Regeneration (biologi)

Forekomsten af regeneration i flere dyrearter samt den udbredte tilstedeværelse af evnen til at regenerere hele kroppen i basale metazoer, i flere arter af lophotrochozoer og deuterostomater får os til at tro, at metazoernes forfædre havde en udbredt evne til regeneration. Den fylogenetiske fordeling af regeneration indikerer også, at denne evne blev begrænset og/eller gik tabt i gentagne tilfælde.

Der er flere hypoteser om opretholdelsen af regeneration, den adaptive hypotese, pleiotropi og fylogenetisk inerti.

• I den første hypotese ville regeneration blive opretholdt ved selektion, og derfor skal tabet af strukturen være almindeligt, dens fravær skal have en omkostning for organismen, og fordelen ved regeneration skal opveje omkostningerne. Et eksempel på denne type struktur er øglers og salamanders haler, men hos Hydra og planarier, to af de dyregrupper med den største regenerative kapacitet, er der ingen beviser for amputationer i naturen, så i disse tilfælde vil den adaptive hypotese ikke blive støttet.

• Den anden hypotese postulerer, at evnen til at regenerere en bestemt struktur er stærkt forbundet med et andet fænomen såsom aseksuel reproduktion, vækst, embryogenese eller regeneration af en anden struktur. Klasser som cnidarier, hvor regeneration og vækst er baseret på lignende mekanismer, er kandidater til undersøgelse af vedligeholdelse af regeneration ved pleiotropi.

• Den tredje hypotese foreslår, at vedligeholdelse af regeneration sker af historiske årsager, dvs. at regeneration er en forfædres karakter, som ikke er gået tabt.

Regeneration i planariaRediger

En af de organismer, hvor regenerationsprocessen er blevet bedst studeret, er planaria, bilateralt symmetriske metazoer, der tilhører phylum Platyhelminthes. Det har været kendt i flere århundreder, at når disse organismer skæres midt over, regenererer hovedhalvdelen en hale og halehalvdelen et hoved. Efter et snit dækker et tyndt lag epithel såret, og både dorsale og ventrale epithelceller mister deres karakteristiske morfologi, efterhånden som de dækker såret. Hos amputerede dyr ses et højdepunkt af celleproliferation i nærheden af sårstedet, hvilket fører til produktion af en epithelial/mesenkymal spire, der er kendt som et regenerativt blastema. Den observerede celleproliferation er begrænset til en population af små, meget udifferentierede celler med store kerner og lidt cytoplasma. Disse celler er kendt som neoblaster.

Der er to hypoteser om kilden til neoblaster, på den ene side kan de opstå fra dedifferentiering af somatiske celler og på den anden side fra selvfornyelse af stamceller, men beviserne peger på, at neoblaster er totipotente stamceller.

Regenerering ved blastemadannelse danner ikke alle planariernes strukturer; det er vævet nedstrøms blastemet, der er ansvarligt for at regenerere andre strukturer ved remodellering, dvs. ved morfalaxe. Regenerationsprocessen hos planarier er således resultatet af en kombination af de to vigtigste mekanismer, epimorfose og morfalaxe.

Regeneration hos salamandreRediger

Ledsregeneration hos salamandre sker ved hjælp af epimorfose.Cellerne er i stand til at genopbygge hele lemmet, hvis det er nødvendigt, men kan også genopbygge kun de manglende dele. Efter amputationen, mellem 6 og 12 timer, dækker de endodermale celler såret, og dette lag, der er kendt som sårepidermis, formerer sig og danner en apikal ektodermal kappe. I løbet af de næste par dage dedifferentieres cellerne under hætten og danner en masse, regenerationsblastemaet. Gener, der udtrykkes i differentierede væv, nedreguleres, og ekspressionen af gener, der er forbundet med de embryonale lemmer, øges dramatisk. Disse celler fortsætter med at proliferere og til sidst redifferentieres for at danne de nye lemstrukturer.

Regeneration hos krybdyrRediger

Reptiler kan regenerere nogle dele af deres kroppe, f.eks. dele af deres lemmer, forskellige typer væv, herunder nerveceller, øjenlinsen, underkæbe- og kæbebue hos krokodiller og øgler og pansermaller hos nogle skildpadder. Det, der er blevet mest undersøgt, er imidlertid halefornyelse hos øgler. Det er kendt, at øgler slipper deres haler ved autotomi for at distrahere et angribende rovdyr ved hjælp af på forhånd udformede brudpunkter i haleplanet, og når halen er amputeret, begynder regenerationen, men uden at den opnår sin oprindelige struktur (ingen knogleregeneration), og i de fleste tilfælde sker regenerationen kun én gang.

Regenerationsprocessen starter med migrationen af epitelceller omkring såret for at danne det apikale epidermiske lag (eller apikale hætte), og nogle få dage senere begynder blastemaet at dannes under dette lag og danner en konisk struktur, som hos padder. Blastemaet består af udifferentierede mesenkymale celler, der er i mitose og organiserer sig omkring epiblasten (epithelcellelaget), som vil give anledning til rygmarven. I første omgang begynder blastemacellerne at differentiere i den proximale del af amputationen og giver anledning til fibroblaster, blodkar, fedtceller og celler i lymfesystemet. Når disse celler er etableret, begynder andre væv at danne sig og skabe forbindelser mellem dem, f.eks. dannelse af vener og arterier, og derefter begynder de at danne en masse brusk, der omgiver ependymis som en fortsættelse af den rygmarv, der ikke er gået tabt.

På samme tid bag og sideløbende med blastemacellerne begynder muskelmasser at regenerere fra myoblaster, der stammer fra ikke-amputerede muskler, og som adskiller sig fra fibroblaster, som de deler de muskelafledte celleaggregater med. Ved affinitet mellem dem begynder 4 til 8 myoblaster at smelte sammen. De danner derefter myotuber, mens fibroblaster klumper sig sammen ved enderne af disse og danner bindevæv, kaldet myoseptum. Den sidste fase af muskelregenerationen fører til vækst og organisering af disse myotuber, hvor cellerne har smeltet deres cytoplasma sammen og danner flerkernede fibre, som samles i myotomer med samme diameter. Dette er forskelligt fra det, der sker hos padder, hvor myotuberne dannes af en enkelt myoblast og derefter bliver flerkernede. Stigningen i kerner skaber muskelvækst, da den giver mulighed for en større syntese af mRNA og dermed et større antal kontraktile proteiner, der danner nye sarkomerer i muskelfibrene.

Når den halebærende muskel er etableret, rekoloniseres vævet af nerveceller, der regenereres fra den nærliggende rygmarv og de sidste tre rygmarvsganglier, der er tættest på den regenererende hale. I sidste ende kommer disse nerver i kontakt med alle de andre celler, hvilket fører til vækst af halen, som kan være afsluttet inden for 3-6 måneder. Samtidig med at halen vokser, regenereres skællene fra halens overhud.

Fibroblastvækstfaktorer (FGF’er) 1 og 2 (henholdsvis sure og basiske) har vist sig at spille en vigtig rolle i haleregenerering ved at inducere celleproliferation og er blevet udtrykt i regenererende væv som f.eks. skæl, muskler og blodvæv, Det antages, at neuroner og rygmarven autonomt kan generere FGF’er, der stimulerer proliferationen af neuroblaster, som igen forlader disse områder og stimulerer blastemacellerne til at producere andre FGF’er, der igen aktiverer det apikale epidermislag, som igen producerer flere FGF’er, som igen vil blive ført tilbage til blastemacellerne, hvilket fører til proliferation og vækst.

Regeneration hos pattedyrRediger

Kompenserende regeneration af leveren er mulig hos pattedyr. I dette tilfælde vokser de manglende dele ikke efter, men de resterende dele bliver forstørret for at kompensere for tabet af det manglende væv. Med andre ord regenereres leveren ved proliferation af eksisterende væv, der ikke er fuldstændig dedifferentieret, idet hver celletype bevarer sin identitet, og der er ingen blastemadannelse. Et af de vigtigste proteiner i leverregenerering er hepatocytvækstfaktor (HGF), som er ansvarlig for induktion af flere embryonale proteiner.

Nogle dele af menneskekroppen, der kan regenerere sig selv, er:

• Hår
• Fingernegle
• Hud
• Hud
• Slimhinde (bukkal, fordøjelses-,…)
• Blod
• Muskler
• Knogler
• Knogler
• Lever

Regeneration i HydraEdit

Der er mange år siden, at det blev bemærket, at når en hydra blev skåret over i to dele, blev begge dele kunne regenerere de manglende dele, og selv hvis denne organisme blev skåret i små stykker (mindst et par hundrede epitelceller), ville hver af dem kunne regenerere en komplet miniaturehydra. Tidlig regeneration i Hydra sker altid i fravær af DNA-syntese, dvs. ved morfallaksi.

Regeneration hos trebåndet panterorm (Hofstenia miamia)Edit

Den trebåndede panterorm har en forreste mund, et nervesystem med en koncentration af neuroner i hovedet, muskulatur, svælg, et sensorisk dorsalt og et ventralt hanligt parringsapparat. Hofstenia viste sig let at kunne dyrkes i laboratoriekultur og producerede ca. fire embryoner pr. dyr pr. uge, i alt 100 s embryoner pr. dag i vores laboratoriekultur. Embryoerne klækkede på ∼9 dage og blev kønsmodne voksne på ∼8 uger. Dens høje reproduktionshastighed og samlede regenerative kapacitet gør den til en meget interessant model for regenerative processer.

de regenerative mekanismer hos den trebåndede panterorm giver mulighed for fuldstændig regeneration af kroppen, så to nye individer kan komme frem efter et længdesnit, der deler dyret i to halvdele.

Denne regeneration sker takket være et GRN (genreguleringsnetværk), hvor tusindvis af regenerationsgener aktiveres og moduleres af egr, som har en dobbelt pioner- og reguleringsfaktor. Det har været muligt at bestemme en regulerende kaskade af egr-runt-nrg-1 gener i Hofstenia miamia, som i de første 48 timer aktiverer hele maskineriet til at regenerere hele kroppen takket være Egr-genet.

Regeneration i zebrafisk (Danio rerio)Edit

Zebrafisk har kapacitet til at producere et stort antal afkom pr. ægklump og er nemme at holde under kunstige forhold. Embryoernes gennemsigtige farve og deres hurtige udvikling uden for moderen gør zebrafisk til en modelorganisme til at studere embryonal udvikling. Desuden anvendes zebrafisk ofte i regenerative undersøgelser på grund af deres evne til effektivt at regenerere forskellige organer, herunder finner, rygmarv, hjerte, bugspytkirtel og nethinde.

Mekanismen for regeneration i zebrafisk ligner meget den, der anvendes i padder, selv om lemmerne i de to grupper af individer er meget forskellige anatomisk set. Disse fisk viser en høj procentdel af regeneration, afhængigt af hvilken del der er amputeret.

Finnegeneration: Finnerne består af benstråler (lepidotrichia), og mellem hver stråle er der blodkar, nerver, pigmentceller og fibroblaster. Studiet af finnernes regenerering hos fisk begyndte i det 18. århundrede takket være René-Antoine Dateul de Reáumur, som observerede regenerering af et lem hos flodkrebs, og undersøgelser har vist, at disse organismer kan regenerere hele finnen, selv om 95 % af organet er blevet fjernet.

Typen af regeneration i zebrafinnen er epimorfisk, som består af fire stadier:

1. Sårlukning
2. Sårdannelse af epidermis
3. Sårdannelse af epidermis
4. Blastemdannelse
5. Blastemcelledifferentiering
6. Blastemcelledifferentiering.

Skitse af regeneration af zebrafisk. Den grønne stiplede linje angiver snitstedet, hvorefter dannelsen af sårets epidermis og blastema er vist. Endelig vises hele den regenererede finne.

I finneregenerationen kontrollerer epidermis celledifferentieringen. Efter excision sker der en hurtig F-actin-medieret sammentrækning af epitelet omkring såret. Når denne aktin-medierede lukningsproces er afsluttet, migrerer sårets epitelceller for at danne sårepidermis (sårepidermis) i dette epidermale lag af udtrykt β-catenin, hvis opgave er at opretholde intercellulære relationer og lette migrationen. Cellerne i dette epidermiske lag har en anden identitet end de omkringliggende epidermiske celler. Der er gennemført adskillige undersøgelser for at vurdere betydningen af dette epidermiske lag. Det har vist sig, at hvis dette epidermiske lag fjernes, vil regenereringsprocessen blive standset. Under dette lag begynder blastemaet at blive dannet. Der er to hypoteser om arten af denne cellemasse: Den første hypotese er, at blastemaet er dannet af en pulje af hvilende stamceller, der aktiveres, når amputationen foretages; den anden hypotese er, at blastemaet stammer fra mesenkymale celler, der undergår dedifferentiering. Den anden hypotese støttes i øjeblikket. Ifølge denne metode gennemgår blastemacellerne efter dedifferentiering yderligere differentiering for at erstatte de fjernede væv. Overgangen fra blastemastadiet til udvidelsesstadiet indebærer både morfologiske og molekylære ændringer, sidstnævnte omfatter ændringer i ekspressionen af forskellige gener i de to stadier samt ekspressionen af nye gener. Under blastemadannelsen er ekspressionen af sårfibroblastvækstfaktor (wfgf) lav, mens den er meget højere i udvidelsesfasen; wnt3a udtrykkes ikke under blastemadannelsen, men udtrykkes under udvidelsen. Blastemaet er opdelt i to zoner: distalt og proximalt. Det antages, at det er i den proximale zone, at differentieringen af mesenkymale celler finder sted, selv om det endnu ikke er klart, hvordan denne proces foregår.

Det er blevet vist, at forskellige grupper af gener, der udtrykkes under udviklingen af knoglestrukturer i zebrafiskens finner, genudtrykkes på tidspunktet for regenerering. Betydningen af fibroblastvækstfaktorer (FGF’er) er også blevet påvist, da de er involveret i signalering af blastemdannelse. F.eks. er fibroblastvækstfaktorreceptor 1 af afgørende betydning for proliferationen af mesenkymale celler og den efterfølgende blastemdannelse, og det har også vist sig, at ekspressionen af msx-familiens gener (der er involveret i hvirveldyrs udvikling af lemmer) holder de distale celler i det dannede lem udifferentieret. Regenerationshastigheden kan også påvirkes af miljømæssige faktorer, idet den ved en temperatur på 33 °C sker næsten dobbelt så hurtigt som ved en temperatur på 25 °C. Regenerering af dette organ er også afhængig af angiogenese (dannelse af blodkar)

Hjerteregeneration: Zebrafisk udviser den største evne til at regenerere hjertet, der er beskrevet hos hvirveldyr. Det er nu en meget anvendt model til at studere de molekylære mekanismer, der muliggør strukturel og funktionel genopretning af hjertemusklen.

Hjerteregenerering udviser nogle processer, der ligner dem, der præsenteres i forbindelse med finneregenerering. Det sker i den distale del af såret, og musklen gendannes fra myocytter. Eksperimenter er blevet udført ved at fjerne en del af hjertekammeret, og dette vævs reaktion på skade består af hyperplasi, hvilket med andre ord er dannelsen af nye kardiomyocytter.

I første omgang dannes der en fibrinklump på skadestedet. I modsætning til pattedyr erstattes dette fibrinlag ikke af arvæv, og der er faktisk meget lidt kollagen tilbage i såret efter en skade. Dette fibrinlag erstattes efterfølgende af ny hjertemuskel; denne proces varer i en til to måneder. For nylig har lineage tracing-eksperimenter ved hjælp af Cre-loxP-teknologi identificeret allerede eksisterende kardiomyocytter som kilde til nye kardiomyocytter i det regenererede område. Andre celletyper, der findes i hjertet, har også vist sig at være involveret i regenerering. Celler fra epikardiet (det ydre lag af hjertet) har vist sig at være ret plastiske, da de kan blive til mesenkymale celler, migrere til skadestedet og bidrage til dannelsen af hjertemuskulaturen på skadestedet samt til dannelsen af kranspulsårer. Denne migration og proliferation skyldes to gener, der udtrykkes under myokardieudviklingen (tbx18 og raldh2), og som genudtrykkes efter skadeudvikling. Fibroblastvækstfaktorer er også af afgørende betydning, som det er observeret ved regenerering af klapper. Ved regenerering af hjertevæv er FGF’er nødvendige for epikardial aktivitet under regenerering; eksperimenter har vist, at FGF’er styrer overgangen fra epikardial til mesenkymal tilstand hos cellerne og fremmer deres migration til skadestedet. Ud over FGF’er induceres produktionen af proteinet Thymosin β-4 i såret og skaber komprimering af myokardiet.

Oversigt over regenerering af zebrafiskens hjerte. 1) Udsigt over et område af ventriklen. 2) Koageldannelse, aktivering og migration af epikardiale celler, aktivering af myokardiale stamceller. 3) dannelse af fibrinlag og nyt muskelvæv. 4) Regenererede ventrikler.

Regeneration af nethinden: I modsætning til pattedyr vokser nethinden hos teleostfisk hele livet, og nethindegeneration er en egenskab, der findes hos både teleostfisk og urodeles.En af de måder, hvorpå man kan fremkalde nethindeskader hos fisk, er ved at udsætte dem for høj lysintensitet, hvilket fremkalder apoptose af både kogler og stave. Regenerationstiden varierer afhængigt af den metode, hvormed vævsdegeneration finder sted. Oprindeligt troede man, at dannelsen af nye nethindeceller var relateret til proliferation af staveforstadieceller, hvilket tydede på, at disse celler var hovedkilden til nethindens regenerative celler. Arbejder i de seneste år viser, at Müller glia-celler reagerer hurtigt på skader på nethinden ved hjælp af cellecyklusudvikling, proliferation og produktion af stamceller fra nethindens indre kernelag. Det er muligt, at proliferationen af staveprogenitorceller som f.eks. celler fra det indre retinale kernelag afhænger af graden af nethindeskade. Nogle af de gener, der udtrykkes under den embryonale udvikling af nethinden (Notch, delta, rx1 vsx2, N-cadherin), udtrykkes også under regenerering af fotoreceptorer i zebrafisk. Efter fjernelse eller degeneration af nethinden sker der en proliferation af både Müller-gliaceller i nethindens indre og ydre kernelag, og Müller-cellerne leder derefter de proliferative celler til forskellige skadesteder. Det er disse proliferative celler, der vil give anledning til nye nethindeceller, som foreslås at have stamcellepotentiale. Denne mekanisme adskiller sig fra andre former for regeneration som f.eks. epimorfisk regeneration: nethindens gliaceller gennemgår dedifferentiering og danner neurale stamceller, som senere kan regenerere fotoreceptorer. Ikke kun gliaceller er involveret i denne proces, men når disse celler eksperimentelt isoleres fra andre øjenvæv, kan ikke-neuronale celler gennemgå en reprogrammering for at danne nethinden igen. De signalmekanismer, der fremkalder cellecyklusen i gliaceller, er endnu ukendte, men på baggrund af undersøgelser i andre organismer foreslås det, at FGF2 og insulinlignende vækstfaktorer kan være involveret i en sådan signalering.