Регенерация пальцев: Ученые выяснили, почему у людей отрастают отрезанные кончики пальцев

Содержание

Ученые выяснили, почему у людей отрастают отрезанные кончики пальцев

https://ria.ru/20130613/943154481.html

Ученые выяснили, почему у людей отрастают отрезанные кончики пальцев

Ученые выяснили, почему у людей отрастают отрезанные кончики пальцев — РИА Новости, 13.06.2013

Ученые выяснили, почему у людей отрастают отрезанные кончики пальцев

Ученые обнаружили, что в основании ногтя человека находится небольшая группа стволовых клеток, благодаря которым ноготь постоянно растет. Оказалось, что этот же механизм отвечает и за восстановление кончиков пальцев.

2013-06-13T15:22

2013-06-13T15:22

2013-06-13T16:07

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn22.img.ria.ru/images/sharing/article/943154481.jpg?9431270251371125279

нью-йорк (город)

америка

нью-йорк (штат)

весь мир

северная америка

сша

РИА Новости

[email protected] ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2013

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

нью-йорк (город)

15:22 13.06.2013 (обновлено: 16:07 13.06.2013)

Ученые обнаружили, что в основании ногтя человека находится небольшая группа стволовых клеток, благодаря которым ноготь постоянно растет. Оказалось, что этот же механизм отвечает и за восстановление кончиков пальцев.

Регенерация на кончиках пальцев

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Почти у всех нас есть конечности. Мы настолько к ним привыкли, что воспринимаем как нечто само собой разумеющееся. Часто ли мы задумываемся об их важности? Вспоминается грустная пословица «Что имеем не храним, потерявши плачем». Авторы статьи искренне желают читателю никогда не познать ее в жизни. Во всяком случае, в таком контексте. Но все же — обязательно ли «плакать» в случае потери конечности, и нет ли способа вернуть ее в случае несчастья? А может, такой способ появится в будущем? Большие вещи начинаются с малого. Понимание регенерации целой руки и ноги кроется в осознании процессов, происходящих на самых кончиках пальцев. О них и пойдет речь дальше.

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.


Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.


Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Важность конечностей неоспорима. Недаром даже есть поговорки: «С руками нигде не пропадешь», «Волка ноги кормят». Потеря или необратимые повреждения конечностей могут оставить человека инвалидом на всю жизнь. С помощью современных медицинских подходов можно, конечно, поставить человека «на ноги». Возможны реплантация ампутированной конечности (ее обратное приживление) или закрытие раны участками кожи для формирования культи с последующим применением протезирующих устройств. Несмотря на стремительно развивающееся протезирование и появление киберпротезов, которые (как пророчат книги, игры и фильмы) уже в недалеком будущем будут почти идентичны утраченной части тела и легко и дешево заменимы, уж очень привлекательна перспектива полного структурного и функционального восстановления ампутированной конечности собственными силами организма (или с помощью небольшой дополнительной стимуляции — рис. 1).

Рисунок 1. В настоящем 2077 протезы уже не будут нужны

Известно, что многие рыбы и амфибии способны к регенерации утраченных конечностей. Но способен ли на это человеческий организм? Оказывается, и да, и нет. Все зависит от правильного взаимодействия различных факторов: от активности генов и иммунной системы до морфологического строения поврежденной конечности и концентрации кислорода в ране. Попытаемся подробнее изучить основные эволюционные изменения процессов регенерации, рассмотреть все тонкости регенерации конечностей, а также порассуждать, насколько хорошо проходит регенерация у млекопитающих.

Регенерация — от прошлого к настоящему

Еще в древних мифах описывалось необычное свойство некоторых существ восстанавливать любую отрубленную часть тела. Так, Лернейская гидра в битве с Гераклом могла отращивать новые головы на месте отрубленной. При этом для победы Геракл использовал вполне оригинальный и логичный способ: он прижег горящими головнями места, где вырастали новые головы, что воспрепятствовало бесконечной регенерации. Можно вспомнить и другой пример из древнегреческой мифологии — каждый день печень Прометея, который похитил для людей божественный огонь, склевывал орел, а каждую ночь она отрастала заново. Однако древние греки едва ли могли объяснить описываемые явления с биологической точки зрения. Так чем же обусловлены эти процессы у существующих организмов?

Наши передние и задние конечности состоят из различных типов клеток: остеоцитов (образуют скелет), миоцитов (мышцы), адипоцитов (жировая ткань), нейронов (нервная ткань), кератиноцитов (эпидермиса). Каждая клетка имеет свой генетический профиль и историю его реализации, называемую дифференцировкой. Клетки специализируются и сохраняют приобретенные особенности, так как хранят запись биохимических сигналов своих клеточных предков, полученных еще на эмбриональной стадии. По сути, регенерация конечности — это прохождение клеточной специализации заново. И пройти ее должны все названные выше типы клеток. Восстановить группу клеток одного типа — уже непростая задача, что уж говорить о регенерации более сложноорганизованных структур. В организме для этого формируется бластема — неоднородная популяция клеток, которая временно образуется на раневой поверхности после ампутации как результат миграции и компенсаторной пролиферации клеток, а затем подвергается морфогенезу и замещает поврежденную часть органа (рис. 2). Бластема становится источником стволовых клеток — недифференцированных (незрелых) клеток, из которых впоследствии формируются ткани. Именно они затем специализируются и восстанавливают первоначальный размер и форму утраченной конечности.

Рисунок 2. Регенерация пальца у мышей. В ход идут клеточные механизмы, единые для всех позвоночных: прежде всего активируются стволовые клетки, которые формируют бластему. Затем стволовые клетки на основе своей уникальной программы, заложенной в геноме, дифференцируются в соответствующий тип клеток (кожи, мышц, костей и др.) и восстанавливают исходный размер и форму кончика пальца.

Разновидности регенерации

Пролиферация — это процесс размножения клеток, приумножающий объем тканей. Интенсивно протекает в период эмбрионального развития, когда клетки развивающегося эмбриона активно и непрерывно делятся. Данный процесс тесно связан с репаративной (от лат. reparatio — «восстановление») регенерацией, которую подразделяют по процессу восстановления функциональности органов на (рис. 3):

  1. Эпиморфоз — отрастание недостающей части органа без относительного изменения размера и формы его оставшейся части. За счет чего это возможно? Данный вид регенерации примечателен тем, что общий профиль утраченной части тела восстанавливается за счет активности образующихся недифференцированных (стволовых) клеток. Это в большей степени свойственно анамниям — организмам, эмбриональное развитие которых происходит в воде: рыбам и амфибиям.
  2. Морфаллаксис — перестройка оставшихся тканей и восстановление границ органа без образования стволовых клеток. Материал для такого «строительства» поставляется за счет смены специализации других тканей организма. Однако за это приходится платить размерами тканей, так как клетки необходимо откуда-то брать. Наблюдается преимущественно у примитивных животных, в том числе у беспозвоночных: известных многим со школы гидр, планарий и других кишечнополостных, членистоногих, плоских и кольчатых червей.
  3. Компенсаторная гипертрофия некоторых органов — это восстановление объема функционирующей ткани органа после ампутации за счет увеличения внеклеточных структур, количества сосудов, числа или объема клеток. Характерна для печени и миокарда.

Рисунок 3. Виды регенерации. Нас интересует самый первый — эпиморфоз, или эпиморфная регенерация, так как он эволюционно ближе всего к млекопитающим и, следовательно, человеку.

Ослабление способности к регенерации с течением эволюции

Среди млекопитающих не найти столь впечатляющих примеров регенерации, как среди хвостатых амфибий. Но сравнение эпиморфной регенерации у классических моделей (земноводных и рыб) и млекопитающих приближает нас к пониманию того, что мешает нам (млекопитающим) регенерировать так же эффективно, и как это можно преодолеть. Сложно поверить, но механизмы регенерации, как и механизмы развития, схожи не только у всех позвоночных, но также и среди основных типов беспозвоночных.

Информацию о механизмах регенерации содержит геном, практически идентичный во всех клетках организма. Клетки разных тканей отличаются друг от друга потому, что экспрессируют разные наборы генов (а не потому, что содержат разные гены). Избирательная экспрессия генов обусловливает и разные стадии регенерации:

  • пролиферацию, дающую множество клеток из одной;
  • специализацию, создающую клетки с разной пространственной ориентацией и биологическими характеристиками;
  • связь клеток между собой, определяющую поведение одной клетки по отношению к соседям;
  • перемещение (миграцию), при которой клетки группируются, чтобы сформировать ткани и органы заданной структуры.

Во всех этих процессах клетка постепенно переходит из недифференцированного (столового) состояния в последующие, более специализированные. Возможен и альтернативный путь: клетка может уже пройти частично путь специализации, но перейти на другой под воздействием особых сигналов среды. Это как раз случай бластемы.

Но почему же примитивные беспозвоночные и низшие позвоночные (анамнии) способны к регенерации, а высшие (амниоты) утратили эту суперспособность?

С течением эволюции у всех животных — от низших до высших, вплоть до человека, — набор генов менялся не слишком сильно. Для согласованного построения многоклеточной структуры разные организмы используют всего несколько довольно консервативных путей передачи межклеточных сигналов. Однако по мере усложнения организмов дар регенерации постепенно угасал. В результате амниоты (рептилии, птицы, млекопитающие) почти утратили способность формировать бластему. Почему? Различия в общем плане строения организма возникают во многом из-за различий в генах регуляторных и сигнальных белков, которые отвечают за то, когда и где другие гены, кодирующие структурные белки, должны быть активированы или ингибированы.

Ученые из лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза ИБХ РАН выдвинули гипотезу, что изменения в регуляторных участках и некоторых генах коррелируют с потерей регенерации. Чтобы ее проверить, они поочередно ингибировали и активировали гены, которые могли быть причастны к формированию раневого эпителия и бластемы. Выяснилось, что гены транскрипционных факторов Ag1 и сигнальных белков Ras-dva встречаются только в геномах низших позвоночных, рыб и амфибий, но отсутствуют у высших — рептилий, птиц и млекопитающих (рис. 4) [2]. При этом эти гены одновременно и стимулируют регенерацию конечностей, и подавляют развитие конечного мозга. Именно с их потерей у высших позвоночных в эмбриогенезе зародился конечный мозг.

Рисунок 4. Регенерация, которую мы потеряли. Видно, что с усложнением организации высших позвоночных происходила потеря генов семейства Ras-dva, а вместе с этим и способности к регенерации.

Оказывается, где-то на развилках эволюции самым драматическим образом произошел обмен регенерации конечностей на мощный мозг. Видимо, раз мы смогли написать для вас эту статью, то он оказался полезным. Однако почему же нельзя было оставить нам и регенерацию?

На данный момент регенерацию изучают больше всего на амфибиях (саламандры и тритоны) и рыбах данио рерио (зебрафиш) [3]. Например, хвостатые амфибии способны восстанавливать конечность, хвост, хрусталик глаза и часть нижней челюсти. Исследования проводят и на млекопитающих, хотя их потенциал далеко не так впечатляет. Ампутированные кончики пальцев у грызунов, повреждения ушной раковины у иглистых мышей и кроликов — вот, по сути, всё, что можно изучать из области эпиморфной регенерации у млекопитающих. Эти исследования позволяют связать регенеративную биологию и регенеративную медицину. В статье мы будем использовать информацию, полученную из исследований как на амниотах, так и анамниях, ибо, несмотря на потерю транскрипционных факторов Ag1 и сигнальных белков Ras-dva, консервативные пути передачи регенеративного сигнала в клетках в течение эволюции сохранились, и общий план строения конечностей у анамний и амниот схож.

Разбираем бластему: этап за этапом, клетка за клеткой, ген за геном

Сначала необходимо понять, какие внешние воздействия могут способствовать или мешать формированию бластемы. Для этого лучше изучить регенерацию «на практике». Вот мы ампутировали конечность. А дальше? Что мы можем сделать для стимуляции регенеративных процессов? Оказывается, не так много. Конечно, можно использовать разные шовные материалы и медицинские клеи для остановки кровотечения. Однако может получиться так, что регенерация остановится уже на первых этапах и не успеет достигнуть стадии бластемы. В исследовании, проведенном на мышах, ученые пробовали покрывать рану медицинским клеем (рис. 5) [4]. Это привело к следующему результату — раневая поверхность покрылась беспорядочной богатой коллагеном соединительной тканью, называемой фиброзной, которая составила основу культи и мало чем напоминала нормальную конечность.

Рисунок 5. Хронология регенерации ампутированного кончика пальца при обработке медицинским клеем (фирма Dermabond; A, B и D) и без обработки (Control; A’, B’ и D’) в течение 13 дней после ампутации (DPA — days post-amputation). Можно заметить, что закрытие раны эпидермисом у пальца, обработанного клеем, на третий день после ампутации (A) началось преждевременно (черная стрелка) по сравнению с контрольной группой (A’), где наблюдалось лишь образование сгустка крови в полости костного мозга (белая стрелка). Впоследствии структурные изменения становились все более заметными, в результате чего на 13-й день после ампутации у пальца, не обработанного клеем, бластема была больше по объему и числу клеток (черная стрелка на срезе D’ указывает на клетки разрушенной костной ткани, которые впоследствии будут вовлечены в процесс регенерации), чем у пальца, обработанного клеем (срез D).

Оказалось, что важнейшую роль на разных этапах восстановления конечности играет локальное изменение концентрации кислорода [5]. Примечательно, что в норме на начальных этапах регенерации концентрация кислорода должна быть повышена (а при использовании медицинского клея выходит наоборот), а впоследствии падать из-за образования раневого эпидермиса на поверхности раны и активировать сигнальные пути регенерации. Если же изначально закрыть рану, то образования стабильного микроокружения из клеток и сигнальных молекул для формирования бластемы не происходит.

Цикл регенерации можно разбить на шесть этапов (рис. 6). Рассмотрим каждый из них подробнее и опишем процессы, которые при этом происходят.

Рисунок 6. Цикл регенерации кончика пальца у млекопитающих: ампутация, гистолиз, закрытие раны, образование бластемы, дифференцировка, ремоделирование. Для каждого этапа характерны свои особенности и нюансы, о которых речь пойдет дальше.

1. Ампутация

После столь ужасной травмы организму первым делом необходимо остановить кровопотерю и создать условия для образования бластемы. Сразу после травмы включается иммунная реакция, останавливается кровотечение, происходит вазоконстрикция (сужение сосудов) и коагуляция тромбоцитов. Они формируют сгусток фибрина, который составляет основу тромба [6], [7]. Вместе с этим в рану мигрируют воспалительные клетки — нейтрофилы и моноциты. Последние на месте повреждения превращаются в макрофаги, ну а нейтрофилы «пожирают» патогенные микроорганизмы, после чего «кончают с собой» путем апоптоза. Эти клетки входят в систему врожденного иммунитета, и в числе первых запускают защитную реакцию и воспаление. Этот этап длится первые несколько часов после травмы.

Как упоминалось ранее, у заживления после ампутации возможны два исхода: образование рубца из фиброзной ткани или эпиморфная регенерация. А что именно произойдет — решится в следующей фазе.

2. Гистолиз

Это разрушение тканей путем их «растворения» протеолитическими ферментами перед заживлением раны. Можно сказать, что организм действует по принципу «вред во благо». Это одна из ключевых стадий эпиморфной регенерации, так как именно в результате гистолиза формируется микроокружение, стимулирующее дедифференцировку клеток в стволовые, благодаря чему и формируется бластема. Происходит необходимое разрушение кости и уменьшение ее в объеме (до 60–75%) для того, чтобы ее компоненты (в том числе мезенхимальные и гемопоэтические, или кроветворные, стволовые клетки) могли принять участие в регенерации (рис. 7). Параллельно этому синтезируются протеазы (ферменты, расщепляющие белки) клетками иммунной системы, реорганизуются фрагменты внеклеточного матрикса и образуются факторы роста — специальные белки, контролирующие рост клеток и их вступление в клеточный цикл и усиливающие или ингибирующие регенеративные процессы.

Рисунок 7. Гистолизу подвергается преимущественно костная ткань, а разрушают ее предназначенные для этого клетки — остеокласты. Данный процесс может длиться вплоть до образования бластемы (12–14 дней после ампутации).

Активная роль в разрушении тканей принадлежит ферментам матриксным металлопротеиназам (ММП). Они расщепляют белки внеклеточного матрикса, которые вовлечены в процесс заживления ран и контролируют процесс ремоделирования тканей.

Внеклеточный матрикс
многокомпонентная субстанция, которая объединяет разрозненные клетки в единый многоклеточный организм, и в которую погружены все клетки организма [8]. Внеклеточный матрикс, который формируется при воздействии иммунных клеток, содержит гиалуроновую кислоту и специфические белки (гликопротеины и протеогликаны), а затем дополняется другими белками (коллагены типа I и III, эластин, фибронектин, тенасцин-C и др.), что делает матрикс более организованным и структурированным [9]. Примечательно, элементы внеклеточного матрикса легко окрашиваются, поэтому по их градиенту концентрации легко визуализировать и отслеживать, с каким успехом проходят восстановительные процессы. Все перечисленные соединения синтезируются преимущественно фибробластами — клетками соединительной ткани, которые вносят основной вклад в образование бластемы и ремоделирование конечностей [10].

Раневые участки содержат множество типов ММП, которые поддерживают различные реакции, связанные с миграцией фибробластов, ангиогенезом (восстановлением сосудистой сети) и предотвращением синтеза базальной мембраны между тканями конечности и раневым эпидермисом, что и подавляет рубцевание. Ингибирование ММП приводит к замедлению заживления ран и нарушению миграции и дифференцировки стволовых клеток. Например, мыши с мутацией коллагена типа I, который устойчив к расщеплению ММП-1, демонстрируют нарушение ремоделирования и замедленное заживление тканей. Однако в ряде исследований многие ММП-дефицитные мутанты не демонстрируют таких аномалий, что может быть связано со сложной специфической ролью каждой ММП [9], [11]. При этом активность ММП не может продолжаться долго, она подавляется тканевыми ингибиторами металлопротеиназ, когда приходит время создавать новый каркас для клеток из внеклеточного матрикса на стадии ремоделирования.

3. Закрытие раны

На 7–10 день после ампутации происходит эпителизация поврежденного участка, что связано с ростом количества кератиноцитов. При этом продолжают работу иммунные клетки: макрофаги и нейтрофилы синтезируют активные формы кислорода, чтобы нейтрализовать инородные микроорганизмы и подвергнуть фагоцитозу поврежденную ткань [9]. Макрофаги — важный источник как воспалительных, так и противовоспалительных сигналов, поступающих в поврежденную область после травмы, где они участвуют в обмене компонентов внеклеточного матрикса, очищают ткани от инородных частиц и подвергают фагоцитозу апоптотические клетки (останки клеток после программируемой гибели). Эти процессы опосредованы специальными белками, контролирующими рост клеток — цитокинами. Благодаря провоспалительным цитокинам, которые запускают механизм специфического иммунитета и действуют через свои рецепторы на клетки мишени на ранней стадии воспаления (интерлейкины IL-1, IL-6, IL-8; фактор некроза опухоли-α TNF-α), фибробласты выделяют факторы роста кератиноцитов KGF-1, KGF-2, сигнализирующие кератиноцитам мигрировать и пролиферировать. Также клетками иммунной системы синтезируются хемокины (семейство цитокинов), необходимые для миграции фибробластов, а впоследствии и противовоспалительные цитокины (IL-4, IL-10, трансформирующий фактор роста TGF-β), которые ослабляют воспаление и стимулируют ангиогенез [12]. К примеру, сигнальная молекула TGF-β подавляет пролиферацию кератиноцитов, что способствует регенеративным процессам благодаря замедлению рубцевания. А у мышей с мутациями, нарушающими синтез TGF-β, наблюдалось более быстрое заживление ран и рубцевание. Поэтому неудивительно, что в исследованиях на мышах недостаток макрофагов и нейтрофилов или нарушение их регуляции после ампутации приводит к неполному восстановлению мышц и образованию рубцов [13].

Таким образом, уменьшение количества иммунных клеток вызывает снижение миграции фибробластов и кератиноцитов, так как снижается концентрация сигнализирующих белков. Однако и нормальное содержание макрофагов и нейтрофилов приводит к воспалению, а затем к образованию рубцовой ткани, что преимущественно и наблюдается у млекопитающих. Поэтому нельзя однозначно ответить, положительно или отрицательно клетки иммунной системы влияют на процессы регенерации. Стоит помнить, что иммунная система примитивных животных и низших позвоночных не так сложна, как у высших, что также может объяснять их лучшую способность к регенерации. Примечательно, что в ряде исследований, мутантные модели мышей, испытывающие дефицит макрофагов и нейтрофилов, все еще были способны заживлять небольшие раны без образования рубцовой ткани [13].

4. Образование бластемы

После заживления раны на 10–14 день после ампутации организму необходимо накопить достаточное число стволовых клеток для формирования бластемы. Обычно полученных на стадии гистолиза стволовых клеток взрослому организму бывает недостаточно, так как регенерация сложных структур конечности требует большого количества клеток-предшественников. Решение данной проблемы — дедифференцировка и трансдифференцировка уже детерминированных клеток соседних тканей. При этом анамнии справляются с дефицитом стволовых клеток путем свободного формирования клеток-предшественников из дифференцированных клеток в бластеме, а у амниот дедифференцировка совмещена с трансдифференцировкой [1]. Переход к более недифференцированному состоянию или смена клеткой своей специализации сопровождается реорганизацией цитоскелета (клеточного каркаса), перегруппировкой клеток, изменением взаимодействия между молекулами клеточной адгезии (преимущественно кадгерином и интегрином).

Кадгерины и интегрины
кальций-зависимые и кальций-независимые соединения соответственно, которые управляют перемещениями клеток, взаимодействуют с элементами внеклеточного матрикса и контролируют избирательное связывание клеток друг с другом в пункте назначения.

Синтез цитокинов, факторов роста, сигнальных молекул и молекул клеточной адгезии, от которых зависит потеря или смена клеточной специализации и пролиферация клеток в бластеме, коррелирует с кислородным голоданием — гипоксией. Если обратить внимание на хронологическую последовательность регенерации конечности у мыши, то можно заметить, что гипоксия наблюдается как раз к 12-му дню после ампутации конечности (рис. 8) [5].

Рисунок 8. Кислород на месте ампутированной конечности. На кончике пальца мыши после ампутации можно заметить области гипоксии (A–H; красный цвет) и нормальной концентрации кислорода (A’-H’; зеленый цвет). Примечательно, в первые 7 дней после ампутации (DPAdays post-amputation) концентрация кислорода была по большей части повышена в тканях пальца, что связано с беспрепятственным проникновением кислорода через незакрытую эпидермисом рану, однако после ее закрытия можно наблюдать обширные области сниженной концентрации кислорода в тканях, что впоследствии приводит к формированию бластемы на 12-й день после ампутации (F, J, L).

На основе работ по изучению гипоксии во время регенерации можно предположить, что кислородное голодание является своеобразным стимулятором регенеративных процессов на стадии формирования бластемы. Однако как клеткам, которым обычно необходим кислород для нормального функционирования, приспособиться к таким непростым условиям? В это время в них синтезируются молекулы, призванные поддерживать их жизнеспособность — фактор, индуцируемый гипоксией, или HIF-1α [14]. Он побуждает клетки синтезировать те гены, которые адаптируют метаболизм под условия недостатка кислорода и участвуют в пролиферации и выживаемости клеток. Однако работа HIF-1α на данном этапе не закончена. Впоследствии он будет необходим уже для восстановления сосудистой сети.

Клетки бластемы обладают сложным генетическим профилем. Какие же гены отвечают за перепрограммирование зрелых клеток в стволовые? Общий фон экспрессии генов бластемы схож с таковым у эмбриональных стволовых клеток уже после формирования зародышевых листков. Кажется, многие слышали о возможности превратить окончательно дифференцированные клетки в стволовые, которые называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками: ученые Джон Гардон и Шинья Яманака на опыте продемонстрировали, как вектор из четырех генов (Myc, Oct3/4, Sox2 и Klf4; данный список продолжает пополняться), внедренный в клетки, может обратить вспять биологические часы [15]. По сути, такие же гены активны в стволовых клетках бластемы.

К сожалению, было доказано, что клетки бластемы находятся не в плюрипотентном состоянии даже у анамний. Только четыре из шести ключевых генов транскрипционных факторов (Klf4, Sox2, Lin28, c‐Myc; без Nanog и Oct4), используемых для перепрограммирования взрослых специализированных клеток, активно экспрессируются [16]. Именно поэтому стволовые клетки бластемы относят к мультипотентным — клеткам, которые могут дифференцироваться только в клетки определенного типа ткани. Наряду с обязательными генами в общий профиль бластемы может входить до 50 генов, в разной степени вовлеченных в процесс формирования и поддержания бластемы. Однако необходимо еще распределить такое разнообразие клеток в пространстве для последующих дифференцировки и ремоделирования.

Для этого существуют так называемые направляющие воздействия. Активность небольшой группы соединений координирует миграцию большой популяции клеток, не только стволовых. Среди них помимо градиента кислорода важное место занимает комплекс из сигнальной молекулы и рецептора SDF1/CXCR4 [17]. Во время регенерации сигнальные молекулы SDF1 синтезируются преимущественно в фибробластах, которые, как говорилось ранее, необходимы для организации внеклеточного матрикса в бластеме. SDF1/CXCR4 примечателен тем, что его синтез повышается в ответ на повышение концентрации HIF-1α и механические повреждения, что приводит к усиленной миграции стволовых клеток посредством хемотаксиса в область ампутации (рис. 9) [14], [17]. Таким образом, к концу стадии образования бластемы у организма уже есть резерв стволовых клеток и место для их дислокации для последующей дифференцировки.

Рисунок 9. Миграция стволовых клеток по градиенту сигнальных молекул (например, факторов роста и хемокинов), которые высвобождаются тканью в ответ на повреждение. Стволовые клетки мобилизуются из костной ткани и мигрируют по кровеносным сосудам (а) или непосредственно по внеклеточному матриксу (б) с помощью белков клеточной адгезии, достигая места повреждения.

5. Дифференцировка

После образования бластемы необходимо направить дифференцировку стволовых клеток в нужное русло для последующего ремоделирования поврежденной конечности. У каждой более специализированной группы клеток активны определенные гены, которые кодируют сигнальные молекулы, молекулы клеточной адгезии, структурные белки и другие соединения. Чтобы восстановить ткань, нужно направить стволовые клетки по пути переспециализации, которая, в свою очередь, достигается за счет смены экспрессируемых генов.

Рассмотрим в качестве примера активацию сателлитных стволовых клеток — предшественников миоцитов. Направление миогенной дифференцировки осуществляется при помощи различных факторов роста, к которым относятся фактор роста гепатоцитов (HGF), фактор роста фибробластов (FGF), трансформирующий фактор роста β (TGF-β). Взаимодействуя со своими рецепторами, они активируют внутриклеточные сигнальные пути, что приводит к экспрессии специфических миогенных регуляторов. Среди них можно выделить белки и их семейства — Pax (Pax3, Pax7), MyoD, Myf5, MRF4, миогенин [18]. Они заставляют клетки дифференцироваться и производить специфические для мышц актин и миозин, цитоскелетные, метаболические и мембранные белки, характерные именно для мышечной клетки. При регенерации происходит активация не всех регуляторов сразу, процесс последователен: сначала в клетках-предшественниках активен белок Pax7, затем начинает синтезироваться MyoD, потом Myf5 и MRF4, а миогенин вырабатывается позднее, одновременно с началом производства тяжелых цепей миозина (рис. 10). При этом порядок их синтеза отличается от картины, характерной для миогенеза в ходе эмбрионального развития.

Рисунок 10. При пролиферации и самообновлении сателлитных клеток повышена выработка Pax7, затем под воздействием внешних стимулов происходит постепенная дифференцировка, за которую отвечает регулятор MyoD, в конце дифференцировки к общему фону экспрессии подключается ген транскрипционного фактора миогенина, который стимулирует синтез основных сократительных белков мышц (актин и миозин) и белков клеточной адгезии.

Особенное место при восстановлении конечности занимает дифференцировка клеток соединительной ткани. В основе этого процесса лежит активность преобладающих в бластеме фибробластов. В плане регенерации фибробласты являются уникальной группой клеток: после повреждения они мигрируют по градиенту сигнальных молекул, помогая восстанавливать как внеклеточный матрикс, так и почти все клетки соединительной ткани — костные клетки (остеобласты, остеоциты), хрящевые клетки (хондроциты), жировые клетки (адипоциты) и клетки гладких мышц (входят в состав сосудов) [19], [20]. Фибробласты в разных частях организма могут сильно отличаться друг от друга, даже в одной конечности между ними есть различия. Так, «зрелые» фибробласты, почти дифференцированные клетки с меньшей способностью к преобразованиям, могут существовать рядом с «незрелыми» фибробластами (часто называемыми мезенхимальными стволовыми клетками), которые способны развиваться в любой тип клеток соединительной ткани (рис. 11).

Рисунок 11. Универсальные фибробласты. Стрелками показаны взаимные превращения, происходящие между представителями семейства соединительной ткани.

Поэтому грань между стволовыми клетками и фибробластами может быть довольно тонкой. Механизм этих взаимных превращений изучен не до конца, но можно выделить несколько наиболее важных участников сигнальных путей фибробластов: костные морфогенетические белки (BMP) и трансформирующий фактор роста β (TGF-β) [21]. Они регулируют рост, дифференцировку клеток соединительной ткани, а также контролируют синтез внеклеточного матрикса.

Параллельно с процессами дифференцировки происходит развитие сосудистой сети. Под влиянием ряда факторов роста — фибробластов (FGF), тромбоцитарного (PDGF), эпидермального (EGF), трансформирующего (TGF-β), фактора некроза опухоли-альфа (TNF-α), IL-6, IL-1 — происходит повышение уровня синтеза фактора роста эндотелия сосудов (VEGF). Он же является мощным стимулятором эндотелиоцитов, выстилающих кровеносные сосуды [13], [22]. VEGF связывается с рецепторами на поверхности эндотелиоцитов, побуждая их разрастаться и проникать в испытывающую кислородное голодание ткань после образование бластемы, чтобы обеспечить ее новыми кровеносными сосудами. Чтобы эндотелиальные клетки бесконтрольно не разрастались, они взаимодействуют между собой и с краевыми клетками для своевременной приостановки ангиогенеза. Таким образом, если запустить нужную комбинацию работы генов, можно преобразовать стволовые клетки в определенный тип дифференцированных клеток.

Наиболее простой способ — обратиться к внешним стимулам, которые в норме поступают от соседних клеток. Общая схема дифференцировки основана на том, что сигнальные белки от окружающих бластему клеток направляют развитие группы клеток по определенному пути. Можно выделить шесть групп сигнальных путей, необходимых как для самообновления стволовых клеток в бластеме, так и для их дифференцировки: FGF, TGFβ, BMP, Hedgehog (Hh), Notch, Wnt. Все ранее упомянутые молекулы в той или иной степени являются их участниками. Пути могут пересекаться и иметь общие сигнальные молекулы (рис. 12).

Рисунок 12. Общая схема и перекрестное взаимодействие некоторых сигнальных путей. Их активация связана со сложным каскадом взаимодействий между комплексами белков и ДНК, что в итоге приводит к синтезу белков, необходимых для регенерации поврежденных тканей.

Наиболее изученными в плане регенерации являются белки семейства Wnt. Они способны активировать Wnt/β-катениноный путь (канонический Wnt-путь), который основан на протеолизе (расщеплении) β-катенина — белка-регулятора генов, что приводит к окончательному определению судьбы клеток и морфогенезу; и неканонические (β-катенин-независимые) пути, которые регулируют реорганизацию цитоскелета и метаболизм кальция в клетках [23]. При этом дифференцировка клеток не обязательно должна быть однородной.

Существует механизм, обусловливающий чередование обычных эпидермальных клеток с сенсорными. За него преимущественно отвечает путь Notch. В основе лежит связывание сигнального белка Delta с рецептором Notch. Этот путь направляет сигнал клеткам вблизи предшественника сенсорной клетки не становиться на такой же путь дифференцировки. В результате они становятся эпидермальными.

Рисунок 13. а — Механизм конкурентного ингибирования соседствующих клеток. Сначала все клетки в группе эквивалентны и синтезируют и трансмембранный рецептор Notch, и его сигнальную молекулу Delta, что препятствует специализации (серый цвет клеток). Когда одна из клеток дифференцируется (оранжевый цвет клеток), она пытается предотвратить дифференцировку в том же направлении соседних клеток за счет более сильной выработки Delta (у неспециализированной клетки производство Delta подавляется). б — Исход того же процесса в более многочисленной группе клеток. Выигрывающая клетка по мере того, как становится все более и более дифференцированной, тормозит своих соседей все сильнее.

Таким образом, результатом активации или ингибирования перечисленных сигнальных путей является изменение транскрипции ДНК в отвечающей на сигнал клетке. Одни гены включаются, а другие выключаются. Разные сигнальные молекулы (факторы роста, гормоны, цитокины) активируют разные виды регулирующих гены белков, поэтому одни и те же клетки по-разному реагируют на один и тот же сигнал, посылаемый в разное время, а клетки разного типа по-разному реагируют на одинаковый сигнал. При этом молекулы сигнальных путей образуют группу сигнальных молекул — морфогенов, изменение концентрации которых приводит к изменению градиента концентрации сигнала, что побуждает клетки ступать на различные пути развития (высокая концентрация — один путь развития, низкая концентрация — другой). Когда клетка делает свой окончательный выбор в дифференцировке, она обязуется следовать сложной программе, предполагающей экспрессию строго определенного набора генов. В конечном счете это приводит к ремоделированию конечности, где каждая специализированная клетка занимает свое место.

Рисунок 14. Иногда выбор пути клеточной специализации навевает воспоминания о дорожном камне из русских былин

6. Ремоделирование

Вместе с процессами дифференцировки происходит ремоделирование — восстановление исходного размера и формы конечности. Эти процессы могут быть растянуты во времени и занимать от 14 до 40 дней после ампутации. Необходимо учесть факт, что к концу дифференцировки каждая клетка обладает своей пространственной ориентацией благодаря молекулам клеточной адгезии и запоминает положение по биохимическим реакциям соседей — возникает подобие позиционной памяти. Передние и задние конечности обладают одним и тем же набором дифференцированных тканей (кости, кожа, мышцы). Однако именно различие в пространственном положении тканей друг относительно друга отличает руку от ноги. И клеточная память хранит информацию об этом. Если перенести элемент бластемы с дистальной (дальше от туловища) части конечности к более проксимально (ближе к туловищу) расположенной бластеме той же конечности, то клетки будут формировать нормальную конечность [16]. Если же взять часть клеток бластемы, которая в норме должна образовывать заднюю конечность, и интегрировать в область бластемы передних конечностей, то нас ждет весьма интересный результат: из-за позиционной памяти часть клеток передних конечностей будет содержать морфологические признаки задних конечностей (рис. 15).

Рисунок 15. Такие маленькие мелочи, как происхождение бластемы, могут иметь большое значение

Как происходит регуляция положения клеток, приводящая к формированию нужной? Она осуществляется с помощью так называемых гомеозисных генов (консервативных генов, отвечающих за регуляцию развития и формирование органов и тканей). Различают несколько комплексов гомеозисных генов, которые объединены в кластеры на нескольких хромосомах. Общее число таких генов в течение эволюции достигло 48 у млекопитающих. При этом к наиболее важным семействам генов относится Hox-группа, которая участвует в определении формы конечностей и экспрессируется неоднородно в проксимальном и дистальном положениях в бластеме. Так, в конечности позвоночных гены из пары комплексов Hох (НохА и НоxD) экспрессируются в виде регулярной системы, подчиняющейся обычным правилам последовательной экспрессии генов в этих комплексах (всего их четыре: НохА, HoxB, HoxC и НоxD). Они помогают в сочетании с другими факторами регулировать различия в поведения клеток по проксимально-дистальной оси конечности. В результате клетка запоминает свой «адрес» по оси конечности в пределах своего сегмента [24].

Но не все регуляторы относятся к группе гомеозисных белков. Например, группа морфогенов — Wnt, Bmp, Sox9 [25]. Это трио лежит в основе реакционно-диффузионный механизма, открытого Аланом Тьюрингом в 1979 году. Благодаря взаимной активации и ингибированию при участии описанных выше факторов роста и гомеозисных белков происходит формирование в бластеме градиентного сигнала и паттерна из полос Sox9, в результате чего образуется необходимое число и приобретается правильная форма пальцев [26]. При этом любое нарушение одного из компонентов может нарушить нормальное строение конечности.

Нервная иннервация и бластема — «два сапога пара»

Следует учитывать, что на всех этапах регенерации, особенно на ранних стадиях, важную роль играет нервная иннервация места повреждения, которая является своеобразным связующим звеном в процессах регенерации. Можно сказать, что нейроны способствуют миграции и создают дополнительный стимул к дифференцировке стволовых клеток [9]. Еще в 2003 году было доказано, что факторы роста, среди которых можно выделить нейротрофический фактор мозга (BDNF) и глиальный нейротрофический фактор (GDNF), необходимые для нормального развития бластемы и дополнительного привлечения нервов к месту ампутации, образуются как раз при взаимодействии микроокружения бластемы с нервами [27]. К примеру, ампутированные конечности тритона без иннервации не регенерируют, а раны просто зарубцовываются. Даже была сформулирована нейротрофическая теория Маркуса Сингера на основе его работ 1942–1978 годов, согласно которой существует некий порог числа нервных волокон для успешного формирования бластемы в зависимости от места повреждения. Причем тип нервных волокон (чувствительные или двигательные), согласно ей, не влияет существенно на ход регенерации. Результаты исследований, проведенных на тритонах, подтверждают, что чем больше площадь поперечного сечения у конечности, тем большее число нервных волокон необходимо для регенерации (количество нервных волокон на единицу площади при этом оставалось постоянным) [28]. Эта теория работает и на млекопитающих, хотя роль иннервации в регенерации у них изучена не до конца: у мышей при удалении нервов задней конечности в области кончиков пальцев наблюдалось утолщение кожи и нарушение роста костей, однако стволовые клетки все же не утрачивали способность к дифференцировке [29].

«Через неделю пациент пришел со старым отрубленным пальцем в сумке и новым на руке» — Каковы реальные возможности регенеративной медицины настоящего и будущего?

Мы постарались объяснить процессы, за счет которых происходит регенерация конечностей, но пока оставили без должного внимания самый важный вопрос — до какой степени возможна регенерация? Анамнии способны отращивать всю конечность заново, но у амниот все иначе. По названию статьи и примерам, приведенным по ходу, читатель уже мог догадаться, что у амниот, особенно у млекопитающих, регенерация возможна не для плеча, не для предплечья, даже не для кисти, а только лишь для фаланг пальцев (и то не всех)! В исследовании на мышах ученые ампутировали различные фаланги пальцев, а затем наблюдали за формированием бластемы. На 10-й день после ампутации образование бластемы на уровне второй фаланги наблюдалось лишь в некоторых случаях. При этом даже попытка приживления бластемы из первой фаланги ко второй не увенчалась успехом (наблюдалось менее 10% случаев успешного формирования бластемы) [30]. На успех регенерации может влиять ногтевая пластина, вокруг которой обнаружено скопление стволовых клеток, способных влиять на другие мультипотентные стволовые клетки. После ампутации кончика пальца в пределах ногтевой пластины стволовые клетки за счет активности уже известных генов группы Bmp и Wnt и перечисленных ранее в статье цитокинов, факторов роста, транскрипционных факторов и молекул клеточной адгезии оказались способны восстановить утраченный кончик пальца. Мыши после ампутации выше ногтевой пластины в пределах второй фаланги были почти лишены способности к регенерации [31].

Рисунок 16. Когда регенерация невозможна. Если произвести срез в пределах первой фаланги (правый путь), то регенерация утраченной части конечности возможна. Если же ампутация произошла дальше, в пределах второй фаланги (левый путь), то образуется преимущественно фиброзная ткань.

У людей наблюдается похожая картина: пострадавший после несчастного случая может регенерировать первую фалангу пальца, на которой осталась нетронутая ногтевая пластина. Может ли врач поспособствовать более эффективному процессу регенерации? В силу сложности хирургической работы с мелкими сосудами проводить операции по реплантации нецелесообразно. Лучший вариант — наложить окклюзионную повязку на место ампутации, тем самым предотвращая возможное заражение и предоставить организму самому справиться с проблемой, как это было ранее упомянуто в исследовании с медицинским клеем.

В журнале International Journal of Molecular Sciences ученые впервые описывают изменения, происходившие на раневой поверхности в течение недели после ампутации у людей. Выяснилось, что в экссудате, полученном с окклюзионных повязок, была повышена концентрация упомянутых ранее факторов роста — VEGF, EGF, FGF, BDNF, — а также воспалительных цитокинов на первой неделе после ампутации. На второй — противовоспалительных цитокинов [32]. При этом неясной оставалась роль иммунитета, результаты действия которого связывали с образованием фиброзной ткани. Успешная регенерация в основном наблюдалась у детей. Примечательно, что после регенерации отпечаток пальца не восстанавливался. Тем не менее в интернете можно найти немало сопровождающихся фотографиями рассказов о случаях успешной регенерации у взрослых. Вот еще один повод беречь свои ногти!

Рисунок 17. Клинический случай регенерации: а — перед наложением окклюзионной повязки; б — через три месяца после травмы. Регенерированные пальцы по морфологическим и функциональным характеристикам аналогичны пальцам на другой руке.

Стоит отметить, что ногти немного похожи на волосы: они продолжают расти на протяжении всей жизни. Каждый фолликул содержит группу стволовых клеток, которые способствуют росту нового волоса даже после выпадения предыдущего.

Может показаться, что в регенерации кончиков пальцев нет ничего важного. Слишком уж мелки они, что в физических размерах, что в значимости для организма по сравнению с другими органами. Однако ее изучение впоследствии позволит расширить знания о созревании стволовых клеток, и в будущем станет возможным спроецировать модель восстановления кончиков пальцев на более сложные структуры. Надеемся, развитие технологий регенеративной медицины позволит создать будущее, в котором протезы уже не будут нужны.

  1. Elizabeth R. Zielins, Ryan C. Ransom, Tripp E. Leavitt, Michael T. Longaker, Derrick C. Wan. (2016). The role of stem cells in limb regeneration. Organogenesis. 12, 16-27;
  2. Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза: от гена к признаку;
  3. Туберкулез: роковая история коварной болезни;
  4. Jennifer Simkin, Mimi C. Sammarco, Lindsay A. Dawson, Catherine Tucker, Louis J. Taylor, et. al.. (2015). Epidermal closure regulates histolysis during mammalian (Mus) digit regeneration. Regeneration. 2, 106-119;
  5. Mimi C Sammarco, Jennifer Simkin, Danielle Fassler, Alex J Cammack, Aaron Wilson, et. al.. (2014). Endogenous Bone Regeneration Is Dependent Upon a Dynamic Oxygen Event. J Bone Miner Res. 29, 2336-2345;
  6. Как работает свертывание крови?;
  7. Последний путь тромбоцита;
  8. Что такое внеклеточный матрикс и почему его все изучают;
  9. Yohan Choi, Fanwei Meng, Charles S. Cox, Kevin P. Lally, Johnny Huard, Yong Li. (2017). Regeneration and Regrowth Potentials of Digit Tips in Amphibians and Mammals. International Journal of Cell Biology. 2017, 1-13;
  10. Sarah Calve, Shannon J. Odelberg, Hans-Georg Simon. (2010). A transitional extracellular matrix instructs cell behavior during muscle regeneration. Developmental Biology. 344, 259-271;
  11. Bellayr I., Holden K., Mu X., Pan H., Li Y. (2013). Matrix metalloproteinase inhibition negatively affects muscle stem cell behavior. Int. J. Clin. Exp. Pathol. 2, 124–141;
  12. James W. Godwin, Alexander R. Pinto, Nadia A. Rosenthal. (2013). Macrophages are required for adult salamander limb regeneration. Proc Natl Acad Sci USA. 110, 9415-9420;
  13. Jennifer Simkin, Mimi C. Sammarco, Lindsay A. Dawson, Paula P. Schanes, Ling Yu, Ken Muneoka. (2015). The mammalian blastema: regeneration at our fingertips. Regeneration. 2, 93-105;
  14. Lizhen Liu, Qin Yu, Jie Lin, Xiaoyu Lai, Weijie Cao, et. al.. (2011). Hypoxia-Inducible Factor-1α Is Essential for Hypoxia-Induced Mesenchymal Stem Cell Mobilization into the Peripheral Blood. Stem Cells and Development. 20, 1961-1971;
  15. Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки;
  16. David L. Stocum. (2017). Mechanisms of urodele limb regeneration. Regeneration. 4, 159-200;
  17. Xuan Li, Xiao-Tao He, Yuan Yin, Rui-Xin Wu, Bei-Min Tian, Fa-Ming Chen. (2017). Administration of signalling molecules dictates stem cell homing forin situregeneration. J. Cell. Mol. Med.. 21, 3162-3177;
  18. Hugo C. Olguín, Addolorata Pisconti. (2012). Marking the tempo for myogenesis: Pax7 and the regulation of muscle stem cell fate decisions. J. Cell. Mol. Med.. 16, 1013-1025;
  19. Fibroblasts and their transformations: the connective-tissue cell family. In: Molecular Biology of the Cell (4th Edition) / ed. by Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. NY: Garland Science, 2002. — 712 p.;
  20. Такие разные стволовые клетки;
  21. Mengrui Wu, Guiqian Chen, Yi-Ping Li. (2016). TGF-β and BMP signaling in osteoblast, skeletal development, and bone formation, homeostasis and disease. Bone Res. 4;
  22. Ling Yu, Mingquan Yan, Jennifer Simkin, Paulina D. Ketcham, Eric Leininger, et. al.. (2014). Angiogenesis is inhibitory for mammalian digit regeneration. Regeneration. 1, 33-46;
  23. Важнейшие стрелочники клеток организма: белки Wnt;
  24. Гены, от которых вырастают крылья. И ноги. И всё остальное;
  25. Ashley W. Seifert, Ken Muneoka. (2018). The blastema and epimorphic regeneration in mammals. Developmental Biology. 433, 190-199;
  26. Дай пять: как математика управляет развитием пальцев;
  27. J Boyd. (2003). Glial cell line-derived neurotrophic factor and brain-derived neurotrophic factor sustain the axonal regeneration of chronically axotomized motoneurons in vivo. Experimental Neurology. 183, 610-619;
  28. Marcus Singer. (1947). The nervous system and regeneration of the forelimb of adult triturus. VII. The relation between number of nerve fibers and surface area of amputation. J. Exp. Zool.. 104, 251-265;
  29. Yuval Rinkevich, Daniel T. Montoro, Ethan Muhonen, Graham G. Walmsley, David Lo, et. al.. (2014). Clonal analysis reveals nerve-dependent and independent roles on mammalian hind limb tissue maintenance and regeneration. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 9846-9851;
  30. Yuanyuan Wu, Karen Wang, Adrine Karapetyan, Warnakulusuriya Akash Fernando, Jennifer Simkin, et. al.. (2013). Connective Tissue Fibroblast Properties Are Position-Dependent during Mouse Digit Tip Regeneration. PLoS ONE. 8, e54764;
  31. Makoto Takeo, Wei Chin Chou, Qi Sun, Wendy Lee, Piul Rabbani, et. al.. (2013). Wnt activation in nail epithelium couples nail growth to digit regeneration. Nature. 499, 228-232;
  32. Paris Jafari, Camillo Muller, Anthony Grognuz, Lee Applegate, Wassim Raffoul, et. al.. (2017). First Insights into Human Fingertip Regeneration by Echo-Doppler Imaging and Wound Microenvironment Assessment. IJMS. 18, 1054;
  33. Гончарук С. (2018). Ras-dva и готово. ИБХ РАН;
  34. Lina M. Quijano, Kristen M. Lynch, Christopher H. Allan, Stephen F. Badylak, Tabassum Ahsan. (2016). Looking Ahead to Engineering Epimorphic Regeneration of a Human Digit or Limb. Tissue Engineering Part B: Reviews. 22, 251-262;
  35. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Д. и др. Молекулярная биология клетки: в 3-х томах. М.: «Мир», 1994. — 1560 с..

Ученые отрастили мышам ампутированные пальцы

Американские ученые отрастили мышам ампутированные пальцы с помощью двух белков. Хотя регенерация не была полной, им удалось восстановить часть костной и хрящевой ткани. Исследователи надеются, что их метод можно будет использовать для регенерации суставов у пациентов с остеоартритом.

Ученые из Техасского университета A&M выделили два белка, с помощью которых им удалось стимулировать рост ампутированных пальцев у мышей. До выращивания утраченных конечностей у человека еще далеко, но это открытие — шаг навстречу такой возможности, отмечают исследователи. Работа была опубликована в журнале Nature Communications.

Возможность регенерации костей была открыта давно — еще в 2006 году специалисты из Гарварда обнаружили, что белок BMP2 способствует росту костей. Исследования показали, что мыши с недостаточной продукцией BMP2 испытывали спонтанные переломы, которые не заживали вовремя. Дальнейший анализ показал, что самых ранних шагов заживления перелома просто не было.

Другие остеогенные стимулы были найдены, но без BMP2 процесс заживления не двигался.

В новом исследовании ученые также обратили внимание на белок BMP9. Ген Bmp9, отвечающий за выработку этого белка, на этапе эмбрионального развития экспрессируется в основном клетками печени, а на поздних стадиях формирования суставов — промежуточными клетками (недифференцированными клетками, которые дают начало клеткам наружного и внутреннего зародышевых листков). После формирования суставов ген не экспрессируется.

Исследователи ампутировали мышам пальцы и имплантировали им шарики из полисахарида агарозы, содержавшие по 5,5 нанограмм белка BMP9, который высвобождался в течение 72 часов.

Как оказалось, это действительно способно запустить регенерацию суставного хряща — спустя две недели в месте ампутации образовывался слой ткани, состоящей из хондроцитов, основы хрящей.

close

100%

У тех мышей, которые не получали белок, рана просто затянулась.

Даже у животных, способных отращивать потерянные конечности, редко наблюдается рост суставов и костей, отмечают ученые.

«Результаты исследования свидетельствуют о том, что факторы роста можно использовать, чтобы добиться регенерации в нерегенерирующих ампутационных ранах», — пишут они.

Наилучшего результата исследователям удалось добиться, когда они сначала вводили мышам BMP2, а через неделю добавляли BMP9. Это приводило к наиболее полному росту суставных структур и даже образованию соединений с костью. Однако полностью палец так и не восстановился.

Говорить о полном восстановлении конечностей у мышей, а уж тем более — у людей, пока рано, но первые шаги в этом направлении уже сделаны, отмечают авторы. Люди похожи на мышей в плане строения скелета и, вполне возможно, удастся перенести полученные результаты и на человека.

«Наше исследование носит трансформационный характер», — считает Кен Мунеока, один из авторов работы.

Мунеока предполагает, что результаты демонстрируют способность клеток у млекопитающих регенерировать при правильных стимулах.

«Они могут это делать, но не делают, — говорит он. — Нам надо выяснить, что их сдерживает».

Для того, чтобы разобраться, как запустить процесс регенерации, понадобится еще много исследований, но команда уже полна надежд. Они рассчитывают, что результаты помогут в лечении дегенеративных заболеваний суставов, таких, как остеоартрит. Обычно в таких ситуациях требуется пересадка хряща, но успехи в регенеративных технологиях позволят просто выращивать его заново.

«Большинство клинических подходов сосредоточены на разработке суставного хряща для трансплантации, а не на усилении эндогенных регенеративных свойств, — пишут исследователи. — Мы обнаружили, что лечение ампутационных ран с применением BMP9 стимулирует регенерацию суставных структур, в том числе суставного хряща и синовиальной полости»

Авторы работы убеждены, что если дело дойдет до разработки способов регенерации конечностей, то белки BMP2 и BMP9 сыграют в этом существенную роль.

«Эти данные еще раз подтверждают мнение о том, что клетки нерегенерирующей ампутационной раны млекопитающего сохраняют информацию, необходимую для восстановления ампутированных структур», — заключают они.

Ранее американским ученым удалось с помощью гормонов отрастить лягушкам ампутированные лапы. Некоторые виды африканских лягушек обладают слабыми способностями к регенерации — если они теряют ногу, на ее месте образуется тонкий хрящевой отросток. Однако исследователям удалось добиться полноценной регенерации.

Ампутировав группе из девяти гладких шпроцевых лягушек ноги, ученые зафиксировали животных, поместив культи в биореакторы со специальным гелем с содержанием прогестерона. Спустя сутки они отсоединили животных от устройства. Рост тканей продолжался девять месяцев, за это время восстановилась костная ткань, нервы, сосуды — не сформировалась только стопа.

Регенерация кончиков пальцев — 3axap4enko — ЖЖ

То, что человеческий организм обладает естественными способностями к регенерации говорят данные о восстановлении кончиков пальцев у детей. Cпособностью регенерировать повреждённые конечности широко известны тритоны и ящерицы. Тритоны способны восстанавливать хрусталик глаза, конечности и хвост, часть нижней челюсти с новыми зубами. Ящерицы — только хвост. У млекопитающих наиболее значительный яркий пример полной регенерации органа — ежегодная смена рогов у копытных семейства оленей. Другим интересным фактом является способность летучих мышей восстанавливать отверстия в коже крыльев, у кроликов и домашних кошек — отверстия в раковине ушей, способность отращивать кончики пальцев у мышей.
В начале 70-х годов в Англии в результате врачебной ошибки один подросток с ампутированной фалангой пальца не подвергся обычной в таких случаях процедуре зашивания раны лоскутом кожи, что приводит к образованию культи, либо попытки пришить ампутированную фалангу микрохирургически, что приводит к деформациям из-за шрамов и пониженной тактильной чувствительности. Когда хирург Синтия Иллингворс (Illingworth, C.M.) обнаружила упущение, то она к своему глубочайшему удивлению также обнаружила, что кончик пальца регенерирует. Тогда она перестала вмешиваться в естественных ход вещей при аналогичных случаях и к 1974 году задокументировала несколько сотен регенерировавших кончиков пальцев у детей моложе 11 лет. Клинические исследования других врачей подтвердили, что при потере первой фаланги кончиков пальцев до определённого уровня (рис. 1) недостающая часть неизменно восстановится в течение трёх месяцев. При этом граница между полным восстановлением или отсутствием такового очень чёткая и без промежуточной зоны. Поэтому сегодня при частичной потере первой фаланги пальцев хирурги ампутируют оставшуюся часть, поскольку выросший заново кончик пальца будет гораздо лучше, нежели пришитый из-за неизбежных шрамов. Рана при этом должна оставаться открытой и кончик пальца вырастет заново с превосходным ногтем и отпечатками пальцев. Первоначально считалось, что только дети способны таким образом восстанавливать кончики пальцев, но Р.Б. Боргенс (Borgens R.B.) в своей публикации однозначно заявляет, что это явление наблюдается и у детей и у взрослых.

Illingworth, C.M. Fingertip regeneration, trapped fingers and amputated fingertips in children. Journal of Pediatric Surgery, 9, pp.853-857, 1974

Borgens, R.B. Mice regrow the tips of their foretoes. Science, 217: 747, 1982

Ученые выяснили, как саламандры отращивают утраченный мозг – Москва 24, 08.06.2021

Американские ученые обнаружили механизм, позволяющий саламандрам успешно отращивать утраченные конечности и органы, в том числе сердце и мозг. Исследователям удалось определить, какие белки ответственны за регенерацию новых клеток. Получится ли адаптировать это открытие под нужды человечества – разбирался наш научный обозреватель Николай Гринько.

Фото: mdibl.org

Ученые очень давно ищут способы, которыми можно было бы продлить «паспортное время работы» человеческого тела. В самом деле, это невероятно несправедливо, что на планете есть существа, живущие в пять, а то и в десять раз дольше, чем мы! И если рассматривать наш организм как некую машину, «механизм для жизни», внутри которого существуют наши личности, то сейчас есть два основных подхода к проблеме.

Первый – это «повышение ремонтопригодности»: медицинские исследования, разработка новых методов лечения болезней, высокотехнологичное протезирование и наконец попытки запустить механизм регенерации тканей. Второй подход – борьба с «программируемым износом», то есть изучение и корректировка механизма старения, заложенного в наши клетки генетически. Интересно, что старение в общих чертах – это и есть отсутствие регенерации: с возрастом в организме накапливаются стареющие клетки, которые теряют способность делиться и восстанавливать ткани. А значит, решив первую проблему, можно решить и вторую.

Над этим активно ведут работу американские ученые из биологической лаборатории MDI. Известно, что саламандры (земноводные, обитающие в Европе, Северной Африке и на Ближнем Востоке) обладают удивительными способностями к регенерации. Один из их видов – аксолотль, или мексиканская амбистома, может восстановить практически любую часть тела. И дело не ограничивается банальным хвостом или даже лапой – аксолотль способен заново отрастить легкое, сердце и даже мозг. Понятно, что эти существа являются главными объектами исследований в регенеративной биологии.

Между прочим, человек тоже кое-что может. Новорожденные дети способны восстанавливать ткани сердца, а лет до 10–11 лет могут отращивать утерянные кончики пальцев (это действительно так, в интернете даже существуют сообщества людей, лишившихся в детстве иногда целой фаланги и публикующих фотографии восстановившихся пальцев). То есть где-то в нашем генетическом коде есть информация о регенерации, но эту суперспособность мы, в отличие от саламандр, довольно быстро теряем.

По мнению группы ученых из MDI, главное отличие заключается в том, что человеческий организм покрывает место травмы рубцовой тканью. В этом месте образуется шрам, который мешает полноценной регенерации.

Фото: mdibl.org

Когда-то механизм рубцевания был очень важен: организм наших древних предков спешил как можно скорее закрыть повреждение, чтобы не допустить заражения и смерти. Но сегодня такая опасность существенно ниже, люди изобрели медицину, которая способна успешно противостоять сепсису достаточно долго. А потому биологи ищут способ отключить программу образования шрамов.

Биологи из MDI обратили внимание на макрофаги – иммунные клетки, способные бороться с вирусами и бактериями, поглощать погибшие клетки и так далее. Макрофаги аксолотля способны распознавать угрозу: при инфекциях запускается один механизм, а при травмах – другой. За распознавание отвечают особые белки, так называемые толл-подобные рецепторы (TRL). Если макрофаги истощаются и теряют эти рецепторы, то регенерации не происходит – вокруг шрамов появляется рубцовая ткань.

Сейчас в лабораториях MDI проводятся эксперименты на лабораторных мышах: ученые пытаются насытить их макрофаги белками-рецепторами, чтобы в ответ на травматическое воздействие запускался механизм регенерации. Первые результаты уже внушают оптимизм, но, по словам авторов исследования, до переноса методики на человека еще очень далеко. Да и о полном восстановлении утерянных конечностей ученые пока не говорят, лишь делают очень осторожные предположения.

И все же нам хочется верить, что рецепт восстановления, затерянный миллионы лет назад на дальней полке нашего «генетического склада», будет найден и вновь использован, хотя бы на клеточном микроуровне. Возможно, это поможет нам успешно залечивать повреждения – не только внешние, но и внутренних органов, а также противостоять программе старения клеток. «Программируемый износ» когда-нибудь обязательно будет побежден. Хотя…

Читайте также

Профессор, который умел отращивать конечности…

В СССР широко были известны фантастические  исследования профессора Льва Владимировича Полежаева (15 декабря 1910 года — 19 ноября 2000 года). Доктору Полежаеву удавалось то, что и сейчас не слишком признается частью ученых — регенерация конечностей. Эти опыты получили признание и за рубежом.
Закончил МГУ в 1932 году. Позднее работал научным сотрудником Института экспериментального морфогенеза Наркомпроса, лаборатории динамики развития организма МГУ, лаборатории экспериментальной зоологии и морфологии животных АН СССР, лаборатории механики развития Института экспериментальной биологии Наркомздрава РСФСР, начальником лаборатории клинического анализа эвакогоспиталя.
1975—1990 гг. — старший научный сотрудник, заведующий лабораторией, главный научный сотрудник Института общей генетики АН СССР.
С 1991 года был главным научным сотрудником-консультантом Института общей генетики РАН.

Входил в редколлегию «Journal of Neural Transplantation & Plasticity». Являлся действительным членом Международного института эмбриологии (г. Утрехт), членом Международного общества биологов развития (Хельсинки).
Известно, что регенерация — способность к регенерации понижается по мере усложнения организации животного, снижается она и с возрастом. У низших животных — гидр, плоских ресничных червей (планарий), дождевых червей — из отдельных кусочков тела восстанавливается целое животное. У низших позвоночных — тритонов, аксолотлей, саламандр — регенерируют уже только отдельные органы (конечности, хвосты, жабры, челюсти, нос). У млекопитающих и человека не восстанавливаются даже отдельные участки органов — части пальцев, уха, носа и др.
Полежаева заинтересовало, чем отличается механизм на клеточном уровне рубцевания ампутированных конечностей у животных, способных в регенерации, от остальных, для которых этот процесс не возможен. Он установил, что оказывается, у животных, способных к регенерации конечностей (тритонов, аксолотлей, головастиков ранних стадий развития), оставшиеся после ампутации основные ткани органа или культи, то есть мышцы, хрящ, кость, соединительная ткань не рубцуются, не заживают обыкновенным образом, а начинают видоизменяться: они саморазрушаются и дедифференцируются. Иначе говоря, организация этих тканей упрощается, их клетки уподобляются молодым, эмбриональным, утратившим свою специфическую принадлежность к определенной ткани, но зато обладающим высокой способностью к клеточному размножению. В результате такого превращения клеток и их «омоложения» на поверхности раны начинает расти и развиваться ткань, образуется зачаток, который, развивается затем в конечность У прочих же позвоночных этого не происходит: ткани культи не разрушаются и не теряют дифференцировки, на раневой поверхности просто возникает рубец, и она гладко заживает.

Регенерация обеих передних конечностей у взрослой лягушки после экспериментального воздействия.
Австралийский детский хирург Дуглас после гильотинной ампутации (без зашивания раневой поверхности кожей) получил регенерацию типичных ногтевых фаланг пальцев (1972 год).
Иллингворт (Англия, 1974 год) подтвердила эти результаты: ей удалось регенерировать типичные ногтевые фаланги пальцев с костью, мышцами, ногтями и кожей

Регенерация | Центр Регенеративной Медицины

Термин Регенерация обозначает способность живых организмов со временем восстанавливать повреждённые ткани и иногда целые утраченные органы. Также регенерацией называют восстановление целого организма из его искусственно отделённого фрагмента. В случае, если регенерация происходит после повреждения или утраты органа ( части ) организма, такая регенерация называется репаративной. В случае регенерации в процессе нормальной жизнедеятельности организма, обычно не связанной с повреждением или утратой части организма, то такую регенерацию называют физиологической.

В нашем центре разработан метод консервативного лечения травм пальцев кисти у детей от года до 12 лет. Этот метод помогает детям с травматическими дефектами кончика ногтевой фаланги пальцев кисти полностью регенерировать утраченную часть. Полное восстановление после детской травмы наблюдается через полгода-год — по истечении этого времени никто даже не догадается, что ребенок перенес подобную травму.

Поврежденный палец погружается на 16–24 суток в специальное устройство (камеру-изолятор), постоянно заполненное периодически сменяемым специальным стерильным раствором. Устройство крепится к руке и незначительно ограничивает объем движений ребенка, при этом рана изолирована от воздушной среды и постоянно окружена раствором. Лечение пальцев кисти полностью безболезненное, не требуется наркоз или анестезия. Дети в форме игры легко его переносят.

Как проводится лечение. Травмированный палец тщательно отмывается от загрязнений в теплом физиологическом растворе, несколько раз обрабатывается хлоргексидином или октенисептом и помещается в стерильную камеру-изолятор. Камера используется однократно. Устройство состоит из пластиковой камеры — собственно изолятора ), выполненного из твердого прозрачного материала, элемента крепления к коже в виде эластичной воронки с тонким слоем неотвердевающего герметика на внутренней поверхности. В качестве водонерастворимого герметика используется жидкая повязка — New-skin (PrestigeBrands inc., USA). Конусообразная часть эластичной воронки при движении пальца или при его отеке растягивается, уменьшая повышение давления в полости емкости. Крепление не сдавливает палец за счет эластичности трубки и жидкого герметика .При заполнении камеры раствором открывают пробку верхнего штуцера и роликовый зажим. Шприцем через эластичную трубку, крепящуюся к нижнему штуцеру изолятора , заполняют устройство раствором. Затем закрывают роликовый зажим и пробку верхнего штуцера. Лонгета из полимерных материалов обеспечивает фиксацию устройства на кисти и иммобилизацию травмированного пальца относительно кисти и предплечья в физиологическом положении. Лонгета может надеваться как до крепления пластиковой емкости, так и после, обеспечивая дополнительную защиту устройства от срывания при движении, для чего имеет ремень. Устройство легко и быстро надевается на палец и обеспечивает надежное лечение детской травмы и восстановление утраченной части пальца.

У детей повреждения фаланг наиболее часты в возрасте 5,5–3,8 года. Описанная способность к восстановлению (в благоприятных условиях), вероятно, является видовым признаком, закрепленным в процессе эволюции как приспособление к частым повреждениям наиболее уязвимых структур — кончиков пальцев кисти. Причем способность к полноценному восстановлению пальца проявляется в том возрасте, когда эти травмы наиболее часты.

Таким образом, предложенная технология консервативного лечения детей в возрасте от 1 до 12 лет (период детского постнатального развития) с травматическими дефектами кончиков пальцев эффективно стимулирует в условиях водной среды регенерационный рост дистальной части ногтевой фаланги кисти, является примером одного из возможных направлений развития регенерационной медицины и может быть рекомендована для внедрения в практическое здравоохранение.

Для предварительного решения о перспективах лечения вашего заболевания не обязательно приезжать в клинику лично. Пришлите выписку из истории болезни и все анализы на электронный адрес [email protected] или через Форму записи на нашем сайте. Врачи проведут консилиум и примут решение о целесообразности вашего визита.

Первые сведения о регенерации кончиков пальцев человека с помощью эхо-допплеровской визуализации и оценки микросреды раны

Int J Mol Sci. 2017 Май; 18 (5): 1054.

Эллисон Ковин, научный редактор

Эти авторы внесли равный вклад в эту работу.

Эти авторы внесли равный вклад в эту работу.

Поступила 09.04.2017; Принято 6 мая 2017 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /). Эту статью цитировали в других статьях в PMC.

Abstract

Реакция кончика пальца на травму представляет собой увлекательный пример регенерации тканей. Регенерация происходит за счет пролиферативных мезенхимальных клеток (бластемы), которые впоследствии дифференцируются в мягкие и скелетные ткани. Клинически консервативное лечение ампутированного кончика пальца под окклюзионной повязкой может сместить реакцию на потерю ткани от процесса заживления раны в сторону регенерации. При иммуноанализе раневого экссудата из окклюзионных повязок концентрации нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) и фактора ингибирования лейкемии (LIF) были выше в экссудатах кончиков пальцев, чем в ожоговых ранах (используемых в качестве контроля для заживления ран по сравнению с регенерацией).Фактор роста эндотелия сосудов А (VEGF-A) и фактор роста тромбоцитов (PDGF) были высоко экспрессированы в обоих образцах на сопоставимых уровнях. В нашем исследовании провоспалительные цитокины были относительно выше экспрессированы в регенеративных кончиках пальцев, чем в экссудатах ожоговой раны, в то время как хемокины присутствовали в более низких уровнях. Функциональные, сосудистые и механические свойства регенерированных кончиков пальцев были проанализированы через три месяца после травмы, и данные были сопоставлены с данными соответствующего кончика пальца на коллатеральной неповрежденной стороне.В то время как восстановление чувствительности и морфология (толщина и текстура пульпы) были аналогичны неповрежденным сторонам, механические параметры (эластичность, васкуляризация) были увеличены в регенерированных кончиках пальцев. Необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы прояснить важность воспалительных клеток, факторов иммунитета и роста в определении исхода регенеративного процесса и его влияния на клинический исход.

Ключевые слова: регенерация кончиков пальцев, клиническая оценка, допплеровская визуализация, ангиогенез

1.Введение

Люди поддерживают регенеративную способность кончиков пальцев [1,2], заменяя утраченные ткани после значительной травмы. Эта регенерация происходит зависимо от уровня, пока проксимальный матрикс ногтя остается интактным [3]. Регенеративные механизмы у людей не выяснены, но участие активации Wnt в ногтевых стволовых клетках и передаче сигналов фактора роста фибробластов 2 (FGF-2) было описано на моделях регенерации конечностей на мышах и земноводных [3,4,5,6]. Регенерация кончиков пальцев происходит за счет пролиферативных мезенхимальных клеток (бластемы) [7], которые впоследствии дифференцируются в мягкие и скелетные ткани [8,9].У людей консервативное лечение ампутированного кончика пальца под окклюзионной повязкой важно для смещения реакции потери ткани с процесса заживления раны на регенерацию [10]. Следовательно, регенеративная микросреда, созданная под окклюзионной повязкой, должна играть важную роль в обеспечении сигналов, которые инициируют регенерацию и контролируют пролиферацию и формирование паттерна [11]. После повреждения кожи у людей немедленное высвобождение различных факторов роста, цитокинов и хемокинов запускает и контролирует последовательные этапы заживления ран.Роль и важность этих факторов в восстанавливающем микроокружении ран хорошо изучены [12]. Среди этих факторов роста фактор роста тромбоцитов (PDGF), как известно, играет центральную роль на всех этапах заживления раны, вызывая миграцию клеток в рану, усиливая пролиферацию фибробластов и продукцию внеклеточного матрикса, а также сокращение [13]. . Семейство факторов роста эпидермальных факторов роста (EGF) также важно для реэпителизации и васкуляризации во время заживления ран [12,14].Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и другие факторы роста, которые увеличивают экспрессию, такие как фактор роста гепатоцитов (HGF) [15], играют решающую роль в ангиогенезе раны [16], который затем влияет на общие процессы заживления раны [17]. Помимо ангиогенеза, рост нервов также важен для заживления ран [18], и было показано, что факторы роста, которые влияют на иннервацию, такие как фактор роста нервов (NGF), необходимы для нормального заживления ран [19]. Наряду с несколькими факторами роста, хемокины, такие как макрофагальный воспалительный белок 1-α (MIP 1-α), играют важную роль в привлечении воспалительных клеток к участку раны [20] и инициации процессов заживления раны [21] внутри воспалительного процесса. фаза, в которой задействованы несколько провоспалительных цитокинов, таких как IL1-α, IL1-β, IL-6 и TNF-α [22].Могут быть общие черты между влиянием вышеупомянутых факторов между заживлением раны и регенерацией раны. Однако знания о роли этих факторов во время регенерации отсутствуют и ограничиваются моделями на животных. Показано, что PDGF способствует расширению популяции мезенхимальных предшественников бластемы, которая дифференцируется в кости и дерму [23], в то время как VEGF считается ингибитором регенерации [24]. Участие иммунной передачи сигналов в регенерации показано на модели регенерации аксолотлей с увеличением экспрессии нескольких провоспалительных цитокинов сразу после ампутации конечности [25].Однако клеточные и молекулярные механизмы регенерации кончиков пальцев человека остаются недостаточно изученными. В этом предварительном исследовании мы исследовали раннюю прорегенеративную микросреду при ампутации кончика пальца человека, обработанной окклюзионной повязкой. Наша основная цель состояла в том, чтобы определить факторы, которые способствуют регенерации, а не заживлению этих ран. У трех последовательных пациентов анализировалось содержание фактора роста, хемокинов и цитокинов в регенерирующей раневой жидкости. Поскольку считается, что ожоговые раны скорее заживляют, чем регенерируют раны [26], мы сравнили содержание цитокинов и факторов роста в жидкости из раны кончика пальца с жидкостью из ожоговой раны от трех ожоговых пациентов.Нашей вторичной целью было оценить качество регенерированной ткани. Мы количественно оценили функциональные, сосудистые и механические свойства регенерированных кончиков пальцев через три месяца после травмы и сравнили данные с соответствующими данными кончиков пальцев на коллатеральной неповрежденной стороне. Клинические (восстановление чувствительности), морфологические (толщина и текстура пульпы) и механические параметры (эластичность, васкуляризация) регистрировались и анализировались.

2. Результаты

2.1. Клиническая оценка регенерированных кончиков пальцев

В это предварительное исследование были включены пять здоровых пациентов мужского пола (средний возраст 50 ± 15 лет) ().Окклюзионная повязка накладывалась при поступлении (а) и после первичной обработки раны и менялась один раз в неделю без промывания раны в среднем в течение 5 недель (4-7). Пациенты получили 9 (7–12) консультаций в течение первых 6 месяцев. Средний период наблюдения составил 6 месяцев (5–7). Клинико-морфологическая оценка проводилась через три месяца после травмы (б).

Репрезентативные изображения ампутированных пальцев. ( a ) При поступлении и перед наложением окклюзионной повязки; ( b ) Через три месяца после травмы и при клинической и морфологической оценке.

Таблица 1

Характеристики пациента и кончика пальца после ампутации.

Пациент Возраст Ампутированный
Палец / рука
Две точки
Дискриминация
Щипковый тест Боль
(0–5)
Пациент 1 30 Средний / слева ≤4 мм на обоих пальцах 2 кг / 2 кг 0/0
Пациент 2 45 Средний / правый ≤4 мм на обоих пальцах 2.5 кг / 2 кг 0/0
Пациент 3 76 Указатель / справа ≤4 мм на обоих пальцах Не получено 0/0
Пациент 4 47 Средний / левый ≤4 мм на обоих пальцах Не получено 0/0
Пациент 5 52 Средний / правый ≤4 мм на обоих пальцах 1,5 кг / 2,5 кг 1/0

Чувствительность регенерированных кончиков пальцев оценивалась по двум точкам различения, которые измерялись менее 4 мм и перекрывались с неповрежденной стороной для каждого пальца.Мы оценили возможную боль, используя шкалу вербальных дескрипторов, представляющую различную интенсивность нарастания боли, от нулевой до очень сильной. У наших пациентов боли в регенерированных кончиках пальцев отсутствовали или были незначительными. Сведение большого пальца к пальцу регистрировалось как показатель функциональной силы, который не выявил существенных различий с боковыми контрольными пальцами.

2.2. Оценка морфологических, механических и сосудистых свойств регенерированных кончиков пальцев

Для измерения вышеуказанных параметров мы использовали различные методы ультразвуковой визуализации (aixplorer ® , Экс-ан-Прованс, Франция).Оценка толщины пульпы была основана на эхографии в B-режиме, васкуляризация пульпы была измерена с помощью ультразвукового допплера, а эластичность регенеративной ткани была оценена по модулю упругости с помощью эластографии сдвиговой волной (SWE).

Мы не наблюдали значительных различий в толщине пульпы между регенерированными кончиками пальцев и боковым контрольным пальцем (а и). Среднее покрытие мягких тканей составляло 7,2 ± 0,6 мм (6,7–8,2) по сравнению с 7,7 ± 0,6 мм (6,9–8,3) в контрольном коллатеральном пальце без существенной разницы.Интересно, что эластичность (b и) была измерена 4,8 ± 1,3 м / с (3,5–6,7) по сравнению с 3,6 ± 0,6 м / с (3,1–4,4) в контрольных боковых пальцах, и это представляет собой значительное увеличение на 132,3 ± 23% в регенерированных пальцах. кончики пальцев. Аналогичным образом, васкуляризация (c и) была значительно выше (162,4 ± 53,8%) в регенерированном кончике пальца — 58,8 ± 8,6% (50,7–72,1) по сравнению с контролем с процентом васкуляризации 38,6 ± 10% (26,3–51,4).

Репрезентативные эхо-допплеровские изображения регенерированных (верхний ряд) и неповрежденных коллатеральных (нижний ряд) кончиков пальцев.( a ) Ультразвуковая визуализация в b-режиме для измерения толщины пульпы; ( b ) Визуализация в b-режиме с наложенным волновым картированием долей для измерения эластичности пульпы. Белый круг имеет диаметр 5 мм; ( c ) Визуализация в b-режиме с наложением энергетического допплера для измерения васкуляризации.

Морфологические, механические и сосудистые характеристики регенерированных кончиков пальцев по сравнению с контрольным коллатеральным здоровым пальцем. ( a ) Покрытие мягких тканей, ( b ) Эластичность, ( c ) васкуляризация.Данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение для пяти пациентов (* p <0,05).

2.3. Регенеративное микроокружение раны

Мы измерили концентрации различных воспалительных цитокинов, хемокинов и факторов роста в раневом экссудате трех ампутированных кончиков пальцев и трех пациентов с ожогами, используя технологию Luminex. Несмотря на большие различия в уровнях цитокинов в ране у разных пациентов (), концентрации нейротрофического фактора головного мозга (BDNF), EGF и фактора ингибирования лейкемии (LIF) были выше в экссудате кончиков пальцев, чем в ожоговых ранах.VEGF-A, PDGF и HGF были высоко экспрессированы в обоих образцах на сопоставимых уровнях (а). Мы наблюдали общую тенденцию к более высоким значениям воспалительных цитокинов в экссудате кончиков пальцев, в то время как уровни хемокинов в экссудате ожоговой раны были во всем мире выше (b). Было показано, что передача сигналов Bone Morphogenetic Protein важна во время регенерации кончиков пальцев у мышей [27], но мы не наблюдали определяемых уровней BMP в образцах экссудата кончиков пальцев.

Измеренные уровни ( a ) факторов роста, ( b ) цитокинов и хемокинов в образцах экссудата кончиков пальцев (FT) и образцах экссудата ожоговой раны (B) через семь дней после травмы.

3. Обсуждение

Общее мнение состоит в том, что способность регенерировать кончики пальцев у человека утрачивается или снижается с возрастом [10]. Здесь мы показываем, что у всех наших взрослых пациентов (средний возраст 50 лет) кончики пальцев прошли регенерацию с удовлетворительным клиническим результатом. По определению, повторный рост клеток или тканей во время регенерации заменяет как форму, так и функцию поврежденных органов [28]. Действительно, клиническая оценка регенерированных кончиков пальцев у наших пациентов показала, что они имеют сопоставимые морфологические и функциональные характеристики с неповрежденными кончиками пальцев на противоположной стороне.Однако мы наблюдали ключевые механические изменения в регенерированных кончиках пальцев. Увеличение эластичности параллельно с высокой васкуляризацией в регенерированных кончиках пальцев позволяет предположить, что усиление васкуляризации во время регенерации влияет на эластичность этих тканей. Тем не менее, необходимы долгосрочные исследования, чтобы подтвердить, связаны ли эти события и сохраняются ли они во времени после завершения процесса регенерации. Повышенная васкуляризация может быть временным явлением и быть результатом повышенной экспрессии проангиогенных факторов в регенеративном микроокружении кончиков пальцев, как мы наблюдали в этом исследовании.Мы проанализировали раневую жидкость, которая накапливалась под окклюзионной повязкой над ампутированными кончиками пальцев в течение первичной фазы регенерации и, скорее всего, образования бластемы [29]. Мы измерили высокие уровни VEGF в раневой жидкости, что объясняет повышенную васкуляризацию, которая, по-видимому, необходима для полной регенерации кончиков пальцев человека. Интересно, что на мышиных моделях регенерации наблюдается обратный феномен, когда экспрессия VEGF подавляется в бластеме [11], и даже индукция ангиогенеза с помощью VEGF ингибирует регенерацию, изменяя переход бластемы в фазу дифференцировки [24].Таким образом, впервые наши результаты выявляют расхождения между регенерацией кончиков пальцев у мышей и человека. Однако в недавнем исследовании регенерированные кончики пальцев у быстро заживающих мышей показали увеличение васкуляризации на 70% по сравнению с незаживающими мышами с нарушенной регенерацией [30]. Эти данные вместе с нашими наблюдениями предполагают важную роль более высокого кровотока в регенерации кончиков пальцев у млекопитающих. В хирургических ранах и хронических сосудистых язвах высокая экспрессия b-FGF, который является еще одним проангиогенным фактором, наблюдается на очень ранних этапах заживления ран, и уровни со временем снижаются во время заживления [31,32].Мы не обнаружили этот фактор роста в накопленных экссудатах, собранных на 7-й день, что, скорее всего, слишком поздно для экспрессии b-FGF. Необходим более полный анализ проангиогенных факторов в экссудате кончиков пальцев во времени, который поможет определить факторы, контролирующие ангиогенез во время регенерации.

Дефицит воспалительной реакции был предложен как объяснение отсутствия фиброзной реакции во время регенерации кончиков пальцев [33]. Однако наши предварительные данные показали, что, по крайней мере, в течение первых семи дней после ампутации кончиков пальцев человека, в регенеративном микроокружении продолжается сильный воспалительный ответ по сравнению с заживляющим микроокружением ожоговых ран, как показано на рис.Центральная роль воспаления и врожденного иммунного ответа при заживлении ран известна, но все еще плохо изучена на моделях регенерации [34], где была выявлена ​​выраженная экспрессия воспалительных и связанных с иммунитетом генов [35,36]. В этих моделях как про-, так и противовоспалительные цитокины высоко экспрессируются в течение первых двух недель регенерации, при этом провоспалительные молекулы проявляются в течение первой недели, а противовоспалительные цитокины — на второй неделе и после [34]. Классические модели регенерации, такие как саламандра [25], Xenopus [35] или кончик пальца мыши [37], также показывают, что белковые факторы, запускающие немедленные события после травматического повреждения, аналогичны как при заживлении ран, так и при регенерации органов [25,35], но иммунные факторы, которые отдают предпочтение одному пути по сравнению с другим, остаются неизвестными.В нашем исследовании провоспалительные цитокины были относительно выше экспрессированы в регенеративных кончиках пальцев, чем в экссудатах ожоговой раны, в то время как хемокины присутствовали в более низких уровнях. Необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы прояснить важность воспалительных клеток и иммунитета в определении исхода регенеративного процесса.

У амфибий и мышей полная регенерация зависит от нервных факторов роста, которые секретируются нервно-ассоциированными предшественниками шванновских клеток и способствуют разрастанию бластемы и регенерации пальцев [38,39].Анализ транскриптома этих клеток показал, что PDGF, LIF и могут быть потенциальными паракринными факторами, которые могут быть важны для регенерации кончика пальца [23]. Мы наблюдали повышенную экспрессию LIF и BDNF в регенерирующем экссудате кончиков пальцев по сравнению с экссудатом ожоговой раны. Роль обессиления как фактора, запускающего регенерацию у людей, неизвестна, но наши клинические наблюдения с восстановлением нормальной чувствительности, по-видимому, показывают, что в кончиках пальцев человека активен важный процесс регенерации нервов (поддерживаемый повышенной экспрессией факторов роста, таких как BDNF).Применение окклюзионной повязки приводит к созданию локальной пермиссивной ниши, которая обеспечивает необходимые сигналы для начала регенерации, на которую влияет местная микросреда, а не системные факторы [40].

Мы обнаружили экспрессию других факторов роста, которые способствуют реэпителизации раны, в экссудатах кончиков пальцев, таких как HGF и EGF, которые должны играть роль в пролиферации и дальнейшей редифференцировке клеточной массы бластемы. Необходима дальнейшая работа с большим количеством пациентов, чтобы установить возможную разницу между профилями факторов роста и сигнальными путями дифференцировки в регенерирующих или заживающих ранах.Более того, в этом исследовании мы были сосредоточены только на первой неделе после ампутации, которую мы считали решающей для инициации регенерации и образования бластемы в регенеративных кончиках пальцев. В дальнейших исследованиях было бы важно выполнить сбор образцов в разные моменты времени регенерации, чтобы исследовать, какие сигнальные молекулы участвуют в различных фазах регенерации и как их экспрессия может меняться с течением времени.

4. Материалы и методы

4.1. Этика

Письменное согласие было получено от всех пациентов, а процедуры были выполнены в соответствии с Хельсинкской декларацией 1975 года (Рекомендации врачей по биомедицинским исследованиям с участием людей). Сбор экссудата был одобрен Государственным комитетом по этике (Протокол 488/13) и регулируется DAL (Департаментом костно-мышечной медицины) и процедурами институционального биобанка.

4.2. Сбор и анализ экссудата из кончиков пальцев

Экссудаты из кончиков пальцев собирали из окклюзионной повязки при первой смене повязки через семь дней после травмы.Образцы разбавляли в буфере для анализа, центрифугировали и супернатанты хранили при -80 ° C до дальнейшего анализа.

4.3. Сбор экссудата ожоговой раны

Экссудат ожоговой раны собирали, как описано в [41], и с этического разрешения. Вкратце, повязку с отрицательным давлением накладывали на ожоговые раны второй степени, собирая накопившуюся жидкость в резервуар. Образцы собирали, меняя резервуар, и хранили при -80 ° C до дальнейшего анализа.

4.4. Иммуноанализ раневого экссудата

Уровни различных цитокинов, хемокинов и факторов роста в раневом экссудате определяли количественно с помощью анализа Luminex на образцах, взятых у трех пациентов с регенерирующими кончиками пальцев под окклюзионной повязкой и трех пациентов с ожогами в соответствии с инструкциями производителя (R&D systems, Миннеаполис, США, США). Миннесота, США). Оптическую плотность считывали на приборе Luminex 200 IS, а данные оптической плотности преобразовывали в концентрации белка с помощью программного обеспечения Luminex 100 IS (версия 2.3, Luminex, Остерхоут, Нидерланды). Образцы пациентов были протестированы в трех экземплярах, и для анализа использовалось среднее значение.

4.5. Клиническая оценка регенерированных кончиков пальцев (дискриминация по двум точкам, сила и боль)

Дискриминация по двум точкам проводилась с помощью 2pt Disk-criminator от Alimed ® . Сначала тестировали контрольный палец, а потом регенерировали кончик пальца. Кончики пальцев тестировались по 1 и 2 точкам различения. Пациент с закрытыми глазами указывал, почувствовал ли он одну или две точки.Мы начали тест с расстояния 15 мм, а затем переместили две точки ближе, пока пациент не мог больше различать (до 4 мм).

Круглый зажим двумя пальцами (защемление от кончика к кончику) измерялось с помощью 50-фунтового гидравлического манометра (FE-120601) Jamar ® . Датчик помещали между кончиком большого пальца и кончиком соответствующего пальца. Больной подал искру максимальной мощности. Оценка боли проводилась с использованием шкалы визуальных дескрипторов, представляющих различную нарастающую интенсивность боли от нуля до пяти (0 соответствует отсутствию боли; 1 слабая боль; 2 умеренная боль; 3 сильная боль; 4 очень сильная боль и 5 наихудшая боль, которую можно вообразить).

4.6. Оценка регенерированных кончиков пальцев с помощью энергетического допплера и эластографии

Цифровая оценка толщины пульпы была основана на эхографии в B-режиме (aixplorer ® , Экс-ан-Прованс, Франция). Васкуляризацию пульпы измеряли с помощью ультразвукового допплера, а эластичность регенеративной ткани оценивали по модулю упругости по данным эластографии сдвиговой волной (SWE). Энергетическая допплеровская сонография — это метод, который отображает мощность доплеровского сигнала в цвете, а не информацию о скорости и направлении.Он имеет в три раза большую чувствительность, чем обычный цветной допплер, для обнаружения потока и особенно полезен для небольших капилляров с низкоскоростным потоком. SWE, с другой стороны, представляет собой метод измерения эластичности ткани путем измерения скорости распространения поперечных волн, что приводит к механическим возмущениям ультразвуковых волн, воздействующих на ткань ультразвуковым датчиком [42].

Измерения SWE проводились с использованием оборудования (Aixplorer ® , Экс-ан-Прованс, Франция) с высокочастотным датчиком SHL 15-4 (средняя частота 12 кГц).Сначала мы использовали обычную ультразвуковую визуализацию в B-режиме для топографической ориентации, а затем наложили и дополнительно составили карту эластографии сдвиговой волной в режиме проникновения. Отображение скорости поперечной волны от синего (мягкие ткани, низкая скорость) до красного (твердая ткань, высокая скорость) дало первую качественную информацию. Область фокусировки 2 Q-Box (количественный прямоугольник) 3 мм была установлена ​​в середине цифровой пульпы, и количественные значения были получены в м / с (скорость сдвиговой волны) и в кПа (модуль упругости).Аналогичным образом для оценки микроваскуляризации выполняли эходопплерографию. После позиционирования ультразвукового зонда в B-режиме, а затем наложено ультразвуковое доплеровское картирование. Все изображения были сохранены в формате dicom.

4.7. Изображение и статистический анализ

Васкуляризация пульпы регенерированных кончиков пальцев и коллатеральных контрольных пальцев наблюдалась с помощью ультразвукового допплера (aixplorer ® , Экс-ан-Прованс, Франция), а изображения записывались в виде файлов DICOM. При отсутствии васкуляризации пиксели оставались серыми или черными.Области, которые были васкуляризированы, имели цвет от красного до белого в зависимости от интенсивности. Изображения обрабатывали в программном обеспечении ImageJ (NIH, Bethesda, MD, USA) для извлечения пикселей васкуляризации, которые были выбраны с цветовым порогом на основе цветового режима Hue Saturation and Brightness (HSB). Пиксели с оттенком от 0 до 60, насыщенностью от 5 до 255 и яркостью от 15 до 255 были выбраны и рассматривались как васкуляризация. Процент васкуляризации рассчитывали как отношение между пикселями васкуляризации, деленное на общее количество пикселей в зоне оценки.

Независимый двусторонний тест t был использован для оценки статистической разницы между морфологическими и механическими характеристиками регенерированных кончиков пальцев и контрольных здоровых пальцев. p <0,05 считалось значимым.

Благодарности

Это исследование было поддержано грантом SwissTransmed CRUS № 14/2013 на платформу B5. Авторы хотели бы поблагодарить Сандру Монье и Джесси Ламуй за набор пациентов для исследования и их помощь в сборе образцов.

Аббревиатуры

PD5G24, фактор роста тромбоцитов

PD524G

Фактор роста тромбоцитов 9024

MIP

-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. ДиПьетро Л.А., Бурдик М., Низкий Q.E., Канкель С.Л., Стритер Р.М. Mip-1alpha как критический хемоаттрактант макрофагов при заживлении ран у мышей. J. Clin. Расследование. 1998; 101: 1693–1698. DOI: 10,1172 / JCI1020. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21.Гиллитцер Р., Гебелер М. Хемокины в заживлении кожных ран. J. Leukoc. Биол. 2001; 69: 513–521. [PubMed] [Google Scholar] 22. Hubner G., Brauchle M., Smola H., Madlener M., Fassler R., Werner S. Дифференциальная регуляция провоспалительных цитокинов во время заживления ран у нормальных мышей и мышей, получавших глюкокортикоиды. Цитокин. 1996. 8: 548–556. DOI: 10.1006 / cyto.1996.0074. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Джонстон А.П., Юзва С.А., Карр М.Дж., Махмуд Н., Сторер М.А., Краузе М.П., ​​Джонс К., Пол С., Каплан Д.Р., Миллер Ф.Д. Дедифференцированные предшественники шванновских клеток, секретирующие паракринные факторы, необходимы для регенерации кончика пальца млекопитающих. Стволовая клетка клетки. 2016; 19: 433–448. DOI: 10.1016 / j.stem.2016.06.002. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 24. Yu L., Yan M., Simkin J., Ketcham P.D., Leininger E., Han M., Muneoka K. Ангиогенез ингибирует регенерацию пальцев у млекопитающих. Регенерация. 2014; 1: 33–46. DOI: 10.1002 / reg2.24. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25.Годвин Дж. У., Пинто А. Р., Розенталь Н. А. Макрофаги необходимы для регенерации конечностей взрослой саламандры. Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 2013; 110: 9415–9420. DOI: 10.1073 / pnas.13002

FGF-2 Фактор роста фибробластов 2
SWE Эластография Sear Wave
BDNF Нейротрофический фактор 9067, полученный из головного мозга,
VEGF-A Фактор роста эндотелия сосудов А
NGF Фактор роста нервов
b-FGF Основной фактор роста фибробластов

MIP Воспалительный LIF Фактор ингибирования лейкемии
CNTF Цилиарный нейротрофический фактор
HGF Фактор роста гепатоцитов
EGF Эпидермальный фактор роста

02

EGF Эпидермальный фактор роста

0 Раффу Я задумал и спланировал эксперименты; Пэрис Джафари и Камилло Мюллер проводили эксперименты; Пэрис Джафари, Пьетро Дж.ди Сумма, Энтони Гронгуз и Себастьен Дюран проанализировали данные; Пэрис Джафари, Пьетро Дж. Ди Сумма и Себастьен Дюран написали статью, и все авторы внесли окончательные исправления.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Douglas B.S. Консервативное лечение гильотинной ампутации пальца у детей. Aust. Педиатр. J. 1972. 8: 86–89. DOI: 10.1111 / j.1440-1754.1972.tb01793.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2.Иллингворт К. Зажатие пальцы и ампутация кончиков пальцев у детей. J. Pediatr. Surg. 1974; 9: 853–858. DOI: 10.1016 / S0022-3468 (74) 80220-4. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 3. Takeo M., Chou W.C., Sun Q., Lee W., Rabbani P., Loomis C., Taketo M.M., Ito M. Активация Wnt в эпителии ногтей соединяет рост ногтей с регенерацией пальцев. Природа. 2013; 499: 228–232. DOI: 10,1038 / природа12214. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 4. Йокояма Х., Огино Х., Стоик-Купер К.Л., Грейнджер Р.М., Мун Р. Передача сигналов Wnt / β-catenin играет важную роль в инициации регенерации конечностей. Dev. Биол. 2007. 306: 170–178. DOI: 10.1016 / j.ydbio.2007.03.014. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 5. Yamada Y., Yokoyama S., Fukuda N., Kidoya H., Huang X.Y., Naitoh H., Satoh N., Takakura N. Новый подход к регенерации миокарда с использованием образованных клеток пуповинной крови, совместно культивируемых с клетками коричневой жировой ткани. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 2007; 353: 182–188. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2006.12.017. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 6. Маллен Л.М., Брайант С.В., Торок М.А., Блумберг Б., Гардинер Д.М. Зависимость регенерации от нервов: роль дистальных и fgf-сигналов в регенерации конечностей амфибий. Разработка. 1996; 122: 3487–3497. [PubMed] [Google Scholar] 8. Видаль П., Диксон М.Г. Регенерация дистальной фаланги. Отчет о болезни. J. Hand Surg. 1993. 18: 230–233. DOI: 10.1016 / 0266-7681 (93)

-W. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 9. Ли Л.П., Лау П.Ю., Чан С.В. Простое и эффективное лечение травм кончиков пальцев.J. Hand Surg. 1995; 20: 63–71. DOI: 10.1016 / S0266-7681 (05) 80019-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Мунэока К., Аллан Ч., Ян X., Ли Дж., Хан М. Регенерация млекопитающих и регенеративная медицина. Врожденные дефекты Res. C: Эмбрион сегодня. 2008. 84: 265–280. DOI: 10.1002 / bdrc.20137. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Вернер С., Гроуз Р. Регулирование заживления ран с помощью факторов роста и цитокинов. Physiol. Ред. 2003; 83: 835–870. [PubMed] [Google Scholar] 13. Heldin C.H., Westermark B. Механизм действия и роль фактора роста тромбоцитов in vivo.Physiol. Ред. 1999; 79: 1283–1316. [PubMed] [Google Scholar] 14. Бродли К.Н., Акино А.М., Вудворд С.С., Бакли-Старрок А., Сато Ю., Рифкин Д. Лаборатория. Расследование. 1989; 61: 571–575. [PubMed] [Google Scholar] 15. Xin X., Yang S., Ingle G., Zlot C., Rangell L., Kowalski J., Schwall R., Ferrara N., Gerritsen ME Фактор роста гепатоцитов усиливает ангиогенез, индуцированный фактором роста эндотелия сосудов in vitro и in vivo .Являюсь. J. Pathol. 2001; 158: 1111–1120. DOI: 10.1016 / S0002-9440 (10) 64058-8. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Tsou R., Fathke C., Wilson L., Wallace K., Gibran N., Isik F. Ретровирусная доставка доминантно-отрицательного рецептора фактора роста эндотелия сосудов типа 2 в раны мышей ингибирует ангиогенез раны. Регенерация восстановления ран. 2002; 10: 222–229. DOI: 10.1046 / j.1524-475X.2002.10405.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Ховдишелл Т.Р., Каллавей Д., Уэбб В.Л., Гейнс М.Д., Проктер К.Д., младший, Сатьянараяна, Поллок Дж.С., Брок Т.Л., Макнил П.Л. Нейтрализация антителами фактора роста эндотелия сосудов подавляет образование грануляционной ткани раны. J. Surg. Res. 2001; 96: 173–182. DOI: 10.1006 / jsre.2001.6089. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Харсум С., Кларк Дж. Д., Мартин П. Взаимосвязь между кожными нервами и заживлением кожных ран у развивающегося куриного эмбриона. Dev. Биол. 2001; 238: 27–39. DOI: 10.1006 / dbio.2001.0395. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19.Apfel S.C., Arezzo J.C., Brownlee M., Federoff H., Kessler J.A. Введение фактора роста нервов защищает от экспериментальной диабетической сенсорной нейропатии. Brain Res. 1994; 634: 7–12. DOI: 10.1016 / 0006-8993 (94) . [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Роуэн М.П., ​​Кансио Л.С., Эльстер Э.А., Бурмейстер Д.М., Роуз Л.Ф., Натесан С., Чан Р.К., Кристи Р.Дж., Чанг К.К. Заживление и лечение ожоговых ран: обзор и достижения. Крит. Уход. 2015; 19: 243. DOI: 10.1186 / s13054-015-0961-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27.Yu L., Han M., Yan M., Lee E.C., Lee J., Muneoka K. Передача сигналов Bmp индуцирует регенерацию пальцев у новорожденных мышей. Разработка. 2010; 137: 551–559. DOI: 10.1242 / dev.042424. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 28. Госс Р.Дж. Регенерация против ремонта. В: Коэн И.К., Дигельман Р.Ф., Линдблад В.Дж., редакторы. Заживление ран: биохимические и клинические аспекты. W.B. Saunders Co .; Филадельфия, Пенсильвания, США: 1992. С. 20–39. [Google Scholar] 29. Симкин Дж., Саммарко М.С., Доусон Л.А., Шанес П.П., Ю. Л., Мунеока К. Бластема млекопитающих: регенерация на кончиках наших пальцев. Регенерация. 2015; 2: 93–105. DOI: 10.1002 / reg2.36. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Квятковски А., Пятковски М., Чен М., Кан Л., Мэн К., Фан Х., Осман А.Х., Лю З., Ледфорд Б., Хе Дж. К. Превосходный ангиогенез способствует повторному росту пальцев у мышей mrl / mpj по сравнению с мышами c57bl / 6. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 2016; 473: 907–912. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2016.03.149. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31.Гохель М.С., Виндхабер Р.А., Тарлтон Дж.Ф., Уайман М.Р., Поскитт К.Р. Взаимосвязь между концентрацией цитокинов и заживлением ран при хронической венозной язве. J. Vasc. Surg. 2008. 48: 1272–1277. DOI: 10.1016 / j.jvs.2008.06.042. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Ниссен Н.Н., Полверини П.Дж., Кох А.Е., Волин М.В., Гамелли Р.Л., ДиПьетро Л.А. Фактор роста эндотелия сосудов опосредует ангиогенную активность во время пролиферативной фазы заживления ран. Являюсь. J. Pathol. 1998; 152: 1445–1452. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 33.Лехоцкий Ю.А. Являются ли ногти ключом к разгадке загадки регенерации конечностей млекопитающих? Exp. Дерматол. 2016 doi: 10.1111 / exd.13246. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Мешер А.Л., Нефф А.В., Кинг М.В. Воспаление и иммунитет при регенерации органов. Dev. Комп. Иммунол. 2017; 66: 98–110. DOI: 10.1016 / j.dci.2016.02.015. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Гроу М., Нефф А.В., Мешер А.Л., Кинг М.В. Глобальный анализ экспрессии генов в задних конечностях xenopus во время полной и неполной регенерации в зависимости от стадии.Dev. Дин. 2006; 235: 2667–2685. DOI: 10.1002 / dvdy.20897. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Кинг М.В., Нефф А.В., Мешер А.Л. Развивающаяся конечность ксенопуса как модель для исследований баланса между воспалением и регенерацией. Анат. Рек. (Хобокен) 2012; 295: 1552–1561. DOI: 10.1002 / ar.22443. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37. Фернандо В.А., Лейнингер Э., Симкин Дж., Ли Н., Малком С.А., Сатьямурти С., Хан М., Мунеока К. Заживление ран и формирование бластемы у регенерирующих кончиков пальцев взрослых мышей.Dev. Биол. 2011; 350: 301–310. DOI: 10.1016 / j.ydbio.2010.11.035. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Кумар А., Брокес Дж. П. Нервная зависимость в регенерации тканей, органов и придатков. Trends Neurosci. 2012; 35: 691–699. DOI: 10.1016 / j.tins.2012.08.003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39. Ринкевич Ю., Монторо Д.Т., Мухонен Э., Уолмсли Г.Г., Ло Д., Хасегава М., Янушик М., Коннолли А.Дж., Вайсман И.Л., Лонгакер М.Т. Клональный анализ показывает нервно-зависимую и независимую роль в поддержании и регенерации тканей задних конечностей млекопитающих.Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 2014; 111: 9846–9851. DOI: 10.1073 / pnas.1410097111. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 40. Ринкевич Ю., Линдау П., Уэно Х., Лонгакер М.Т., Вайсман И.Л. Зародышевый слой и ограниченные по клонам стебли / предшественники регенерируют кончик пальца мыши. Природа. 2011; 476: 409–413. DOI: 10,1038 / природа10346. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. Баудуан Дж., Джафари П., Меули Дж., Эпплгейт Л.А., Раффул В. Местное отрицательное давление на ожоги: инновационный метод сбора экссудата из ран.Пласт. Реконстр. Surg. Glob. Открыть. 2016; 4: e1117. DOI: 10.1097 / GOX.0000000000001117. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 42. Беркофф Дж., Тантер М., Финк М. Сверхзвуковая визуализация сдвига: новый метод картирования эластичности мягких тканей. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль. 2004. 51: 396–409. DOI: 10.1109 / TUFFC.2004.1295425. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

рубленых: как иногда отрастают ампутированные пальцы: выстрелы

Небольшой кусочек ногтя может помочь кончику пальца отрасти.

Хизер Руссо / NPR


скрыть подпись

переключить подпись

Хизер Руссо / NPR

Небольшой кусочек ногтя может помочь кончику пальца отрасти.

Хизер Руссо / NPR

Когда ребенок отрубает палец ножом или дверью машины, есть шанс, что конец пальца снова вырастет.Отпечаток пальца исчезнет, ​​а кончик может выглядеть немного странно. Но плоть, кость и ноготь могли вернуться.

Теперь биологи из Нью-Йоркского университета выяснили, как эта регенерация, похожая на ящерицу, происходит у мышей. В кутикуле ногтя есть секретный соус, который делает это возможным, сообщают ученые в среду в журнале Nature .

Врачи наблюдали эффект у людей, не совсем понимая, как это происходит. «У детей действительно вырастет довольно хороший кончик пальца после ампутации, если вы просто оставите его в покое», — говорит доктор.Кристофер Аллан из Медицинского центра Вашингтонского университета, который не участвовал в исследовании.

Хирург-ортопед заметил это несколько лет назад, когда 8-летняя девочка сунула палец в спицы велосипеда своего брата. Колесо отрезало ей средний палец рядом с кутикулой ногтя, и ее родители поспешили в скорую, чтобы пришить его обратно.

Аллан специализируется на реконструкции кисти, но он не смог найти крошечную артерию, необходимую для восстановления соединения.Поэтому он выбрал то, что хирурги называют биологической повязкой. «Просто наденьте наконечник и надейтесь на лучшее», — говорит он.

«Девушка вернулась через несколько недель со старым кончиком пальца в сумке и новым на руке», — рассказывает Аллан Шотсу. «Это было намного лучше, чем все, что я мог бы дать ей с помощью трансплантата или операции».

С 1970-х годов врачи всего мира сообщали об аналогичных случаях у маленьких детей: отрубленные кончики пальцев отрастают снова, если срез происходит до края ногтя.Чуть ниже по цифре, и вам, вероятно, не повезло.

Ученые наблюдают подобное явление у мышей. Но даже пожилые грызуны могут это сделать, — говорит Маюми Ито из Нью-Йоркского университета. «Это совершенно потрясающе», — говорит она. «Взрослые мыши полностью регенерируют орган до его первоначальной формы».

Но после ампутации должен остаться небольшой кусочек ногтя — э-э, коготь. И она хотела выяснить, почему. Поэтому она и ее команда отправились на охоту за стволовыми клетками.

Ногти немного похожи на волосы: они продолжают расти, даже когда мы взрослые.(Ну, по крайней мере, мы надеемся, что это так.) Таким образом, обе части тела нуждаются в постоянном пополнении фабричных клеток, чтобы создавать твердые, жесткие структуры — ногти или пряди волос.

Для кудрявых прядей каждый фолликул содержит набор стволовых клеток, которые служат машинами для волос. Клетки производят все компоненты вашей прически — шелковистые пряди, ее блестящий цвет и маленький стержень, который прикрепляется к вашей голове.

«Кончик пальца» мыши полностью регенерировал после ампутации, отрастая кость и коготь оранжевого цвета.

Предоставлено Ito Lab / Нью-Йоркский университет


скрыть подпись

переключить подпись

Предоставлено Ito Lab / Нью-Йоркский университет

«Кончик пальца» мыши полностью регенерировал после ампутации, отрастая кость и коготь, оранжевый.

Предоставлено Ito Lab / Нью-Йоркский университет

Теперь Ито и ее команда обнаружили аналогичные клеточные фабрики в ногтях мышей. Она называет их «стволовыми клетками ногтей». Они сидят прямо возле кутикулы. И они делают больше, чем просто царапают мышь.

Когда грызуну ампутируют «кончик пальца», как его называет Ито, ногтевые стволовые клетки начинают отрастать коготь. Но они также подают сигнал, который подводит кости и нервы к ране.Исцеление — это совершенно новая игра с мячом, если вы задействуете нервы.

«У земноводных одного нерва достаточно, чтобы запустить весь процесс регенерации», — говорит Ито. «Мы еще не знаем, относится ли это к млекопитающим, но нерв необходим для образования кости пальца мыши».

Сигнал, производимый стволовыми клетками ногтя, называемый Wnt, для всех вас, био-баффов, может управлять ростом по всему телу. Он даже координирует формирование конечностей и некоторых органов во время внутриутробного развития.

«Мы думаем, что стволовые клетки ногтей могут иметь особую функцию — вызывать весь процесс регенерации, включая притяжение нервов и рост кости», — говорит Ито.

Так могут ли стволовые клетки ногтей когда-нибудь помочь при более серьезных ампутациях? «Мы хотели бы проверить эту гипотезу на мышах», — говорит Ито. Но сначала она хочет найти эти клетки в людях.

Кто знает, возможно, способность регенерировать конечности уже у нас под рукой.

Текущее лечение и будущие регенеративные парадигмы

За последние несколько десятилетий произошло глубокое расширение понимания регенерации тканей, в значительной степени обусловленное соблюдением огромной регенеративной способности у форм жизни более низкого порядка, таких как гидры и уроделы.Однако известно, что люди и другие млекопитающие сохраняют способность регенерировать дистальные фаланги пальцев после ампутации. Несмотря на возросшую базу знаний о модельных организмах в отношении парадигм регенерации, методы регенеративной медицины не применяются в клинической практике в отношении травм кончика пальцев. Здесь мы рассматриваем текущее понимание регенерации кончика пальца и обсуждаем пробелы, которые остаются в переводе регенеративной медицины в клиническое лечение ампутации пальца.

1. Введение

Человеческая рука играет важную роль в повседневной жизни. Рука используется для труда, ощущений, общения и близости; Травма руки оказывает сильное влияние почти на все стороны жизни человека. Анатомия руки сложна и состоит из нескольких типов тканей, включая кости, сухожилия, нервы, кровеносные сосуды и кожу. Повреждение любой из этих тканей может вызвать значительные функциональные нарушения. Таким образом, лечение травм руки требует специализированного лечения со стороны практикующих врачей, прошедших повышение квалификации в области хирургии кисти [1].Несмотря на лечение травм руки в центрах с большим объемом операций опытными многопрофильными бригадами, восстановление естественной анатомии руки после изнурительной травмы является невероятно редкой. Даже при строгой трудовой терапии может возникнуть необратимая дисфункция [2]. Поскольку функция руки зависит от ее сложной анатомии, полное восстановление поврежденных тканей было бы идеальным лечением для сохранения функциональных возможностей руки.

В отличие от уроделей, таких как саламандры и тритоны, которые в течение всей жизни сохраняют способность к эпиморфной регенерации поврежденной ткани за счет образования бластемы стволовых клеток, у млекопитающих ограничена их способность регенерировать ткань после пренатального периода [3] .За исключением избранных тканей, содержащих функционально значимые стволовые клетки, таких как печень, костный мозг и слизистая кишечника, эпиморфная регенерация заменяется ответом фиброзного «пятна» у взрослых млекопитающих [4–6]. Этот пластырь восстанавливает барьер между телом и внешней средой, но в значительной степени лишен свойств нативных тканей. Этот процесс может привести к неудовлетворительным функциональным результатам [3, 7].

Переход от регенеративного к фиброзному заживлению у развивающихся людей отражает уменьшение регенерационной способности с развитием высших организмов.Планарии могут регенерировать почти всю свою структуру, в то время как регенерационная способность гидры настолько велика, что они считаются биологически бессмертными [8]. Саламандры и тритоны, которые имеют более сложное строение, могут регенерировать целые конечности и хвосты, восстанавливая структуру и функции до травмы [9, 10]. Однако эпиморфная регенерация конечности у млекопитающих значительно более ограничена, и преобладает фиброзная реакция. Существует большой интерес к пониманию клеточных и молекулярных механизмов регенерации, наблюдаемых у низших эукариот, в надежде «пробудить» их при травмах конечностей человека.К сожалению, современные клинические методы лечения травм конечностей не могут использовать утраченную способность к эпиморфной регенерации. Здесь мы рассматриваем текущее понимание регенерации конечностей и исследуем клинические подходы к лечению травм рук в контексте парадигм регенеративного лечения.

2. Парадигмы регенерации кончиков цифр
2.1. Клеточные сигналы и необходимые тканевые единицы

Регенерация тканей наблюдалась у млекопитающих, включая уши кроликов и рога оленей, демонстрируя, что высшие эукариоты также способны к регенерации тканей [11, 12].У этих высших эукариот в месте повреждения формируется регенеративная бластема, состоящая из массы гетерогенных, ограниченных по клону стволовых клеток и клеток-предшественников [13, 14]. Эти пролиферирующие клетки затем дифференцируются, чтобы заменить отсутствующую ткань. Конечность мыши представляет собой ценную модель для понимания образования бластемы и последующей регенерации кончика пальца у млекопитающих, что открывает перспективы для разработки методов лечения людей [15, 16]. Фактически, люди, по-видимому, демонстрируют схожую с мышами способность к спонтанной регенерации кончиков пальцев [17, 18].

В конечности млекопитающих только кончик пальца у мышей и приматов (включая человека) способен к спонтанной регенерации во взрослую жизнь [19–21]. У всех этих организмов регенерация наблюдалась при ампутации только дистальной фаланги (P3), а не проксимальнее. Успешная регенерация кончика пальца также зависит от уровня; Полная регенерация не происходит в модели мышей, если после ампутации остается менее 60% проксимального P3 [16]. Рисунок 1 демонстрирует регенеративную способность кончика пальца взрослой мыши.Ткани в этой области состоят из кожи, кровеносных сосудов, жира, костей и сухожилий, которые видны по всему пальцу. Тем не менее, специальный блок ногтевого ложа также присутствует и необходим для регенеративного ответа [22]. Очень важно отметить, что ноготь — это специализированный орган, который восполняется на протяжении всей жизни человека. Передача сигналов Wnt необходима для пополнения ногтей, и роль Wnt в эмбриональном развитии хорошо изучена [22, 23]. Зародышевый матрикс ногтевого ложа содержит Wnt-активные стволовые клетки ногтя (НСК).Реакция этих NSCs на ампутацию необходима для образования регенеративной бластемы с передачей сигналов Wnt в эктодерме, что оказывается критическим для мезодермального ответа [22]. Действительно, трансплантация ногтевого ложа в место более проксимальной ампутации, которое в противном случае подверглось бы фиброзному заживлению, приводит к эктопическому росту кости как части регенеративного ответа [24]. Даже при отсутствии травматического повреждения, происходящий из эпителия Wnt необходим для поддержания подлежащей кости пальца, подчеркивая важность этого сигнального пути в управлении эктодермально-мезодермальными взаимодействиями в кончике пальца [25].Содержащий богатый лейцином повторы рецептор 6, связанный с G-белком (LGR6), известный агонист пути Wnt, также был идентифицирован как маркер стволовых клеток ногтя, и его потеря предотвращает регенеративный ответ [26]. Семейство белков LGR, которые действуют как рецепторы для R-спондинов, активируют передачу сигналов Wnt во время эмбриогенеза. Их роль в поддержании взрослых стволовых клеток в настоящее время исследуется [27].

В регенерирующем кончике пальца бластема, происходящая из резидентных стволовых клеток и клеток-предшественников, формируется в месте раны с ускоренной пролиферацией клеток [28–30].Идентификация специфичных для бластемы клеток после ампутации осложняется одновременным гистолитическим ответом. Было продемонстрировано, что период разрушения ткани и закрытия раны эпидермальными клетками предшествует регенерации [13, 14, 22]. Этот процесс схематически изображен на рисунке 2.

Во время перехода между гистолизом и образованием бластемы происходят критические клеточные сигнальные процессы. Трансформирующий фактор роста бета (TGF- β ), который играет известную роль в заживлении фиброзных ран, необходим для инициирования и модуляции регенеративного ответа.Экспериментальное ингибирование сразу после ампутации предотвращает последующую активацию костного морфогенного белка (BMP) и сигнальных путей внеклеточной сигнальной киназы (ERK) [31]. TGF- β регулирует образование эпителия раны после ампутации, создание регенерирующих тканевых единиц и пролиферацию клеток в бластеме [32]. TGF- β , по-видимому, также играет роль в регуляции и активации местных стволовых клеток в ответ на возмущения окружающей среды, и его активация является пространственной и временной чувствительностью [33].Матриксные металлопротеиназы (ММП), помимо стимуляции деградации и ремоделирования внеклеточного матрикса, также, как было обнаружено, способствуют активации TGF- β [32, 34]. Вероятно, ММП активируются как механическими, так и химическими стимулами во время ампутации, обеспечивая активацию TGF- β и последующую регуляцию и переход между гистолизом и пролиферацией бластемы [35]. Поскольку TGF- β также является сильным агонистом пути заживления фиброза, необходима жесткая регуляция и временное ингибирование процессов регенерации.Комплексная регуляция TGF- β является существенным объектом текущих исследований [36].

После того, как бластема сформировалась, клетки внутри нее экспрессируют MSX1, репрессор транскрипции, который необходим для регенерации и действует через повышающую регуляцию BMP4 [14, 37]. Было обнаружено, что при более проксимальных ампутациях добавление BMP частично восстанавливает регенеративный ответ [37, 38]. Сигнальные пути, которые подавляют дифференцировку клеток и способствуют пролиферации, также необходимы для успешной регенерации.Дополнительные маркеры клеток бластемы включают фактор, производный пигментного эпителия (PEDF) и хемокиновый рецептор типа 4 (CXCR4), который является рецептором фактора 1, производного от стромальных клеток (SDF1) [39]. LGR6 также был идентифицирован в бластеме, и, как отмечалось ранее, его делеция предотвращает регенеративный ответ [26]. Sonic hedgehog (Shh), чья роль хорошо описана в формировании передне-заднего паттерна в растущих зачатках конечностей, также экспрессируется в бластеме и играет сходную роль в формировании паттерна эпиморфной регенерации, хотя его регуляция не полностью изучена [40].Его роль в дополнении FGF также изучалась, и эксперименты, сравнивающие переднюю и заднюю бластемы с дифференциальной экспрессией FGF, подтверждают, что совместная экспрессия SHH и FGF необходима для управления регенерацией до завершения [41].

Несмотря на то, что между эмбриональным развитием и регенерацией кончиков пальцев взрослых особей есть много общего, существуют также некоторые четкие различия. При регенерации у взрослых формирование кости P3 клетками бластемы происходит путем прямого окостенения без хондрогенного посредника, что отличается от эндохондрального развития P3 у эмбриона.Таким образом, формирующаяся новая кость имеет трабекулярную природу и не является точной копией ампутированной части, которая состояла из кортикальной кости. Эта кость имеет больший объем, чем кость до травмы, но со временем восстанавливает конусообразную морфологию нативной P3 [29]. Ладонно-дорсальная анатомия подвергается восстановлению ладонной жировой подушечки, кривизны ногтя и связанных паронихиальных складок. Это формирование паттерна, вероятно, регулируется engrailed-1, который экспрессируется в регенерирующем кончике, но этот путь требует дальнейшего изучения [13].

Как отмечалось ранее, NSCs и передача сигналов Wnt в эктодерме, как было обнаружено, необходимы для регенерации кончиков пальцев. Частично это связано с влиянием Wnt на рост нервов и реиннервацию регенерирующего кончика пальца. Отсутствие иннервации в бластеме влияет на экспрессию FGF2 в эпителии ногтя и приводит к дефектам формирования паттерна в кости и матриксе ногтя, что согласуется с эмбриологической ролью семейства FGF во время развития конечностей [22, 42–44]. Интерстициальные, фибробластные и периневральные клетки оставшейся части кончика также, вероятно, играют решающую роль в регенерации кровеносных сосудов, рекрутировании гладкомышечных клеток, регенерации нервов и реформировании соединительной ткани.Однако активация этих клеток в контексте регенерации плохо изучена [39, 45].

2.2. Различия в регенерации у организмов

Кажется, что, хотя для того, чтобы происходила регенерация, необходимы определенные анатомические единицы, эти единицы не обязательно сохраняются у разных видов. Например, саламандры являются образцом регенерации конечностей, но у них нет ногтей, которые необходимы для регенерации у млекопитающих. Некоторое сходство в регенерации конечностей действительно существует, поскольку периферическая нервная иннервация, как было показано, является требованием для регенерации у рыб, саламандр и мышей [42, 46, 47].У млекопитающих это частично связано с нервно-ассоциированными предшественниками шванновских клеток, которые стимулируют рост бластемы за счет секреции онкостатина М и тромбоцитарного фактора роста АА, и, хотя секретируемый белок отличается у саламандр, шванновские клетки снова играют решающую роль [48, 49 ]. Интересно, что направление перерезанного нерва к месту повреждения у аксолотля может привести к появлению лишних конечностей [50]. Несмотря на наблюдаемые различия, роль периферической нервной системы сохраняется у многих видов, что подчеркивает ее важность при рассмотрении регенеративных стратегий.

Классически считалось, что бластема, присутствующая во всех моделях регенерации на животных, состоит из мультипотентных стволовых клеток и что эти стволовые клетки, вероятно, образуют бластему после дедифференцировки из зрелых тканей в месте повреждения [51-54]. Более поздние исследования на множестве животных моделей показывают, что клетки, участвующие в регенерации кончиков пальцев, ограничены судьбой и не имеют единообразного происхождения у разных животных. У рыбок данио остеобласты «дедифференцируются» и переходят в пролиферативное состояние, замещая ампутированную кость, но эти клетки не экспрессируют маркеры мультипотентности [55].Резидентные стволовые клетки действительно играют роль у мышей, однако, поскольку регенерирующие остеобласты происходят из клеток стромы и костного мозга, но, опять же, их судьба ограничена [56, 57]. Интересно отметить, что даже в одном отряде животных клеточные процессы регенерации различаются; у тритонов бластема состоит из дедифференцированных клеток, происходящих из различных тканей, тогда как у аксолотлей образование бластемы включает активацию сателлитных стволовых клеток [58]. Примечательно, что на фундаментальном клеточном уровне требования и характеристики регенерации все еще выясняются и могут быть уникальными для определенных организмов.Многие из парадигм, наблюдаемых на животных моделях, могут отличаться от человеческих. Эти различия, однако, также предполагают, что множественные стратегии могут быть эффективными для регенерации человеческих конечностей и дальнейшее понимание регенерации кончиков пальцев у млекопитающих будет полезно для трансляционного применения.

3. Современные клинические подходы к лечению травм кончика пальцев и верхних конечностей
3.1. Закрытие и регенерация раны

Существует множество тактик лечения ампутированных кончиков пальцев.С точки зрения достижения спонтанной регенерации наиболее эффективной стратегией лечения, как это ни парадоксально является, является консервативное лечение. Наиболее успешные случаи наблюдаются у детей, когда было обнаружено, что оставленные открытые ампутации спонтанно удлиняют и восстанавливают ногтевую пластину и контур [17]. Однако были сообщения о полной регенерации и у взрослых [19]. В отличие от мышей, у которых критический уровень ампутации, позволяющий регенерацию, находится внутри ногтевой пластины, полная регенерация у людей описана проксимальнее ногтевого валика, хотя и дистальнее дистального межфалангового сустава [16, 18, 59].В одном исследовании Das и Brown сравнивали невмешательство с другими методами закрытия у детей до 12 лет. В исследовании отмечалось, что пациенты, которые перенесли только смену повязки, обладали наилучшей эстетикой, контуром ногтей и 2-балльной дискриминацией [60]. Шампанское и др. выступают за уход за раной при всех ампутациях дистальнее зародышевого матрикса и даже предложили систему классификации, основанную на уровне ампутации, чтобы помочь клиницистам в этом решении [61]. Однако у этого консервативного подхода есть свои недостатки. Открытые раны являются источником постоянной боли для пациента, и необходимо регулярно менять повязку в месте ампутации в течение до 12 недель, пока рана не закрывается.Это может быть неприемлемым для многих пациентов или выполнимым в зависимости от их социального положения или способности к самообслуживанию.

Часто врачи выбирают закрытие дистального участка ампутации. Это дает много преимуществ для пациента, так как закрытие раны достигается немедленно. Например, у рабочих, занятых физическим трудом, немедленное закрытие может позволить раньше вернуться к работе. Ушивание может быть выполнено непосредственно с ревизионной ампутацией / укорачиванием кости или без нее, используя местные кожные лоскуты или пересадку ткани (иногда с самой ампутированной частью).Систематический обзор Yuan et al. показали, что 91% пациентов, перенесших ревизионную ампутацию с местными лоскутами или без них, были довольны своим результатом и сохраняли приемлемый диапазон движений [62]. Однако было показано, что закрытие кожных лоскутов подавляет регенеративную реакцию. Это было продемонстрировано у саламандр и тритонов, у которых целые конечности часто могут быть регенерированы, когда культя этих организмов остается открытыми, закрытие кожи препятствует регенерации [63]. Дальнейшие исследования показывают, что изменение ионных токов в конечности происходит с закрытием кожи, и это препятствует регенерации [64].Размещение кожного лоскута также помещает базальную мембрану поверх раны, где в регенерирующих конечностях формируется только эпидермальный слой, а затем развивается бластема стволовых клеток. Модели на животных показывают, что базальная мембрана, наложенная на раны, может ингибировать молекулярные взаимодействия, необходимые для регенерации [65]. На момент написания этого обзора у людей было мало или совсем не было работ по электрохимической динамике и эффекту базальной мембраны у людей с ампутированными конечностями. Однако, по опыту авторов, спонтанного удлинения не происходит после закрытия раны кончика пальца, и вполне вероятно, что эти механизмы играют роль в ингибировании регенерации кончика пальца у людей.

Во многих случаях реплантация кончика ампутированного пальца с сосудистым микроанастомозом возможна и может дать отличные косметические и функциональные результаты. При многих травмах это считается золотым стандартом лечения; ретроспективный обзор Hattori et al. продемонстрировали, что пациенты с реплантацией имеют более высокий функциональный уровень и удовлетворенность по сравнению с ревизионной ампутацией [66]. Однако, несмотря на то, что естественная ткань заменяется реплантацией, результаты редко соответствуют функции до травмы.Заживление при реплантации следует традиционным парадигмам, что означает образование рубца в месте воссоединения мягких тканей. Спайки рубцов, особенно с участием механизмов сухожилий сгибателей и разгибателей, приводят к послеоперационной жесткости. Это усложняется тем фактом, что кость должна зажить (в течение 4-8 недель), чтобы обеспечить стабильное основание для пальца, прежде чем диапазон терапии движением сможет начать противодействовать образованию спаек [67]. Даже при максимальной терапии и процедурах лизиса рубцов пациенты часто не могут достичь дуги движений, сравнимой с движением собственного пальца [2, 68].Пациенты также редко имеют полное восстановление функции нервов, и у многих не восстанавливается полезная 2-балльная дискриминация [68]. Даже при самых оптимальных результатах пациент должен пройти период выздоровления продолжительностью до 1-2 лет, что приводит к значительному отпуску на работе и, следовательно, к большим социальным издержкам [69]. Акт реплантации пальца также сложен с технической точки зрения и может быть надежно выполнен только в центрах реплантации со специализированными хирургическими бригадами. Учитывая временную чувствительность реплантации (время холодной ишемии предпочтительно <12 часов для обеспечения жизнеспособности ампутированной части), реплантация также не всегда возможна для пациентов в сельской местности [70].Механизм травмы также может препятствовать хирургическому присоединению. Таким образом, реплантация имеет много ограничений в восстановлении анатомии и функции у людей с ампутированными конечностями. Рисунок 3 демонстрирует разумный результат для пациента, перенесшего ампутацию нескольких пальцев по типу отрыва с реплантацией как часть лечения; Примечательно, что даже при самых современных методах лечения форма и функция до травмы не восстанавливаются полностью.

3.2. Возможные добавки при регенерации кончиков пальцев

Применение 2-октилцианоакрилата является обычной клинической практикой.В модели на мышах использование тканевого адгезива ускоряет закрытие раны и ослабляет гистолитический ответ, что может сохранить естественную ткань и уменьшить нагрузку на ткань, необходимую для регенерации [71]. Однако у людей использование местного клея для закрытия ампутации при данном размере пальца невозможно. Кроме того, использование клея разрешено только для аппроксимации эпидермиса, а не на открытых более глубоких структурах [72]. Однако было показано, что использование тканевого клея полезно для восстановления ногтевого ложа [73, 74].Была описана серия, описывающая использование тканевого адгезива для достижения гемостаза при отрыве пальца, но отдаленные результаты для этих пациентов не отслеживались [72].

Также изучалась возможность использования гипербарического кислорода при ампутации кончика пальца. В модели на мышах культя ампутации изменяется от среды с высоким давлением кислорода до гипоксической среды внутри бластемы [75]. Примечательно, что VEGFA не экспрессируется в регенерирующем кончике пальца, а обработка VEGF фактически ингибирует регенерацию [76, 77].У мышей лечение ежедневным гипербарическим кислородом после ампутации пальца, по-видимому, продлевает фазу гистолиза и проксимальную степень деградации кости; терапия также поддерживает способность к регенерации с более проксимальной потерей P3 [78]. Роль гипербарической оксигенотерапии изучалась для лечения плохого заживления ран и инфекций у людей, но ее использование при лечении ампутации кончика пальца не было документально подтверждено [79]. Учитывая эффекты, наблюдаемые на мышах, необходимо испытание гипербарической кислородной терапии при травмах кончика пальцев человека.Текущие клинические рекомендации требуют закрытия ран, размер которых превышает 1,0–1,5 см 2 , что остановит регенеративный потенциал; гипербарический кислород может потенциально ускорить и / или усилить регенеративный ответ в ранах, которые в противном случае было бы неприемлемо оставить для заживления вторичным натяжением [80].

Обработка ампутированных кончиков пальцев рекомбинантными сигнальными белками также не исследовалась. Концептуально возможно, чтобы при соответствующем применении сигнальных молекул регенеративный путь мог быть активирован и / или оптимизирован после повреждения пальца.Рекомбинантный морфогенный белок кости теперь используется в клинической практике для ортопедических и стоматологических процедур, когда встречаются костные разрывы. Его роль в регенерации кончика пальца известна, но он еще не применялся при травмах кончика пальца [81]. Семейство белков R-спондинов, которые экспрессируются в эмбриогенезе, также являются мощными активаторами взрослых стволовых клеток in vivo, и in vitro, ; Таким образом, R-спондины имеют потенциальную терапевтическую роль в регенеративной медицине, которая требует дальнейшего изучения [82].Хотя фундаментальные исследования продолжают выяснять сложность сигнальных белков в пути регенерации человека, также необходимы клинические протоколы, исследующие эти молекулы.

Тканевая инженерия также является возможным вмешательством для использования регенеративных путей при травмах кончиков пальцев. Использование тканевого каркаса и репопуляции стволовыми клетками показало многообещающие результаты в области инженерии ткани печени [83]. Однако повторное заселение каркаса кончика пальца представляет множество проблем. Один из них — это разнообразие типов тканей, подлежащих восстановлению; кожа, кости, жир, мышцы, сухожилия и нервы являются неотъемлемой частью функции кончиков пальцев, и сложность восстановления всех этих типов тканей пугает в отличие от других органов.Также неизвестно, какой тип каркаса потребуется для ускорения регенерации. Децеллюляризованный аллотрансплантат нерва показал благоприятные результаты и поддерживает идею о том, что структурная матрица может поддерживать повторный рост нативной нервной ткани, но адекватных каркасов для других типов тканей в кончиках пальцев не хватает [84]. Вовлечено лучшее понимание критических ограниченных по клонам популяций клеток-предшественников, и необходим идеальный матрикс для поддержки формирования паттерна и дифференцировки, чтобы направлять подходы тканевой инженерии к регенерации кончиков пальцев.

4. Выводы

Хотя многое известно о парадигмах регенерации, регенеративная медицина по-прежнему не используется при травмах рук и пальцев, несмотря на сохранение регенерации кончиков пальцев у людей. Лечение, которое больше всего способствует регенерации кончика кончика, на самом деле вовсе не лечение; заживление вторичным натяжением способно восстановить исходную длину и функцию пальца, хотя это лечение ограничивается только дистальным уровнем фаланги.Необходимы дальнейшие исследования для разработки клинических методов, которые эффективно используют регенеративную способность кончика пальца человека при более проксимальных повреждениях конечностей.

Раскрытие информации

Эта статья была подготовлена ​​независимо.

Конфликты интересов

Грегори М. Бунке выступает в качестве консультанта AxoGen Inc. Остальные авторы не сообщают о конфликте интересов.

Почему кончики пальцев могут вырасти снова, а целые конечности — нет

Если саламандра или тритон теряют ногу, у них может просто вырасти еще одна.Людям не так повезло. Если ты отрубишь мне руку, она не отрастет. (Примечание: пожалуйста, не делайте этого.)

Но еще в 1970-х годах ученые показали, что у детей иногда может отрастать кончик ампутированного пальца, если остается немного ногтя и рана не зашита. вверх. Позже мы обнаружили, что у мышей такая же способность. Но почему ноготь так важен и почему без него не может отрасти палец? Новое исследование дает ответ на эту давнюю загадку. Как я писал в Nature News:

Работая с мышами, исследователи под руководством Маюми Ито из Нью-Йоркского университета определили популяцию стволовых клеток, лежащих под основанием ногтя, которые могут организовать восстановление частично ампутированного пальца.Однако клетки могут делать это только в том случае, если остается достаточное количество эпителия ногтя — ткани, которая находится непосредственно под ногтем.

Процесс ограничен по сравнению с регенеративными способностями земноводных, но у них много общих черт, от задействованных молекул до того факта, что нервы необходимы. «Меня поразило сходство», — говорит Ито. «Это говорит о том, что мы частично сохраняем механизмы регенерации, которые действуют у земноводных».

Вы можете узнать больше об этом процессе на сайте Nature.Между тем, вам может понравиться эта длинная статья, которую я опубликовал несколько месяцев назад, о том, сможем ли мы когда-нибудь регенерировать конечности. В нем рассказывается о том, что происходит с саламандрами, почему мы не можем сделать то же самое, почему ученым было так трудно изучать эти способности и сможем ли мы когда-нибудь воспроизвести мастерство саламандры в лечении людей с ампутированными конечностями. Вот дегустатор:

Несмотря на эти препятствия, мы знаем основные шаги, которые должна пройти регенерирующая конечность. После ампутации клетки из внешнего слоя кожи поднимаются, чтобы закрыть рану.В этот момент у людей откладывается много рубцовой ткани, и все. Но у саламандр новые клетки трансформируются в структуру, называемую эпидермисом раны, которая посылает химические инструкции тем, кто находится под ней. В ответ нервы в культе снова начинают расти, в то время как зрелые клетки, такие как мышцы и соединительные ткани, превращаются в незрелую массу, называемую бластемой. Это то, что восстанавливает конечность. Возрождение — это сделать несколько шагов назад, чтобы сделать много шагов вперед.

«Каким-то образом клетки знают свое положение, и они будут восстанавливать только то, чего не хватает», — говорит Энрике Амайя, биолог развития из Манчестерского университета.Если конечность ампутирована в плече или бедре, бластема создает полную ногу. Если ампутировать на запястье, из бластемы останется только рука и пальцы. По мере того, как они растут и делятся, клетки занимают определенные позиции, поэтому они знают, что сверху вниз или слева направо. Они создают миниатюрную версию полной конечности, которая со временем вырастает до полного размера.

Базовый план есть, но детали заполнить трудно. Почему образуется эпидермис раны и что он делает с клетками под ним? Конечность не восстановится, если нервы внутри не начнут расти, но что именно делают нервы? Когда клетки в культе перематывают свои судьбы, чтобы стать бластемой, как далеко они уходят?

Как восстанавливаются кончики пальцев после ампутации | Стволовые клетки

Млекопитающие могут восстанавливать кончики пальцев рук и ног после ампутации, и теперь новое исследование показывает, какую роль в этом процессе играют стволовые клетки ногтя.

Исследование на мышах, подробно описанное сегодня (12 июня) в журнале Nature, обнаруживает химический сигнал, который заставляет стволовые клетки развиваться в новую ногтевую ткань, а также привлекает нервы, которые способствуют регенерации ногтей и костей.

Результаты показывают, что стволовые клетки ногтей могут быть использованы для разработки новых методов лечения людей с ампутированными конечностями, заявили исследователи. [Науки о жизни изнутри: Однажды стволовая клетка]

У мышей и людей восстановление ампутированного пальца руки или ноги связано с отрастанием ногтя.Но сможет ли ампутированная часть пальца вырасти снова, зависит от того, где именно происходит ампутация: если стволовые клетки под ногтем ампутируются вместе с пальцем, повторного роста не происходит, но если стволовые клетки остаются, повторный рост возможен.

Чтобы понять, почему эти стволовые клетки имеют решающее значение для регенерации, исследователи обратились к мышам. Ученые провели ампутации пальцев ног двум группам мышей: одной группе нормальных мышей и одной группе, которую лечили лекарством, которое сделало их неспособными подавать сигналы для развития новых ногтевых клеток.

Они обнаружили, что сигналы, которые управляют развитием стволовых клеток в ногтевые клетки, имеют жизненно важное значение для регенерации ампутированных пальцев. Через пять недель после ампутации нормальные мыши регенерировали пальцы ног и ногти. Но мыши, у которых отсутствовал сигнал ногтя, не смогли отрастить ни ноготь, ни сам палец ноги, потому что стволовым клеткам не хватало сигналов, которые способствовали развитию клеток ногтя. Когда исследователи восполнили эти сигналы, пальцы ног успешно восстановились.

В другом эксперименте исследователи хирургическим путем удалили нервы с пальцев ног мышей перед их ампутацией.Это значительно нарушило регенерацию ногтевых клеток, подобно тому, что случилось с мышами, у которых не было сигналов для производства новых ногтей. Кроме того, удаление нерва снизило уровень определенных белков, способствующих росту тканей.

В совокупности результаты показывают, что стволовые клетки ногтей имеют решающее значение для восстановления потерянного пальца у мышей. Если то же самое произойдет с людьми, результаты могут привести к более эффективному лечению людей с ампутированными конечностями.

Другие животные, включая земноводных, также могут восстанавливать потерянные конечности.Например, водные саламандры могут отращивать целые конечности или даже части своего сердца — процесс, в котором участвуют клетки их иммунной системы. По словам исследователей, изучая эти явления на других животных, можно повысить регенеративный потенциал у людей.

Следите за Таней Льюис на Twitter и Google+ . Следуйте за нами @livescience , Facebook & Google+ .Оригинальная статья о Live Science.

Дело о потерянном пальце

36-летняя женщина обратилась в отделение по уходу за ранами в Японии через некоторое время после несчастного случая, когда она потеряла кончик безымянного пальца правой руки — палец был раздавлен толстой железной дверью во время ее смены в ресторане. и ампутированная часть не могла быть восстановлена.

Она отмечает, что когда произошла травма, она сначала обратилась в отделение неотложной помощи другой больницы общего профиля, но там пластический хирург рекомендовал хирургическую реконструкцию, и пациентка решила вместо этого выбрать консервативное лечение.

Пациент был курильщиком с непримечательной историей болезни.

При первичном осмотре травмы выявлено выпадение ногтевой пластины, повреждение ногтевого ложа и обнажение дистальной фаланги; Таким образом, врачи идентифицировали травму как ампутацию Аллена III типа. Согласно протоколу консервативного лечения, медицинская бригада накладывает влажные повязки на рану — в данном случае из полиэтилена, полипропилена и целлюлозы.

Пациенту рекомендуется один раз в день слегка промывать рану теплой водой под душем и накладывать новую повязку; лечение не включает дезинфицирующих средств или профилактических антибиотиков.Пациенту рекомендуется приходить на контрольный визит каждые 1-2 недели.

Через неделю она может заниматься повседневной деятельностью с некоторыми ограничениями из-за легкой боли в кончике пальца при прикосновении. Ей рекомендуется продолжать выполнять обычные движения пальцами, пока они не вызывают невыносимой боли.

Ей также говорят, что во время лечения она может вернуться к работе, когда она будет готова. Однако ее возвращение к работе значительно откладывается из-за продолжительных обсуждений между рабочим местом и пациентом относительно компенсации работникам, характера ее будущей работы и смены работы.

Через две недели новая ногтевая пластина начинает расти, а кончик пальца покрывается грануляционной тканью. Через 4 недели становится очевидным рост грануляционной ткани, и кончик пальца восстанавливается до первоначальной формы.

Через 8 недель кожа почти полностью отрастает, на кончиках пальца остается лишь небольшая грануляция. Через 12 недель эпителизация завершается, и врачи сокращают период наблюдения. В течение всего периода лечения у пациента отсутствуют местные или системные инфекции.

В 16 недель она сообщает о онемении кончиков пальцев. На 27 неделе она отмечает легкую непереносимость холода, а также стойкое онемение, которые со временем улучшаются. Ей прописали прегабалин 150 мг / день, мекобаламин 1500 мкг / день и локсопрофен натрия гидрат 180 мг / день, которые следует принимать отдельно или одновременно, если необходимо, чтобы контролировать боль и онемение.

Примерно через 6 месяцев после травмы она сообщает, что время от времени у нее возникает боль или онемение, из-за которых трудно держать ручку или пользоваться палочками для еды, но постепенно она восстанавливает нормальную функциональную способность правой руки.

Через 39 недель она возвращается к работе и отмечает, что в целом довольна результатом.

Обсуждение

Клиницисты, сообщающие об этом случае ампутации кончика пальца типа III по Аллену, лечили консервативно с помощью влажных повязок на рану после того, как пациентка отказалась от реконструктивной хирургии, которая первоначально была рекомендована пластическим хирургом, отмечают, что у нее были отличные эстетические и функциональные результаты к 12 неделям.

Травмы ампутации пальца обычно встречаются в отделениях неотложной помощи, при этом на травмы запястья, кисти и пальцев приходится около 15% таких посещений в США.С. в 2017.

Классификация ампутации кончика пальца, предложенная M.J. Allen, варьируется от типа I до типа IV в зависимости от степени травмы. В то время как хирургическое лечение используется для большинства ампутаций кончика пальца типа III / IV по Аллену, консервативное лечение также может быть жизнеспособным вариантом лечения, как показывает этот случай.

Стратегии лечения зависят от места и степени потери ткани в ране, но предпочтительные подходы также различаются в зависимости от страны и региона. Например, в U.S. консервативное лечение или ревизионная ампутация являются наиболее распространенным подходом, при этом реплантация выполняется только примерно в 14% случаев ампутации кончиков пальцев.

Напротив, отмечают авторы дела, азиатские страны, как правило, чаще используют реплантацию или реконструкцию, причем на последнюю приходится около 29% травм от ампутации кончика пальца в Японии. Данных относительно соответствующих показаний для реплантации мало, но этот подход часто используется для ампутации дистального кончика пальца без дефектов кости, что создает проблему из-за нерешенных вопросов относительно стоимости и функциональных результатов.

Авторы предлагают несколько объяснений различных предпочтений, включая культурные различия, такие как моральные ценности и важность целостности тела, а также систему здравоохранения и различия в страховом возмещении.

Эти факторы могут помочь объяснить потенциально чрезмерное использование оперативных стратегий лечения ампутации кончиков пальцев в Японии, хотя в последние годы наблюдается растущее общественное признание консервативного лечения с использованием влажных повязок на раны, отмечают авторы случая.

Влажные повязки на раны обычно используются при консервативном лечении; варианты включают самоклеющиеся эластичные бинты с увлажняющим средством и пленочные повязки. В этом случае врачи использовали многослойную неклейкую повязку на рану, способную саморегулировать абсорбцию экссудата и доступную в аптеках или интернет-магазинах; рана закрывается, и повязка меняется один раз в день.

При отсутствии установленных рекомендаций по наиболее подходящей повязке на рану для ампутации кончика пальца отдельные больницы должны подумать о том, что является подходящим и доступным для их учреждения, советуют авторы случая.

Время заживления зависит от степени травмы: ревизионная ампутация может зажить быстрее, чем другие методы лечения, хотя при консервативном лечении среднее время заживления составляет 2–12 недель. Дольше всего заживают пациенты с обнаженной костью; в этом случае размер дефекта и обнаженной кости, а также история курения пациента могут объяснить относительно долгое время заживления, составляющее 12 недель.

Учитывая это, ампутация может быть предпочтительнее для подобных пациентов, которые не переносят открытую рану в течение длительного времени и желают более быстрого заживления; в таких случаях среднее время возвращения к работе составляет 1.Через 5 месяцев после ревизионной ампутации и 3,2-4,0 месяца после реплантации, отмечают авторы случая.

Напротив, пациенты, получавшие консервативное лечение, часто могут вернуться к работе в течение первой недели, а большинство пациентов возвращаются в среднем через месяц, хотя возвращение к работе в сфере общественного питания может занять больше времени.

Когда ампутация кончика пальца включает обнаженную кость, рекомендуется хирургическое укорачивание кости перед консервативным лечением для облегчения заживления, хотя в этом случае, отмечают авторы, другие исследования показывают, что укорачивание кости не допускается, если выступающая кость не имеет острых костных спикул, чтобы избежать вызывая деформацию крючкового ногтя из-за потери костной опоры в кончике пальца.

Консервативное лечение связано с регенерацией толщины мягких тканей кончика пальца до 85% в ладонном направлении и 93% в дистальном направлении, что отражает результат в данном случае: «Интересно, что грануляционная ткань постепенно увеличивалась. , кончик пальца регенерировал в естественную форму пальца через 4 недели после травмы … и ногтевое ложе регенерировалось почти нормально, демонстрируя отличные эстетические результаты », что свидетельствует о том, что хирургическое восстановление ногтевого ложа не всегда необходимо, пишут авторы случая.

Непереносимость холода обычно ассоциируется с консервативным лечением, хотя данные свидетельствуют о том, что она постепенно улучшается и разрешается к 1 году и обычно возникает после оперативного лечения, особенно при ревизионной ампутации. Предполагается, что это осложнение связано с сосудистой недостаточностью и повреждением периферических нервов, связанным с травмой, независимо от метода лечения, объясняют авторы случая.

Изменения чувствительности довольно редки, но чаще встречаются при проксимальных повреждениях и могут оставить пациентов, получивших консервативное лечение, недовольными результатом.Непереносимость холода и онемение этой пациентки мешали ее нормальной повседневной деятельности, но и то, и другое со временем разрешилось, что показывает важность подготовки пациентов к возможным начальным сенсорным аномалиям, которые часто улучшаются со временем.

У каждого возможного лечения есть свои преимущества и недостатки, продолжают авторы. Например, ревизионная ампутация обеспечивает более быстрое заживление, но не восстанавливает исходную длину пальца и часто ассоциируется с непереносимостью холода, в то время как реплантация может помочь восстановить исходный палец, учитывая острый механизм ампутации, правильное извлечение ампутированного пальца и доступность немедленного вмешательства. реплантация.Реплантация также предполагает длительную реабилитацию и возможность постоянной жесткости пальцев.

Реконструкция с использованием местных лоскутов имеет то преимущество, что позволяет справиться с различными типами ампутации кончиков пальцев и сохранить длину пальца, хотя этот подход также требует длительной иммобилизации и создает риск отказа лоскута.

Заключение

Авторы клинического случая пришли к выводу, что консервативное лечение с использованием влажных повязок при ампутации кончика пальца является простым, а общие результаты лечения являются удовлетворительными для пациентов.Поэтому консервативное лечение может быть предпочтительной стратегией при ампутации кончика пальца в зависимости от характера и степени травмы. Однако следует отметить, что авторы заявляют, что, поскольку консервативное лечение требует более длительного периода заживления, при рассмотрении стратегии лечения следует принимать во внимание характер работы пациента и ожидаемое время восстановления.

Последнее обновление 1 марта 2021 г.

  • Кейт Кнайзель — независимый медицинский журналист из Бельвилля, Онтарио.

Раскрытие информации

Авторы дела не отметили конфликта интересов.

Новый взгляд на

: регенеративная сила свиного кишечника

Биоинженеры добились больших успехов, используя способность организма начинать все сначала, будь то восстановление сердечной ткани и костей или использование стволовых клеток для отрастания кончиков пальцев.Тем не менее, большая часть обещаний регенеративной медицины остается внутри лаборатории — по крайней мере, так я думал, когда начал писать для The Body Builders: Inside the Science of the Engineered Human.

Некоторые врачи, например доктор Эухенио Родригес, не ждут завершения испытаний, чтобы помочь пациентам. Вместо этого они уже добавляют регенеративные технологии в свои медицинские инструменты и используют их для спасения человеческих конечностей. Несколько лет назад в Делрей-Бич, штат Флорида, Родригес, хирург-травматолог, произвел небольшую сенсацию, изучив регенеративные способности свиных кишок.

Родригес впервые попал в заголовки газет в 2013 году, когда лошадь откусила указательный палец Пола Халперна, 33-летнего дрессировщика лошадей. Страховая компания Халперна подтолкнула его к ампутации остальной части пальца, но Родригес построил грубую форму, или внеклеточную матрицу (ВЦМ), из отсутствующего кончика пальца Халперна, используя имеющийся в продаже медицинский пластырь из свиного пузыря. Родригес прикрепил слепок к культю оставшегося пальца и кости, и даже отсутствующий ноготь вырос снова.

Акт исцеления был освещен в местных новостях, но когда я увидел эту историю, я не был полностью удивлен.В 2011 году я написал для Discove статью об этой методике, которую разработал Стивен Бадилак, биоинженер из Института регенеративной медицины Макгоуэна Питтсбургского университета. Еще в конце 1980-х Бадилак совершенно случайно обнаружил, что свиные кишки обладают замечательными регенерирующими свойствами. В последние годы он провел ряд испытаний, направленных на то, чтобы увидеть, насколько далеко он может их продвинуть, и в то же время расшифровать странную биохимическую алхимию, которая делает возможным исцеление кишками свиньи.

Оказывается, внутри каркаса свиных кишок встроен ряд мощных молекулярных сигнальных агентов, которые подавляют реакцию рубцевания и вызывают стволовые клетки для создания новой ткани. Когда кишки свиньи, правильно подготовленные, вставляются в место раны, организм начинает разрушать инородный материал, высвобождая эти сигнальные агенты и приводя в движение процесс заживления.

Родригес впервые услышал об этой технике после того, как пациент принес ему мою статью в Discover о Бадилаке; и он хотел, чтобы Родригес использовал эту технику, чтобы залечить свои травмы.С тех пор, как первый пациент вошел в дверь, Родригес утверждает, что использовал эту технику сотни раз, и не только для кончиков пальцев, но и для спасения целых конечностей. Недавно я сел в самолет, чтобы воочию увидеть, что задумал Родригес.

Пример № 1

Когда я вошел в его офис, Родригес провел меня по длинному коридору в комнату для осмотра. Внутри меня ждал на стуле врача Янси Моралес, 21-летний молодой человек с тонкими усами, с тонкими усами, в мешковатых красных шортах и ​​майке «Майами Хит».После того, как мы обменялись рукопожатием, Моралес вытянул правую ногу и указал на неприятный шрам длиной в несколько дюймов на внутренней стороне правой ноги выше колена. Он указал на место прямо над шрамом в центре его бедра. Он сказал мне, что это то место, где врачи нарисовали линию, на которой они собирались ампутировать.

Моралес прибыл в больницу после автомобильной аварии, в результате которой его нога раскололась, «как бабочка, и торчала кость». После пары дней в больнице и нескольких операций врачи отправили медсестру, чтобы сообщить Моралесу, что они ничего не могут сделать, чтобы спасти его ногу.Они решили ампутировать.

«Я не собираюсь лгать, я плакал», — говорит мне Янси. «Я представляю себя без правой ноги. Он просто продолжал нападать на меня, потому что моя нога собиралась исчезнуть, понимаете? »

Но медсестра была тронута Моралесом и предложила идею: другая медсестра слышала о Родригесе и его работе с внеклеточными матрицами, сформированными из кишок свиньи. Она слышала, что Родригесу даже удалось спасти ногу другого пациента.

Отрастив часть утраченной ткани ноги Янси с помощью внеклеточного матрикса, Родригес взял кожу с верхней части бедра Янси и пересадил ее в рану, чтобы заполнить оставшуюся часть отверстия.Это сработало.

Янси с тех пор усердно восстанавливает его, нагружая новую ткань, чтобы восстановить ее. Он говорит, что иногда все еще болит и опухает, если он слишком усердно работает, но он без всяких сомнений выражает свою благодарность Родригесу.

«Он спас мою ногу!» Он говорит. «Они собирались взять меня за ногу!»

Пример № 2

После того, как я поговорил с Янси, Родригес провел меня в другую смотровую комнату по коридору. На стуле в окружении членов семьи сидела Мерседес Сото, 35-летняя венесуэльская домохозяйка из Каракаса.В 2013 году Сото была на 22 неделе беременности и находилась с визитом во Флориде; она планировала родить ребенка в Соединенных Штатах. Две недели спустя Сото заболел инфекцией, у него случился выкидыш, кровотечение и септический шок.

Стивен Бадилак, держит лист «внеклеточного матрикса», полученного из мочевого пузыря свиньи. (Источник: Медицинский центр Университета Питтсбурга)

Стивен Бадилак, держит лист «внеклеточного матрикса», полученного из мочевого пузыря свиньи. (Кредит: Медицинский центр Университета Питтсбурга)

Врачи в Майами поместили ее в медицинскую кому и сумели сохранить ей жизнь, используя машины для перекачивания крови ко всем ее основным органам.Но кровообращение в ее конечностях было сильно ограничено, и когда она наконец поднялась, части ее пальцев были черными от гангрены. Сосудистый хирург сообщил ей, что она намеревалась ампутировать стопу Сото до лодыжки. Но сосед Сото в Майами рассказал ей о Родригесе.

Сидя на кресле врача, Сото показывает мне фотографии того, как раньше выглядела ее ступня. Пальцы и передняя часть стопы были угольно-черными, а нижняя часть стопы была раздутой и покрыта чем-то вроде темно-зеленых гангренозных пузырей.Затем через месяц она показала мне фотографию ступни: зеленый превратился в ярко-красный и островки желтого цвета. Когда мы поговорили, ее ступня почти пришла в норму, хотя было уже поздно спасать пальцы. Родригес пытался отрастить пальцы ног с помощью ECM, но пока результаты были меньше, чем он мог надеяться.

Однако ECM удалось отрастить часть ее пальцев, которые Родригес также ампутировал.

«Указательный палец очень сильно вырос, ноготь вернулся, и все такое», — говорит он.«Пальцы на ногах были не такими впечатляющими. Там было больше повреждений. Но, по крайней мере, нам не пришлось ампутировать ногу ».

Конечно, не все уверены, что эта техника готова к использованию в прайм-тайме. Некоторые исследователи утверждают, что у них были проблемы с воспроизведением некоторых успехов, о которых сообщили Бадилак, Родригес и другие, на своих пациентах. Некоторые утверждают, что можно получить гораздо лучшие результаты, используя подходящие ткани — костные ткани для костных каркасов, мышечные ткани для мышечных каркасов. Третьи сомневаются в самой идее.

Но Родригес не первый врач, который применил эту технику до того, как дождался результатов испытаний. Стивен Вулф, армейский врач, начал применять эту технику на раненых ветеранах войны в Армейском медицинском центре Брук в Сан-Антонио.

«Я использую его до сих пор», — говорит Вольф. «Я проделал это четыре раза на пальцах с тех пор, как приехал сюда. И я получил от парней, с которыми я здесь это делаю, возможно, лишний сантиметр роста с некоторыми из этих пальцев. Теперь я знаю из личного опыта, из эмпирического опыта, что вне этого не происходит.”

Wolf также пробовал и добился определенных успехов на пациентах с серьезной потерей мышечной массы. Он объясняет медлительность повсеместного признания препятствиями рандомизированным испытаниям.

«Мы должны продолжать изучать это, но дело в том, что людей с такого рода проблемами не так уж и много», — говорит он. «Чтобы сделать это, мы должны рандомизировать и взять кого-то, с кем вы этого не делаете, и кого-то, кого вы делаете, и они должны быть однородными».

Тем не менее, добавляет он, когда дело доходит до регенерации пальцев или регенерации мышц, «с хирургической точки зрения это почти не так уж важно и имеет огромный потенциал роста.

Прочитав статью Discover, Родригес связался с компанией ACell, аффилированной с Badylak, которая продавала медицинские пластыри из свиных кишок. (Бадилак и его спонсоры смогли получить одобрение FDA для продукта с помощью тактики «черного хода» — продукт был похож на другие материалы, уже одобренные для нас в качестве каркасов или раневых «пластырей», — простые наполнители, не предполагавшие никаких регенерирующих преимуществ).

Вольф, который сейчас является заместителем председателя по хирургии и профессором Юго-западного медицинского центра Техасского университета в Далласе, рассказал мне, что у него был случай, похожий на случай с Сото — другой женщиной, у которой развился сепсис и потеряли пальцы на обеих ногах. .Ему тоже удалось избежать ампутации с помощью материала Бадилака.

«Я боролся, боролся и боролся, чтобы попытаться сохранить вещи, и мы достигли точки, где все стабильно», — говорит Вольф. «Итак, теперь пора посмотреть, сможем ли мы получить еще немного роста пальцев.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *