La presenza della rigenerazione in molteplici phyla animali così come la diffusa presenza della capacità di rigenerare l’intero corpo nei lignaggi basali dei metazoi, in diversi phyla di lophotrochozoans e di deuterostomi ci porta a credere che l’antenato dei metazoi avesse una diffusa capacità di rigenerazione. La distribuzione filogenetica della rigenerazione indica anche che questa capacità è stata limitata e/o persa in eventi ripetuti.
Ci sono diverse ipotesi sul mantenimento della rigenerazione, l’ipotesi adattativa, la pleiotropia e l’inerzia filogenetica.
- Nella prima ipotesi la rigenerazione sarebbe mantenuta dalla selezione e quindi la perdita della struttura deve essere comune, la sua assenza deve avere un costo per l’organismo e il beneficio della rigenerazione deve superare il suo costo. Un esempio di questo tipo di struttura sarebbero le code di lucertole e salamandre, tuttavia nell’Idra e nei planari, due dei gruppi di animali con le maggiori capacità rigenerative, non ci sono prove di amputazioni in natura, quindi in questi casi l’ipotesi adattativa non sarebbe supportata.
- La seconda ipotesi postula che la capacità di rigenerare una particolare struttura sia fortemente legata ad un altro fenomeno come la riproduzione asessuata, la crescita, l’embriogenesi o la rigenerazione di un’altra struttura. Cladi come gli cnidari dove la rigenerazione e la crescita si basano su meccanismi simili sono candidati per lo studio del mantenimento della rigenerazione per pleiotropia.
- La terza ipotesi propone che il mantenimento della rigenerazione avvenga per ragioni storiche, cioè la rigenerazione sarebbe un carattere ancestrale che non è stato perso.
Rigenerazione nelle planarieModifica
Uno degli organismi in cui il processo di rigenerazione è stato meglio studiato sono le planarie, metazoi bilateralmente simmetrici appartenenti al phylum Platyhelminthes. È noto da diversi secoli che quando questi organismi vengono tagliati nel mezzo, la metà della testa rigenera una coda e la metà della coda rigenera una testa.
Dopo un taglio un sottile strato di epitelio copre la ferita, sia le cellule epiteliali dorsali che ventrali perdono la loro morfologia caratteristica mentre coprono la ferita. Negli animali amputati, un picco di proliferazione cellulare viene rilevato vicino al sito della ferita, portando alla produzione di un germoglio epiteliale/mesenchimale noto come blastema rigenerativo. La proliferazione cellulare osservata è limitata a una popolazione di piccole cellule altamente indifferenziate con grandi nuclei e poco citoplasma. Queste cellule sono conosciute come neoblasti.
Ci sono due ipotesi per l’origine dei neoblasti, da un lato possono nascere dalla dedifferenziazione delle cellule somatiche e dall’altro dall’autorinnovamento delle cellule staminali, l’evidenza indica che i neoblasti sono cellule staminali totipotenti.
La rigenerazione per formazione di blastema non forma tutte le strutture della planaria; è il tessuto a valle del blastema che rigenera altre strutture per rimodellamento, cioè per morfallassi. Il processo di rigenerazione nei planari è quindi il risultato di una combinazione dei due meccanismi principali, epimorfosi e morfalassi.
Rigenerazione nelle salamandreModifica
La rigenerazione degli arti nelle salamandre avviene per epimorfosi, le cellule sono in grado di ricostruire l’intero arto se necessario ma possono anche ricostruire solo le parti mancanti. Dopo l’amputazione, tra 6 e 12 ore, le cellule endodermiche coprono la ferita, questo strato conosciuto come l’epidermide della ferita prolifera formando un cappuccio ectodermico apicale. Nei giorni successivi le cellule sotto il tappo si dedifferenziano formando una massa, il blastema di rigenerazione. I geni espressi nei tessuti differenziati sono down-regolati e l’espressione dei geni associati all’arto embrionale è drammaticamente aumentata. Queste cellule continuano a proliferare e alla fine si ridifferenziano per formare le nuove strutture degli arti.
Rigenerazione nei rettiliModifica
I rettili possono rigenerare alcune parti del loro corpo, per esempio, parti dei loro arti; diversi tipi di tessuti tra cui cellule nervose; il cristallino degli occhi; le arcate mandibolari e mascellari nei coccodrilli e nelle lucertole; il carapace in alcune tartarughe. Ciò che è stato più studiato, tuttavia, è la rigenerazione della coda nelle lucertole. È noto che le lucertole rilasciano le loro code per autotomia per distrarre un predatore attaccante, per mezzo di punti di rottura preformati nei piani della coda, e una volta che la coda viene amputata, inizia la rigenerazione, ma senza raggiungere la sua struttura originale (nessuna rigenerazione ossea), nella maggior parte dei casi la rigenerazione avviene solo una volta.
Il processo di rigenerazione inizia con la migrazione delle cellule epiteliali intorno alla ferita per formare lo strato epidermico apicale (o tappo apicale), alcuni giorni dopo il blastema inizia a formarsi sotto questo strato, generando una struttura conica, come negli anfibi. Il blastema consiste in cellule mesenchimali indifferenziate che sono in mitosi e si organizzano intorno all’epiblasto (strato di cellule epiteliali) che darà origine al midollo spinale. Inizialmente le cellule del blastema iniziano a differenziarsi nella parte prossimale dell’amputazione dando origine a fibroblasti, vasi sanguigni, cellule grasse e cellule del sistema linfatico. Una volta che queste cellule sono stabilite, altri tessuti cominciano a formarsi e a generare connessioni tra loro, come la formazione di vene e arterie, e poi cominciano a formare una massa di cartilagine che circonda l’ependima come una continuazione del midollo spinale che non è stato perso.
Al tempo stesso dietro e lateralmente alle cellule del blastema, le masse muscolari cominciano a rigenerarsi da mioblasti derivati dai muscoli non amputati, che si separano dai fibroblasti, con i quali condividono gli aggregati cellulari di derivazione muscolare. Per affinità tra loro, da 4 a 8 mioblasti iniziano a fondersi. Poi si allineano e generano i miotubi, mentre i fibroblasti si raggruppano alle estremità di questi per formare il tessuto connettivo, chiamato miosetto. La fase finale della rigenerazione muscolare porta alla crescita e all’organizzazione di questi miotubi, dove le cellule hanno fuso il loro citoplasma per formare fibre multinucleate, che si raggruppano in miotomi di diametro simile. Questo è diverso da quello che succede negli anfibi dove i miotubi si formano da un singolo mioblasto e poi diventano multinucleati. L’aumento dei nuclei genera la crescita del muscolo perché permette una maggiore sintesi di mRNA e quindi un maggior numero di proteine contrattili che generano nuovi sarcomeri nelle fibre.
Una volta che il muscolo portante della coda è stabilito, il tessuto è ricolonizzato da cellule nervose che si rigenerano dal vicino midollo spinale e dagli ultimi tre gangli spinali più vicini alla coda rigenerante. Alla fine questi nervi si mettono in contatto con tutte le altre cellule portando alla crescita della coda che può essere completata entro 3-6 mesi. Allo stesso tempo, mentre la coda cresce, le squame si rigenerano dall’epidermide della coda.
I fattori di crescita dei fibroblasti (FGF) 1 e 2 (rispettivamente acido e basico) hanno dimostrato di svolgere un ruolo importante nella rigenerazione della coda inducendo la proliferazione cellulare, e sono stati espressi in tessuti rigeneranti come squame, muscoli, tessuti sanguigni, Si ritiene che i neuroni e il midollo spinale possano generare autonomamente degli FGF che stimolano la proliferazione dei neuroblasti, che a loro volta lasciano queste aree e stimolano le cellule del blastema a produrre altri FGF, che a loro volta attivano lo strato epidermico apicale, che a sua volta produce altri FGF che alimenteranno nuovamente le cellule del blastema, portando così alla proliferazione e alla crescita.
Rigenerazione nei mammiferiModifica
La rigenerazione compensatoria del fegato è possibile nei mammiferi. In questo caso le parti mancanti non ricrescono, le parti rimanenti sono ingrandite per compensare la perdita del tessuto mancante. In altre parole, il fegato si rigenera per proliferazione del tessuto esistente che non si dedifferenzia completamente, ogni tipo di cellula mantiene la sua identità e non c’è formazione di blastema. Una delle proteine più importanti nella rigenerazione del fegato è il fattore di crescita degli epatociti (HGF) che è responsabile dell’induzione di diverse proteine embrionali.
Alcune parti del corpo umano che possono autorigenerarsi sono:
- Capelli
- Unghie
- Pelle
- Mucosa (buccale, digestiva,…)
- Sangue
- Muscolo
- Ossa
- Fegato
Rigenerazione in HydraEdit
Si è notato anni fa che quando un’idra veniva tagliata a metà entrambi i pezzi potrebbe rigenerare le parti mancanti e anche se questo organismo fosse tagliato in piccoli pezzi (almeno qualche centinaio di cellule epiteliali) ognuno di questi rigenererebbe un’idra completa in miniatura. La rigenerazione precoce in Hydra avviene sempre in assenza di sintesi del DNA, cioè per morfallassi.
Rigenerazione in verme pantera a tre bande (Hofstenia miamia)Edit
Il verme pantera a tre bande ha una bocca anteriore, un sistema nervoso con una concentrazione di neuroni nella testa, muscolatura, faringe, un apparato copulatore maschile sensoriale dorsale e ventrale. Hofstenia si è dimostrata facilmente adatta alla coltura in laboratorio, producendo circa quattro embrioni per animale alla settimana, per un totale di 100 s di embrioni al giorno nella nostra coltura in laboratorio. Gli embrioni si schiudevano in ∼9 giorni e diventavano adulti sessualmente maturi in ∼8 settimane. Il suo alto tasso di riproduzione e la sua capacità rigenerativa totale lo rendono un modello molto interessante per i processi rigenerativi.
i meccanismi rigenerativi del verme pantera a tre bande permettono una rigenerazione completa del corpo, permettendo a due nuovi individui di emergere dopo un taglio longitudinale, dividendo l’animale in due metà.
questa rigenerazione avviene grazie a un GRN (gene regulatory network) dove vengono attivati migliaia di geni di rigenerazione, modulati da egr, che ha un doppio fattore pionieristico e regolatore. È stato possibile determinare una cascata di regolazione dei geni egr-runt-nrg-1 in Hofstenia miamia, che nelle prime 48 ore attiva tutti i macchinari per rigenerare l’intero corpo grazie al gene Egr.
Rigenerazione in zebrafish (Danio rerio)Edit
I zebrafish hanno la capacità di produrre un gran numero di prole per frizione di uova e sono facili da mantenere in condizioni artificiali. Il colore trasparente degli embrioni e il loro rapido sviluppo al di fuori della madre fanno del pesce zebra un organismo modello per studiare lo sviluppo embrionale. Inoltre, i pesci zebra sono frequentemente utilizzati negli studi rigenerativi grazie alla loro capacità di rigenerare efficacemente diversi organi, tra cui pinne, midollo spinale, cuore, pancreas e retina.
Il meccanismo di rigenerazione nei pesci zebra è abbastanza simile a quello degli anfibi, anche se gli arti nei due gruppi di individui sono molto diversi anatomicamente. Questi pesci mostrano un’alta percentuale di rigenerazione a seconda della parte amputata.
Rigenerazione delle pinne: Le pinne sono composte da raggi ossei (lepidotrichia), tra ogni raggio ci sono vasi sanguigni, nervi, cellule pigmentate e fibroblasti. Lo studio della rigenerazione delle pinne nei pesci iniziò nel XVIII secolo grazie a René-Antoine Dateul de Reáumur, che osservò la rigenerazione di un arto nei gamberi, e gli studi hanno dimostrato che questi organismi possono rigenerare l’intera pinna, anche se il 95% dell’organo è stato rimosso.
Il tipo di rigenerazione nella pinna di zebra è epimorfo, che consiste in quattro fasi:
- Chiusura della ferita
- Formazione dell’epidermide della ferita
- Formazione dell’epidermide della ferita
- Formazione del blastema
- Diferimento delle cellule del blastema.
Nella rigenerazione delle pinne, l’epidermide controlla lo stato di differenziazione delle cellule. Dopo l’escissione, c’è una rapida contrazione mediata dalla F-actina dell’epitelio intorno alla ferita. Quando questo processo di chiusura mediato dall’actina è completato, le cellule epiteliali della ferita migrano per formare l’epidermide della ferita (wound epidermis) in questo strato epidermico di β-catenina espressa, il cui compito è quello di mantenere le relazioni intercellulari e facilitare la migrazione. Le cellule di questo strato epidermico hanno un’identità diversa dalle cellule epidermiche circostanti. Sono stati condotti diversi studi per valutare l’importanza di questo strato epidermico. Si è scoperto che se questo strato epidermico viene rimosso, il processo di rigenerazione si ferma. Sotto questo strato inizia a formarsi il blastema. Ci sono due ipotesi sulla natura di questa massa cellulare: la prima ipotesi è che il blastema sia formato da un pool di cellule staminali dormienti che si attivano quando viene eseguita l’amputazione; la seconda ipotesi è che il blastema abbia origine da cellule mesenchimali che subiscono la dedifferenziazione. La seconda ipotesi è attualmente sostenuta. Secondo questo, dopo la de-differenziazione, le cellule del blastema subiscono un’ulteriore differenziazione per sostituire i tessuti rimossi. La transizione dallo stadio di blastema allo stadio di estensione presenta sia cambiamenti morfologici che molecolari, questi ultimi includono cambiamenti nell’espressione di diversi geni nei due stadi così come l’espressione di nuovi geni. Durante la formazione del blastema l’espressione del fattore di crescita dei fibroblasti feriti (wfgf) è bassa, mentre nella fase di estensione è molto più alta; wnt3a non è espresso durante la formazione del blastema ma è espresso durante l’estensione. Il blastema è diviso in due zone: distale e prossimale. Si presume che la zona prossimale sia dove avviene la differenziazione delle cellule mesenchimali, anche se non è ancora chiaro come avviene questo processo.
È stato dimostrato che diversi gruppi di geni espressi durante lo sviluppo delle strutture ossee nelle pinne di zebrafish sono riespressi al momento della rigenerazione. È stata anche dimostrata l’importanza dei fattori di crescita dei fibroblasti (FGF), che sono coinvolti nella segnalazione per la formazione del blastema. Per esempio, il recettore 1 del fattore di crescita dei fibroblasti è di vitale importanza per la proliferazione delle cellule mesenchimali e la successiva formazione del blastema, e l’espressione dei geni della famiglia msx (coinvolti nello sviluppo degli arti dei vertebrati) è stata anche trovata per mantenere indifferenziate le cellule distali dell’arto in formazione. Il tasso di rigenerazione può anche essere influenzato da fattori ambientali, a una temperatura di 33°C avviene quasi due volte più velocemente che a una temperatura di 25°C. La rigenerazione di quest’organo dipende anche dall’angiogenesi (formazione di vasi sanguigni)
Rigenerazione del cuore: gli zebrafidi mostrano la più grande capacità di rigenerare il cuore descritta in un vertebrato. Ora è un modello ampiamente utilizzato per studiare i meccanismi molecolari che consentono il recupero strutturale e funzionale del muscolo cardiaco.
La rigenerazione del cuore mostra alcuni processi simili a quelli presentati nella rigenerazione delle pinne. Si verifica nella parte distale della ferita e il muscolo viene ripristinato dai miociti. Sono stati fatti esperimenti rimuovendo parte del ventricolo, e la risposta di questo tessuto alla lesione consiste nell’iperplasia, che è in altre parole la creazione di nuovi cardiomiociti.
Inizialmente, un coagulo di fibrina si forma nel sito della lesione. A differenza dei mammiferi, questo strato di fibrina non è sostituito da tessuto cicatriziale, infatti rimane pochissimo collagene nella ferita dopo la lesione. Questo strato di fibrina viene successivamente sostituito da nuovo muscolo cardiaco; questo processo dura da uno a due mesi. Recentemente, gli esperimenti di lineage tracing utilizzando la tecnologia Cre-loxP hanno identificato i cardiomiociti preesistenti come fonte di nuovi cardiomiociti nell’area rigenerata. Altri tipi di cellule presenti nel cuore sono stati trovati coinvolti nella rigenerazione. Le cellule dell’epicardio (lo strato esterno del cuore) sono risultate essere abbastanza plastiche in quanto possono diventare cellule mesenchimali, migrare verso il sito della lesione e contribuire alla formazione della muscolatura cardiaca nel sito del danno, nonché alla formazione dei vasi coronari. Questa migrazione e proliferazione è causata da due geni espressi durante lo sviluppo del miocardio (tbx18 e raldh2), che sono riespressi dopo la generazione di lesioni. Anche i fattori di crescita dei fibroblasti sono di vitale importanza, come osservato nella rigenerazione dei lembi. Nella rigenerazione del tessuto cardiaco, i FGF sono necessari per l’attività epicardica durante la rigenerazione; gli esperimenti hanno dimostrato che i FGF dirigono la transizione dallo stato epicardico a quello mesenchimale delle cellule, oltre a promuovere la loro migrazione al sito della lesione. Oltre ai FGF, la produzione della proteina Timosina β-4 è indotta nella ferita e genera la compattazione miocardica.
Rigenerazione della retina: A differenza dei mammiferi, la retina dei pesci teleostei cresce durante tutta la loro vita, la rigenerazione della retina è una caratteristica presente sia nei pesci teleostei che negli urodeli.Uno dei modi per generare danni alla retina nei pesci è quello di esporli ad alte intensità di luce, inducendo così l’apoptosi sia dei coni che dei bastoncelli. Il tempo di rigenerazione varia a seconda del metodo con cui avviene la degenerazione del tessuto. Inizialmente si credeva che la generazione di nuove cellule retiniche fosse legata alla proliferazione delle cellule progenitrici dei bastoncelli, suggerendo che queste cellule fossero la fonte principale delle cellule rigenerative retiniche. Il lavoro degli ultimi anni indica che le cellule della glia di Müller rispondono rapidamente ai danni della retina attraverso la progressione del ciclo cellulare, la proliferazione e la produzione di cellule staminali dello strato nucleare interno della retina. È possibile che la proliferazione delle cellule progenitrici dell’asta come le cellule dello strato nucleare retinico interno dipenda dal grado di danno retinico. Alcuni dei geni che sono espressi durante lo sviluppo embrionale della retina (Notch, delta, rx1 vsx2, N-caderina) sono anche espressi durante la rigenerazione dei fotorecettori nel pesce zebra. Dopo la rimozione o la degenerazione della retina, c’è una proliferazione di entrambe le cellule della glia di Müller nello strato nucleare interno ed esterno della retina, e le cellule di Müller dirigono poi le cellule proliferative verso diversi siti di lesioni. Sono queste cellule proliferative che daranno origine a nuove cellule retiniche, che sono proposte per avere un potenziale di cellule staminali. Questo meccanismo è diverso da altri tipi di rigenerazione come la rigenerazione epimorfica: le cellule gliali retiniche subiscono una dedifferenziazione e formano cellule staminali neurali, che possono poi rigenerare i fotorecettori. Non solo le cellule gliali sono coinvolte in questo processo, quando queste cellule vengono isolate sperimentalmente da altri tessuti oculari, le cellule non neuronali possono subire una riprogrammazione per formare nuovamente la retina. I meccanismi di segnalazione che inducono il ciclo cellulare nelle cellule gliali non sono ancora noti, anche se sulla base di studi in altri organismi, si propone che FGF2 e fattori di crescita insulino-simili possano essere coinvolti in tale segnalazione.