells then proliferate and differentiate until they have completely replaced the missing structure. [59]

Hydra Edit

Hidra is a genus of freshwater polyp in the phylum Cnidaria with highly proliferative stem cells that gives them the ability to regenerate their entire body. [60] Any fragment larger than a few hundred epithelial cells that is isolated from the body has the ability to regenerate into a smaller version of itself. [60] The high proportion of stem cells in the hydra supports its efficient regenerative ability. [61]

Regeneration among hydra occurs as foot regeneration arising from the basal part of the body, and head regeneration, arising from the apical region. [60] Regeneration tissues that are cut from the gastric region contain polarity, which allows them to distinguish between regenerating a head in the apical end and a foot in the basal end so that both regions are present in the newly regenerated organism. [60] Head regeneration requires complex reconstruction of the area, while foot regeneration is much simpler, similar to tissue repair. [62] In both foot and head regeneration, however, there are two distinct molecular cascades that occur once the tissue is wounded: early injury response and a subsequent, signal-driven pathway of the regenerating tissue that leads to cellular differentiation. [61] This early-injury response includes epithelial cell stretching for wound closure, the migration of interstitial progenitors towards the wound, cell death, phagocytosis of cell debris, and reconstruction of the extracellular matrix. [61]

Regeneration in hydra has been defined as morphallaxis, the process where regeneration results from remodeling of existing material without cellular proliferation. [63] [64] If a hydra is cut into two pieces, the remaining severed sections form two fully functional and independent hydra, approximately the same size as the two smaller severed sections. [60] This occurs through the exchange and rearrangement of soft tissues without the formation of new material. [61]

Aves (birds) Edit

Owing to a limited literature on the subject, birds are believed to have very limited regenerative abilities as adults. Some studies [65] on roosters have suggested that birds can adequately regenerate some parts of the limbs and depending on the conditions in which regeneration takes place, such as age of the animal, the inter-relationship of the injured tissue with other muscles, and the type of operation, can involve complete regeneration of some musculoskeletal structure. Werber and Goldschmidt (1909) found that the goose and duck were capable of regenerating their beaks after partial amputation [65] and Sidorova (1962) observed liver regeneration via hypertrophy in roosters. [66] Birds are also capable of regenerating the hair cells in their cochlea following noise damage or ototoxic drug damage. [67] Despite this evidence, contemporary studies suggest reparative regeneration in avian species is limited to periods during embryonic development. An array of molecular biology techniques have been successful in manipulating cellular pathways known to contribute to spontaneous regeneration in chick embryos. [68] For instance, removing a portion of the elbow joint in a chick embryo via window excision or slice excision and comparing joint tissue specific markers and cartilage markers showed that window excision allowed 10 out of 20 limbs to regenerate and expressed joint genes similarly to a developing embryo. In contrast, slice excision did not allow the joint to regenerate due to the fusion of the skeletal elements seen by an expression of cartilage markers. [69]

Similar to the physiological regeneration of hair in mammals, birds can regenerate their feathers in order to repair damaged feathers or to attract mates with their plumage. Typically, seasonal changes that are associated with breeding seasons will prompt a hormonal signal for birds to begin regenerating feathers. This has been experimentally induced using thyroid hormones in the Rhode Island Red Fowls. [70]

Žinduoliai Redaguoti

Mammals are capable of cellular and physiological regeneration, but have generally poor reparative regenerative ability across the group. [1] [24] Examples of physiological regeneration in mammals include epithelial renewal (e.g., skin and intestinal tract), red blood cell replacement, antler regeneration and hair cycling. [71] [72] Male deer lose their antlers annually during the months of January to April then through regeneration are able to regrow them as an example of physiological regeneration. A deer antler is the only appendage of a mammal that can be regrown every year. [73] While reparative regeneration is a rare phenomenon in mammals, it does occur. A well-documented example is regeneration of the digit tip distal to the nail bed. [74] Reparative regeneration has also been observed in rabbits, pikas and African spiny mice. In 2012, researchers discovered that two species of African Spiny Mice, Acomys kempi ir Acomys percivali, were capable of completely regenerating the autotomically released or otherwise damaged tissue. These species can regrow hair follicles, skin, sweat glands, fur and cartilage. [75] In addition to these two species, subsequent studies demonstrated that Acomys cahirinus could regenerate skin and excised tissue in the ear pinna. [76] [77]

Despite these examples, it is generally accepted that adult mammals have limited regenerative capacity compared to most vertebrate embryos/larvae, adult salamanders and fish. [78] But the regeneration therapy approach of Robert O. Becker, using electrical stimulation, has shown promising results for rats [79] and mammals in general. [80]

Some researchers have also claimed that the MRL mouse strain exhibits enhanced regenerative abilities. Work comparing the differential gene expression of scarless healing MRL mice and a poorly-healing C57BL/6 mouse strain, identified 36 genes differentiating the healing process between MRL mice and other mice. [81] [82] Study of the regenerative process in these animals is aimed at discovering how to duplicate them in humans, such as deactivation of the p21 gene. [83] [84] However, recent work has shown that MRL mice actually close small ear holes with scar tissue, rather than regeneration as originally claimed. [76]

MRL mice are not protected against myocardial infarction heart regeneration in adult mammals (neocardiogenesis) is limited, because heart muscle cells are nearly all terminally differentiated. MRL mice show the same amount of cardiac injury and scar formation as normal mice after a heart attack. [85] However, recent studies provide evidence that this may not always be the case, and that MRL mice can regenerate after heart damage. [86]

Žmonės Redaguoti

The regrowth of lost tissues or organs in the human body is being researched. Some tissues such as skin regrow quite readily others have been thought to have little or no capacity for regeneration, but ongoing research suggests that there is some hope for a variety of tissues and organs. [1] [87] Human organs that have been regenerated include the bladder, vagina and the penis. [88]

As are all metazoans, humans are capable of physiological regeneration (i.e. the replacement of cells during homeostatic maintenance that does not necessitate injury). For example, the regeneration of red blood cells via erythropoiesis occurs through the maturation of erythrocytes from hematopoietic stem cells in the bone marrow, their subsequent circulation for around 90 days in the blood stream, and their eventual cell-death in the spleen. [89] Another example of physiological regeneration is the sloughing and rebuilding of a functional endometrium during each menstrual cycle in females in response to varying levels of circulating estrogen and progesterone. [90]

However, humans are limited in their capacity for reparative regeneration, which occurs in response to injury. One of the most studied regenerative responses in humans is the hypertrophy of the liver following liver injury. [91] [92] For example, the original mass of the liver is re-established in direct proportion to the amount of liver removed following partial hepatectomy, [93] which indicates that signals from the body regulate liver mass precisely, both positively and negatively, until the desired mass is reached. This response is considered cellular regeneration (a form of compensatory hypertrophy) where the function and mass of the liver is regenerated through the proliferation of existing mature hepatic cells (mainly hepatocytes), but the exact morphology of the liver is not regained. [92] This process is driven by growth factor and cytokine regulated pathways. [91] The normal sequence of inflammation and regeneration does not function accurately in cancer. Specifically, cytokine stimulation of cells leads to expression of genes that change cellular functions and suppress the immune response. [94]

Adult neurogenesis is also a form of cellular regeneration. For example, hippocampal neuron renewal occurs in normal adult humans at an annual turnover rate of 1.75% of neurons. [95] Cardiac myocyte renewal has been found to occur in normal adult humans, [96] and at a higher rate in adults following acute heart injury such as infarction. [97] Even in adult myocardium following infarction, proliferation is only found in around 1% of myocytes around the area of injury, which is not enough to restore function of cardiac muscle. However, this may be an important target for regenerative medicine as it implies that regeneration of cardiomyocytes, and consequently of myocardium, can be induced.

Another example of reparative regeneration in humans is fingertip regeneration, which occurs after phalange amputation distal to the nail bed (especially in children) [98] [99] and rib regeneration, which occurs following osteotomy for scoliosis treatment (though usually regeneration is only partial and may take up to 1 year). [100]

Yet another example of regeneration in humans is vas deferens regeneration, which occurs after a vasectomy and which results in vasectomy failure. [101]

Reptiles Edit

The ability and degree of regeneration in reptiles differs among the various species, but the most notable and well-studied occurrence is tail-regeneration in lizards. [102] [103] [104] In addition to lizards, regeneration has been observed in the tails and maxillary bone of crocodiles and adult neurogenesis has also been noted. [102] [105] [106] Tail regeneration has never been observed in snakes. [102] Lizards possess the highest regenerative capacity as a group. [102] [103] [104] [107] Following autotomous tail loss, epimorphic regeneration of a new tail proceeds through a blastema-mediated process that results in a functionally and morphologically similar structure. [102] [103]

Chondrichthyes Edit

Studies have shown that some chondrichthyans can regenerate rhodopsin by cellular regeneration, [108] micro RNA organ regeneration, [109] teeth physiological teeth regeneration, [65] and reparative skin regeneration. [110] Rhodopsin regeneration has been studied in skates and rays. [108] After complete photo-bleaching, rhodopsin can completely regenerate within 2 hours in the retina. [108] White bamboo sharks can regenerate at least two-thirds of their liver and this has been linked to three micro RNAs, xtr-miR-125b, fru-miR-204, and has-miR-142-3p_R-. [109] In one study two thirds of the liver was removed and within 24 hours more than half of the liver had undergone hypertrophy. [109] Leopard sharks routinely replace their teeth every 9–12 days [65] and this is an example of physiological regeneration. This can occur because shark teeth are not attached to a bone, but instead are developed within a bony cavity. [65] It has been estimated that the average shark loses about 30,000 to 40,000 teeth in a lifetime. [65] Some sharks can regenerate scales and even skin following damage. [110] Within two weeks of skin wounding the mucus is secreted into the wound and this initiates the healing process. [110] One study showed that the majority of the wounded area was regenerated within 4 months, but the regenerated area also showed a high degree of variability. [110]


Stem cells in skeletal muscle growth and regeneration in amniotes and teleosts: Emerging themes

Peter D. Currie, Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, 18 Innovation Walk, Clayton, VIC 3800, Australia.

Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

EMBL Australia, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

EMBL Australia, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

EMBL Australia, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

Peter D. Currie, Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, 18 Innovation Walk, Clayton, VIC 3800, Australia.

Funding information: National Health and Medical Research Council, Grant/Award Numbers: APP1041885, APP1136567, APP1104190, APP1159278

Anotacija

Skeletal muscle is a contractile, postmitotic tissue that retains the capacity to grow and regenerate throughout life in amniotes and teleost. Both muscle growth and regeneration are regulated by obligate tissue resident muscle stem cells. Given that considerable knowledge exists on the myogenic process, recent studies have focused on examining the molecular markers of muscle stem cells, and on the intrinsic and extrinsic signals regulating their function. From this, two themes emerge: firstly, muscle stem cells display remarkable heterogeneity not only with regards to their gene expression profile, but also with respect to their behavior and function and secondly, the stem cell niche is a critical regulator of muscle stem cell function during growth and regeneration. Here, we will address the current understanding of these emerging themes with emphasis on the distinct processes used by amniotes and teleost, and discuss the challenges and opportunities in the muscle growth and regeneration fields.

  • Adult Stem Cells, Tissue Renewal, and Regeneration > Tissue Stem Cells and Niches
  • Early Embryonic Development > Development to the Basic Body Plan
  • Vertebrate Organogenesis > Musculoskeletal and Vascular

Anotacija

Muscle growth and regeneration is regulated by obligate tissue resident muscle stem cells. Here, we review the current understanding of the role of muscle stem cells in muscle growth, specifically discussing the distinct processes used by amniotes and teleosts, and in muscle regeneration, addressing the importance of muscle stem cell heterogeneity, and the niche.