Přítomnost regenerace u více živočišných fylů, stejně jako rozšířená přítomnost schopnosti regenerovat celé tělo u bazálních linií metazoí, u několika fylů lophotrochozoí a deuterostomátů nás vede k domněnce, že předek metazoí měl rozšířenou schopnost regenerace. Fylogenetické rozložení regenerace také naznačuje, že tato schopnost byla omezena a/nebo ztracena při opakovaných událostech.
Existuje několik hypotéz o zachování regenerace, adaptivní hypotéza, pleiotropie a fylogenetická setrvačnost.
- Podle první hypotézy by regenerace byla udržována selekcí, a proto musí být ztráta struktury běžná, její absence musí mít pro organismus náklady a přínos regenerace musí převážit její náklady. Příkladem tohoto typu struktury by mohly být ocasy ještěrů a salamandrů, avšak u Hydry a planárníků, dvou skupin živočichů s největší regenerační schopností, nejsou v přírodě žádné důkazy o amputacích, takže v těchto případech by adaptivní hypotéza nebyla podpořena.
- Druhá hypotéza postuluje, že schopnost regenerace určité struktury je pevně spojena s jiným jevem, jako je asexuální rozmnožování, růst, embryogeneze nebo regenerace jiné struktury. Kandidáty na studium udržování regenerace pomocí pleiotropie jsou klany, jako jsou například hlístice, kde jsou regenerace a růst založeny na podobných mechanismech.
- Třetí hypotéza předpokládá, že k udržování regenerace dochází z historických důvodů, tj. regenerace by byla ancestrálním znakem, který nebyl ztracen.
Regenerace u planáriíEdit
Jedním z organismů, u nichž byl proces regenerace nejlépe prozkoumán, jsou planárie, bilaterálně symetričtí metazoani patřící do fylogeneze Platyhelminthes. Již několik století je známo, že při rozříznutí těchto organismů uprostřed se z poloviny hlavy regeneruje ocas a z poloviny ocasu hlava.
Po rozříznutí pokrývá ránu tenká vrstva epitelu, přičemž dorzální i ventrální epitelové buňky ztrácejí svou charakteristickou morfologii, protože pokrývají ránu. U zvířat po amputaci je v blízkosti místa poranění zjištěn vrchol buněčné proliferace, který vede k tvorbě epiteliálního/mezenchymálního výrůstku známého jako regenerační blastém. Pozorovaná buněčná proliferace je omezena na populaci malých, vysoce nediferencovaných buněk s velkými jádry a malým množstvím cytoplazmy. Tyto buňky se nazývají neoblasty.
Existují dvě hypotézy o zdroji neoblastů, na jedné straně mohou vznikat dediferenciací somatických buněk a na druhé straně sebeobnovou kmenových buněk, důkazy ukazují na to, že neoblasty jsou totipotentní kmenové buňky.
Regenerace tvorbou blastémů netvoří všechny struktury planárního jedince; za regeneraci dalších struktur remodelací, tj. morfalaxí, je zodpovědná tkáň navazující na blastém. Proces regenerace u planárníků je tedy výsledkem kombinace dvou hlavních mechanismů, epimorfózy a morfalaxe.
Regenerace u salamandrůEdit
Regenerace končetin u salamandrů probíhá epimorfózou, buňky jsou schopny v případě potřeby obnovit celou končetinu, ale mohou také obnovit pouze chybějící části. Po amputaci, mezi 6 a 12 hodinami, pokrývají ránu endodermální buňky, tato vrstva známá jako epidermis rány proliferuje a vytváří apikální ektodermální čepičku. Během několika následujících dnů se buňky pod víčkem dediferencují a vytvářejí hmotu – regenerační blastém. Geny exprimované v diferencovaných tkáních jsou redukovány a exprese genů spojených s embryonální končetinou je dramaticky zvýšena. Tyto buňky se dále množí a nakonec se rediferencují a vytvářejí nové struktury končetin.
Regenerace u plazůEdit
Reptilové mohou regenerovat některé části svého těla, například části končetin, různé typy tkání včetně nervových buněk, oční čočky, čelistní a čelistní oblouky u krokodýlů a ještěrů, karapax u některých želv. Nejvíce se však studuje regenerace ocasu u ještěrů. Je známo, že ještěrky uvolňují svůj ocas autotomií, aby odlákaly útočícího predátora, a to pomocí předem vytvořených lomných bodů v rovinách ocasu, a jakmile je ocas amputován, začíná regenerace, ale bez dosažení původní struktury (bez regenerace kostí), ve většině případů dochází k regeneraci pouze jednou.
Proces regenerace začíná migrací epitelových buněk kolem rány, které vytvářejí apikální epidermální vrstvu (nebo apikální čepičku), o několik dní později se pod touto vrstvou začíná tvořit blastém, který vytváří kuželovitou strukturu jako u obojživelníků. Blastém se skládá z nediferencovaných mezenchymálních buněk, které jsou v mitóze a organizují se kolem epiblastu (vrstvy epitelových buněk), z něhož vznikne mícha. Zpočátku se v proximální části amputace začínají diferencovat buňky blastému, z nichž vznikají fibroblasty, cévy, tukové buňky a buňky lymfatického systému. Jakmile se tyto buňky vytvoří, začnou se formovat další tkáně a vytvářet mezi nimi spojení, jako je tvorba žil a tepen, a poté se začne vytvářet hmota chrupavky, která obklopuje ependymis jako pokračování míchy, která nebyla ztracena.
V téže době se za buňkami blastému a laterálně od nich začínají regenerovat svalové hmoty z myoblastů odvozených z neamputovaných svalů, které se oddělují od fibroblastů, s nimiž sdílejí buněčné agregáty odvozené od svalů. Na základě afinity mezi nimi začne docházet ke splynutí 4 až 8 myoblastů. Ty se pak řadí a vytvářejí myotuby, zatímco fibroblasty se shlukují na jejich koncích a vytvářejí pojivovou tkáň, tzv. myoseptum. V závěrečné fázi regenerace svalu dochází k růstu a uspořádání těchto myotub, kde buňky spojily svou cytoplazmu a vytvořily vícejaderná vlákna, která se shlukují do myotomů podobného průměru. Tím se liší od situace u obojživelníků, kde myotuby vznikají z jediného myoblastu a následně se stávají vícejadernými. Nárůst počtu jader generuje růst svalů, protože umožňuje větší syntézu mRNA, a tím i větší počet kontraktilních proteinů, které vytvářejí nové sarkomery ve vláknech.
Po vytvoření ocasního svalu je tkáň znovu osídlena nervovými buňkami, které se regenerují z blízké míchy a posledních tří míšních ganglií nejblíže regenerujícímu se ocasu. Nakonec tyto nervy naváží kontakt se všemi ostatními buňkami, což vede k růstu ocasu, který může být dokončen během 3-6 měsíců. Současně s růstem ocasu se z jeho pokožky obnovují šupiny.
Bylo prokázáno, že růstové faktory fibroblastů (FGF) 1 a 2 (kyselý, resp. bazický) hrají důležitou roli při regeneraci ocasu tím, že indukují buněčnou proliferaci, a jsou exprimovány v regenerujících tkáních, jako jsou šupiny, svaly a krevní tkáně, Předpokládá se, že neurony a mícha mohou autonomně vytvářet FGF, které stimulují proliferaci neuroblastů, které následně opouštějí tyto oblasti a stimulují buňky blastému k produkci dalších FGF, které následně aktivují apikální epidermální vrstvu, která zase produkuje další FGF, které se vracejí zpět do buněk blastému, což vede k proliferaci a růstu.
Regenerace u savcůEdit
Kompenzativní regenerace jater je u savců možná. V tomto případě chybějící části nedorůstají, zbývající části se zvětšují, aby nahradily ztrátu chybějící tkáně. Jinými slovy, játra se regenerují proliferací stávající tkáně, která není zcela dediferencovaná, každý typ buněk si zachovává svou identitu a nedochází k tvorbě blastémů. Jedním z nejdůležitějších proteinů při regeneraci jater je hepatocytární růstový faktor (HGF), který je zodpovědný za indukci několika embryonálních proteinů.
Některé části lidského těla, které se mohou samoregenerovat, jsou:
- Vlasy
- Nehty
- Kůže
- Sliznice (bukální, trávicí,…)
- Krev
- Svaly
- Kosti
- Játra
Regenerace u hydryUpravit
Před lety bylo zjištěno, že když byla hydra rozříznuta napůl, oba kusy dokázal regenerovat chybějící části, a i kdyby byl tento organismus rozřezán na malé kousky (alespoň několik set epitelových buněk), každý z nich by regeneroval kompletní miniaturní hydru. K časné regeneraci u Hydry dochází vždy za nepřítomnosti syntézy DNA, tj. morfalaxí.
Regenerace u panterovce třípásého (Hofstenia miamia)Edit
Panterovec třípásý má přední ústa, nervovou soustavu s koncentrací neuronů v hlavě, svalstvo, hltan, smyslový dorzální a ventrální samčí kopulační aparát. Ukázalo se, že Hofstenia se snadno podrobuje laboratorní kultivaci a produkuje přibližně čtyři embrya na zvíře týdně, což v naší laboratorní kultuře činí 100 embryí denně. Embrya se líhnou za ∼9 dní a pohlavně dospělými se stávají za ∼8 týdnů. Její vysoká reprodukční rychlost a celková regenerační schopnost z ní činí velmi zajímavý model pro regenerační procesy.
regenerační mechanismy třípásého pantera umožňují úplnou regeneraci těla, takže po podélném řezu, který rozdělí živočicha na dvě poloviny, mohou vzniknout dva noví jedinci.
tato regenerace probíhá díky GRN (genové regulační síti), kde jsou aktivovány tisíce regeneračních genů, modulovaných egr, který má dvojí průkopnický a regulační faktor. Podařilo se určit regulační kaskádu genů egr-runt-nrg-1 u Hofstenia miamia, která v prvních 48 hodinách aktivuje všechny mechanismy pro regeneraci celého těla díky genu Egr.
Regenerace u zebřiček (Danio rerio)Edit
Zebřičky mají schopnost produkovat velký počet potomků na jednu snůšku vajíček a snadno se udržují v umělých podmínkách. Průhledná barva embryí a jejich rychlý vývoj mimo matku činí ze zebřiček modelový organismus pro studium embryonálního vývoje. Kromě toho jsou zebřičky často využívány v regeneračních studiích díky své schopnosti účinně regenerovat různé orgány, včetně ploutví, míchy, srdce, slinivky a sítnice.
Mezinformace regenerace u zebřiček je dosti podobná té u obojživelníků, i když končetiny obou skupin jedinců jsou anatomicky velmi odlišné. Tyto ryby vykazují vysoké procento regenerace v závislosti na tom, která část je amputována.
Regenerace ploutví: Ploutve jsou složeny z kostěných paprsků (lepidotrichia), mezi jednotlivými paprsky jsou krevní cévy, nervy, pigmentové buňky a fibroblasty. Studiem regenerace ploutví u ryb se začal v 18. století zabývat René-Antoine Dateul de Reáumur, který pozoroval regeneraci končetiny u raků, a studie ukázaly, že tyto organismy dokážou regenerovat celou ploutev, i když 95 % orgánu bylo odstraněno.
Typ regenerace u ploutve zebry je epimorfní, který se skládá ze čtyř fází:
- Závěr rány
- Tvorba epidermis rány
- Tvorba epidermis rány
- Tvorba blastému
- Diferenciace buněk blastému.
Při regeneraci ploutve řídí epidermis stav diferenciace buněk. Po excizi dochází k rychlé kontrakci epitelu kolem rány zprostředkované F-aktinem. Když je tento aktinem zprostředkovaný proces uzavírání dokončen, epitelové buňky rány migrují a vytvářejí v této epidermální vrstvě exprimovaný β-katenin, jehož úkolem je udržovat mezibuněčné vztahy a usnadňovat migraci. Buňky této epidermální vrstvy mají jinou identitu než okolní epidermální buňky. Bylo provedeno několik studií, jejichž cílem bylo posoudit význam této epidermální vrstvy. Bylo zjištěno, že pokud je tato epidermální vrstva odstraněna, proces regenerace se zastaví. Pod touto vrstvou se začíná tvořit blastém. Existují dvě hypotézy o povaze této buněčné masy: první hypotéza předpokládá, že blastém vzniká ze spících kmenových buněk, které se aktivují při amputaci; druhá hypotéza předpokládá, že blastém vzniká z mezenchymálních buněk, které procházejí dediferenciací. Druhá hypotéza je v současné době podporována. Z výše uvedeného vyplývá, že po dediferenciaci procházejí buňky blastému další diferenciací, aby nahradily odstraněné tkáně. Přechod ze stádia blastému do stádia prodloužení představuje jak morfologické, tak molekulární změny, které zahrnují změny v expresi různých genů v obou stádiích a také expresi nových genů. Během tvorby blastému je exprese růstového faktoru ranových fibroblastů (wfgf) nízká, zatímco ve fázi prodlužování je mnohem vyšší; wnt3a není exprimován během tvorby blastému, ale je exprimován během prodlužování. Blastém se dělí na dvě zóny: distální a proximální. Předpokládá se, že v proximální zóně dochází k diferenciaci mezenchymálních buněk, i když zatím není jasné, jak tento proces probíhá.
Ukázalo se, že různé skupiny genů exprimovaných během vývoje kostních struktur v ploutvích zebřiček jsou v době regenerace znovu exprimovány. Byl také prokázán význam fibroblastových růstových faktorů (FGF), které se podílejí na signalizaci tvorby blastému. Například receptor pro fibroblastový růstový faktor 1 má zásadní význam pro proliferaci mezenchymálních buněk a následnou tvorbu blastému a bylo také zjištěno, že exprese genů rodiny msx (podílejících se na vývoji končetin obratlovců) udržuje distální buňky formující se končetiny nediferencované. Rychlost regenerace mohou ovlivnit také faktory prostředí, při teplotě 33 °C probíhá téměř dvakrát rychleji než při teplotě 25 °C. Regenerace tohoto orgánu je rovněž závislá na angiogenezi (tvorbě cév)
Regenerace srdce: Zebřičky vykazují největší schopnost regenerace srdce, jaká byla u obratlovců popsána. V současné době se jedná o široce používaný model pro studium molekulárních mechanismů, které umožňují strukturální a funkční obnovu srdečního svalu.
Regenerace srdce vykazuje některé procesy podobné těm, které jsou prezentovány u regenerace ploutví. Dochází k němu v distální části rány a sval se obnovuje z myocytů. Byly provedeny pokusy s odstraněním části komory a reakce této tkáně na poranění spočívá v hyperplazii, což je jinými slovy tvorba nových kardiomyocytů.
Zpočátku se v místě poranění vytvoří fibrinová sraženina. Na rozdíl od savců není tato fibrinová vrstva nahrazena jizevnatou tkání, ve skutečnosti zůstává v ráně po poranění jen velmi málo kolagenu. Tato fibrinová vrstva je následně nahrazena novou srdeční svalovinou; tento proces trvá jeden až dva měsíce. Nedávné experimenty se sledováním linií pomocí technologie Cre-loxP identifikovaly preexistující kardiomyocyty jako zdroj nových kardiomyocytů v regenerované oblasti. Bylo zjištěno, že se na regeneraci podílejí i další typy buněk přítomné v srdci. Bylo zjištěno, že buňky epikardu (vnější vrstvy srdce) jsou poměrně plastické, protože se mohou stát mezenchymálními buňkami, migrovat do místa poškození a podílet se na tvorbě srdeční svaloviny v místě poškození i na tvorbě koronárních cév. Tato migrace a proliferace je způsobena dvěma geny exprimovanými během vývoje myokardu (tbx18 a raldh2), které jsou po vzniku poranění znovu exprimovány. Zásadní význam mají také růstové faktory fibroblastů, jak bylo zjištěno při regeneraci laloků. Při regeneraci srdeční tkáně jsou FGF nezbytné pro aktivitu epikardu během regenerace; experimenty ukázaly, že FGF řídí přechod buněk z epikardiálního do mezenchymálního stavu a podporují jejich migraci do místa poranění. Kromě FGF je v ráně indukována produkce proteinu Thymosin β-4, který způsobuje zhutnění myokardu.
Regenerace sítnice: Na rozdíl od savců roste sítnice teleostovitých ryb po celý život, regenerace sítnice je rysem přítomným jak u teleostovitých ryb, tak u urodeles.Jedním ze způsobů, jak u ryb vyvolat poškození sítnice, je vystavit je vysoké intenzitě světla, a tím vyvolat apoptózu čípků i tyčinek. Doba regenerace se liší v závislosti na způsobu, jakým dochází k degeneraci tkáně. Původně se předpokládalo, že tvorba nových buněk sítnice souvisí s proliferací progenitorových buněk tyčinek, což naznačovalo, že tyto buňky jsou hlavním zdrojem regeneračních buněk sítnice. Práce z posledních let ukazují, že buňky Müllerovy glie rychle reagují na poškození sítnice prostřednictvím progrese buněčného cyklu, proliferace a produkce kmenových buněk z vnitřní jaderné vrstvy sítnice. Je možné, že proliferace progenitorových buněk tyčinek, jako jsou buňky vnitřní jaderné vrstvy sítnice, závisí na stupni poškození sítnice. Některé geny, které jsou exprimovány během embryonálního vývoje sítnice (Notch, delta, rx1 vsx2, N-kadherin), jsou exprimovány také během regenerace fotoreceptorů u zebřiček. Po odstranění nebo degeneraci sítnice dochází k proliferaci buněk Müllerovy glie ve vnitřní i vnější jaderné vrstvě sítnice a Müllerovy buňky pak směřují proliferující buňky do různých míst poškození. Právě z těchto proliferativních buněk vzniknou nové buňky sítnice, které mají potenciál kmenových buněk. Tento mechanismus se liší od jiných typů regenerace, jako je epimorfní regenerace: gliové buňky sítnice procházejí dediferenciací a vytvářejí nervové kmenové buňky, které mohou později regenerovat fotoreceptory. Na tomto procesu se podílejí nejen gliové buňky, ale pokud jsou tyto buňky experimentálně izolovány z jiných očních tkání, mohou ne-neuronální buňky projít přeprogramováním a znovu vytvořit sítnici. Mechanismy signalizace, které indukují buněčný cyklus v gliových buňkách, nejsou dosud známy, ačkoli na základě studií u jiných organismů se předpokládá, že se na této signalizaci mohou podílet FGF2 a inzulínu podobné růstové faktory.