Стволовые клетки ногтя – ключ к регенерации конечностей?
Путь к регенерации конечностей, возможно, подскажут стволовые клетки ногтя
Млекопитающие обладают замечательной способностью к регенерации потерянных кончиков пальцев, в том числе ногтя, нервов и даже кости, и в этом отношении ничем не отличаются от амфибий. У людей ампутированные кончики пальцев могут регенерировать всего лишь за два месяца – явление, которое до сих пор оставалось практически неизученным. Неизвестно и то, почему эта способность ограничена областью, связанной с ногтем.
В статье, опубликованной в журнале Nature (Takeo et al., Wnt activation in nail epithelium couples nail growth to digit regeneration), ученые Медицинского центра Лангона Нью-йоркского университета (NYU Langone Medical Center) пролили свет на этот феномен у млекопитающих, используя в своем исследовании генетически модифицированных мышей. Они впервые описали цепочку биохимических событий, разворачивающихся в результате ампутации кончика пальца. Полученные ими результаты могут внести вклад в разработку будущих методов лечения пациентов, лишившихся конечностей.
«Всем известно, что ногти постоянно растут, но никто не знает, почему», – говорит руководитель исследования Маюми Ито (Mayumi Ito), PhD, доцент кафедры дерматологии Школы медицины Нью-йоркского университета (NYU School of Medicine). Немногое известно и о связи между ростом ногтей и способностью к регенерации кости и ткани под ногтем. Доктор Ито и его группа нашли важный ключ к этому процессу – популяцию самообновляющихся стволовых клеток в проксимальном ногтевом матриксе – части ногтевого ложа, богатой нервными окончаниями и кровеносными сосудами, – стимулирующую рост ногтя. Кроме того, ученые установили, что в своей способности к восстановлению кости кончика пальца эти стволовые клетки зависят от семейства белков, известных как сигнальная сеть Wnt (Wnt signaling network). Эти же белки играют важную роль в росте волос и тканевой регенерации в целом.
У мышей с ампутированными кончиками пальцев и заблокированным сигнальным путем Wnt когти и кости не восстанавливаются. Еще более интригующим представляется открытие возможности манипулировать путем Wnt и тем самым стимулировать регенерацию кости и подногтевой ткани. Полученные исследователями результаты говорят о том, что сигнальный путь Wnt необходим для регенерации кончика пальца, и указывают на потенциальный метод лечения, который может помочь пациентам восстановить потерянные конечности. Согласно статистике, в США проживают 1.7 миллиона человек, перенесших различные ампутации.
Ученые планируют продолжить изучение молекулярных механизмов, контролирующих взаимодействие сигнального пути Wnt со стволовыми клетками ногтя, определяющее рост новых структур и тканей.
Читать статьи по темам:
Читать также:
Мышцы можно восстановить
Исследователям удалось регенерировать функционирующую мышечную ткань в организме живых мышей с помощью фибриновых микроволокон, покрытых репрограммированными человеческими клетками.
Как вырастить новую ногу? Спросите у аксолотля!
Что там хвост, как у некоторых ящериц: аксолотль успешно отращивает новую полностью функциональную лапку, взамен отсечённой. Повреждённые лёгкие или спинной мозг также реконструируются замечательно. И шрамов не остаётся. Вот бы и нам так.
Нейроны из фибробластов – надежда на развитие персонализированной регенеративной медицины
Впервые ученые пересадили нейральные клетки-предшественники, полученные из клеток кожи обезьян, в мозг этих же животных и наблюдали их дифференцировку в несколько типов зрелых нейральных клеток.
«Молочные» плюрипотентные клетки
В ткани молочной железы обнаружены уникальные стволовые клетки, по способности давать начало разным типам тканей организма не уступающие эмбриональным.
Регенерация у млекопитающих: новые данные
Ученые описали процесс регенерации крысиного мочевого пузыря, суть которой заключается в поочередной пролиферации клеток разных типов.
Иерархия стволовых клеток кожи
Две популяции стволовых клеток кожи по-разному участвуют в восстановлении повреждений и регуляции баланса между отмиранием старых клеток эпидермиса и ростом новых.
Электронное СМИ зарегистрировано 12.03.2009
Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77-35618
Источник
Выращивание пальцев рук стволовыми клетками
Вероятно, что каждый человек, который видел в детстве ящерицу, задавался вопросом, почему оторванный хвост вырастает? А люди не обладают такими свойствами: как рост отрезанных конечностей- рук и ног, и даже пальцев. Для того чтобы найти ответ на данный вопрос понадобилось несколько десятков лет.
Раньше считалось, что у людей пальцы не регенерируют. После ампутации делали культю и применяли протезы. Но в 1972 году в результате врачебной ошибки мальчику, после ампутированного пальца рану не зашили лоскутом кожи. Спустя 3 дня хирург Синтия Иллингвор обнаружила, что кончик пальца начал регенерировать. Клинические исследования врачей подтвердили, что пальцы регенерируют при потери дистальной фаланги до определенного уровня.
Ученые провели множество исследований на мышах, которые позволили сделать несколько выводов: первый, есть популяция стволовых клеток под ногтевой пластинкой; второй, Wnt играет ключевую роль в регенерации кончика пальца.
В данной статье мы опишем последние исследования по вопросу регенерации дистальной фаланги пальца и ногтя, и современные подходы по ведению таких больных.
Кончики пальцев млекопитающих могут восстанавливаться после ампутации, как и у амфибий. Но неизвестно, почему эта способность ограничена областью, связанной с ногтем. Стволовые клетки ногтей NSC находятся в проксимальной матрице и механизмы, определяющие дифференциацию NSC, напрямую связаны с их способностью координировать регенерацию пальцев. NSC подвергаются Wnt-зависимой дифференцировке ноготь. После ампутации эта активация Wnt требуется для регенерации ногтей, а также для привлечения нервов, которые способствуют мезенхимальному росту бластемы, что в конечном счет приводит к регенерации кости, мышц и отпечатков пальца (остаются прежними) [5].
После ампутации кончика пальца недифференцированные мезенхимальные клетки, в том числе судьбы-ограниченные клетки-предшественники накапливаются под раневым эпителием и образуют «бластему». Было выдвинуто несколько гипотез для объяснения механизмов, способствующих регенерации, и образования бластемы.
Одна гипотеза гласит о том, что гематопоэтические стволовые клетки, могут проникать в поврежденные ткани и трансдифференцироваться в потерянные типы клеток.
Другая концепция заключается в том, что остаточные локальные зрелые клетки различных типы могут дедифференцироваться, в плюрипотентный класс клеток.
Третья идея состоит в том, что гомеостаз ткани и регенерация происходит из видов тканеспецифических стволовых клеток, которые первоначально отвечали за их эмбриональное развитие.
На протяжении десятилетий предполагалось бластема образуется из недифференцированной популяция плюрипотентных клеток, которые, как полагают, были получены из зрелых клеток посредством дедифференцировки. Однако последние исследования показывают, что широкий диапазон клеток способствует восстановлению дистальной фаланги мыши. Трансплантация гематопоэтических стволовых клеток и клеток, участвующих в ангиогенезе подтвердил, что стволовые клетки предшественники находятся в живых тканях. Эти результаты в совокупности демонстрируют, что бластему образуют тканевые стволовые клетки, а не плюрипотентные клетки, которые первоначально отвечали за их эмбриональное развитие [4].
Рост и дифференцировка этих мезенхимальных клеток приводит к регенерации пальца. Однако, если ампутация произведена проксимальнее ногтя, то регенерация ни ногтя, ни пальца не возможна, и неизвестно, почему это ограничение существует.
Рис.1. Микрофотография: через пять недель после ампутации кончика пальца мышиный организм отращивает его заново.
Предыдущие исследования показали, что трансплантация ногтей после ампутации на средней фаланге может вызвать эктопическую дифференцировку кости. Это приводит к гипотезе о том, что эпителий ногтей имеет специальную функцию в регенерации пальцев. Изучение этой гипотезы может дать ответы на вопросы: почему регенерация ограничена и связана с ногтевой частью пальца, и как эпителиальные клетки могут влиять на мезенхимальные клетки, участвующие в регенерации пальцев.
Существует гипотеза, что NSC подвергаются Wnt-зависимой дифференцировке ноготь. После ампутации эта активация Wnt требуется для регенерации ногтей, а также для привлечения нервов, которые способствуют мезенхимальному росту бластемы. Чтобы проверить роль активации Wnt в регенерации эпителия ногтей, ученые удалили b-catenin, который является важным медиатором передачи сигналов Wnt. Ученые ждали 2 месяца, но восстановление ногтя не произошло. Это подтверждает важную роль передачи сигналов Wnt в дифференцирующий ноготь.
Потом, чтобы определить, как дифференциация ногтя связана с регенерацией пальцев, ученые лечили мышей тамоксифеном. У контрольных мышей ноготь и кость возобновили свою первоначальную структуру через 5 недель после ампутации.
Под Wnt-активной регенерирующей матрицей мезенхимальные клетки активно пролифирируют. Они определили, что большинство этих клеток экспрессируют Runx2, маркер приверженец остеобласта.
Кроме того, нервы, которые жизненно необходимы для регенерации расположены в пролиферативной мезенхиме Runx2 рядом с Wnt-активным эпителием [6]. Они приравниваются к паракринному фактору, который воздействует на Wnt. Чтобы доказать это, были удалены нервы до ампутации, затем было обнаружено подавление роста бластемы в них. Через 3 недели после ампутации в денериврованных пальцах была значительно снижена сигнализация фибробластного фактора роста (FGF), тогда как в иннервированных пальцах бластема продолжала расти.
Вышеприведенные результаты показывают, что активация Wnt в эпителии ногтя выполняет двойные функции: регенерации ногтей и рост мезенхимных клеток, через его способность индуцировать нервно-зависимую FGF2.
Почему же пальцы не восстанавливаются после ампутации, проксимальнее ногтя? Исследование ампутированных пальцев показало, что ампутации проксимальнее ногтя не смогли активировать эпителиальную сигнализацию Wnt, о чем свидетельствует отсутствие ядерной экспрессии b-catenina и TCF1, что приводит к неспособности регенерировать ноготь и палец.
Рис.2. Если ампутирован слишком крупный кусок пальца, то восстановления не произойдёт в силу повреждения эпителиального слоя.
Двойная функция передачи сигналов Wnt является ключевым механизмом в регенерации наконечника пальца. Дальнейшие исследования механизмов, регулирующие НСК, и их взаимодействие с мезенхимными клетками могут привести к новым путям лечения пациентов с ампутацией [3].
В настоящее время консервативным лечением ампутированного кончика пальца у людей является применение окклюзионной повязки, которая обеспечивает герметичную изоляцию пострадавшего участка тела для предотвращения контакта с водой и воздухом. Таким образом, она участвует в создании микроокружения, которое играет важную роль в предоставлении сигналов, которые инициируют регенерацию. После повреждения пальца у людей происходит немедленное высвобождение различных факторов роста, цитокинов и хемокинов, которые запускают и контролируют последовательные стадии восстановления раны.
В восстановлении микроокружения ран важную роль играют следующие факторы:
· тромбоцитарный фактор роста (PDGF)- вызывает миграцию клеток в рану, усиление пролиферации фибробластов и производство внеклеточного матрикса.
· эпидермального фактора роста (EGF) играет важную роль реэпителизации и васкуляризация при восстановлении раны.
· фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и другие факторы роста- им принадлежит решающая роль в ангиогенезе раны, которые затем влияют на общие процессы восстановления.
У трех пациентов в регенерирующей раневой жидкости были найдены все эти факторы роста.
Для дальнейшего исследования были выбраны 5 мужчин (средний возраст 50 ± 15 лет). Окклюзионную повязку применяли при поступлении и меняли один раз в неделю без ополаскивания раны в течение 5 недель. У пациентов было 9 консультаций в течение первых 6 месяцев. Клиническая и морфологическая оценка проводилась через три месяца после травмы. 
Рис.3. Репрезентативные изображения ампутированных пальцев. а) при поступлении и до применения окклюзионной повязки; (б) Три месяца после травмы и при клинико-морфологической оценке.
По общему мнению, способность регенерировать кончики пальцев теряется или уменьшается у человека по возрасту. Здесь мы показываем, что у всех наших взрослых пациентов (средний возраст 50 лет) кончики пальцев прошли регенерацию с удовлетворительным клиническим исходом. По определению, повторный рост клеток или тканей во время регенерации заменяет как форму, так и функцию в поврежденных органах. Действительно, клиническая оценка регенерированных кончиков пальцев у наших пациентов показала, что они имеют сопоставимые морфологические и функциональные характеристики с не поврежденными кончиками пальцев. Однако мы наблюдали ключевые механические изменения в регенерированных кончиках пальцев. Увеличение эластичности сопровождалось высокой васкуляризацией в регенерированных кончиках пальцев, что указывало на то, что повышенная сосудистая структура во время регенерации влияет на эластичность этих тканей. Тем не менее, долгосрочные исследования необходимы для подтверждения того, связаны ли эти события и сохраняются ли они во времени после завершения процесса регенерации [2].
В настоящее время в РФ применяют:
· Гильотинный способ-это наиболее простой и быстрый способ: все мягкие ткани пересекают на одном уровне с костью. Раневая поверхность в результате сокращения мышц и кожи приобретает конусовидную форму, отток раневого отделяемого не затруднен. Однако способ имеет явные недостатки. Обширная раневая поверхность обнажена, происходит длительное заживление с краев с исходом в рубцевание.
· Лоскутный способ- это общепринятый способ для создания функциональной культи конечности. Он позволяет использовать здоровые участки кожи, расположенные в зоне поражения конечности, и, таким образом, произвести ампутацию на более низком уровне. Послеоперационный рубец, как правило, подвижен, безболезнен, не препятствует протезированию. Обычно выкраивают два лоскута (передний и задний), причем соотношение их длины может быть различным. Исходя из конкретных условий, допустимо также выкраивать боковые и другие, так называемые атипичные, лоскуты. Если рубец подвижен и безболезнен, его «неправильное» расположение не влияет на функциональные качества культи. Образованные лоскуты должны иметь широкое основание и содержать подкожную клетчатку с фасцией или без нее. Иногда в состав лоскута включают подлежащие мышцы.
Ученые провели серию экспериментов на мышах, которые позволили сделать два важных вывода. Во-первых, была обнаружена популяция стволовых клеток под ногтевой пластиной: отвечающая за формирование новых тканей на месте утраченных и локализованная в эпителии, а не более глубоких слоях. Во-вторых, ученым удалось доказать важность своевременной активации определенного гена: кодирующего белок с кодовым обозначением Wnt.
Этот белок не является новым, открытым только в ходе описываемого исследования. Он достаточно давно изучается как важный элемент системы регуляции активности стволовых клеток и эмбрионального развития. Мыши, у которых в стволовых клетках этот белок не работал, так и не смогли отрастить себе новые кончики пальцев вместо утраченных.
У людей регенерация кончиков пальцев возможна при применении окклюзионной повязки, если ампутация была произведена дистальнее ногтевой матрицы. Дальнейшее исследование этой темы поможет найти новые пути лечения пациентов.
Источник