Regeneratie (biologie)

De aanwezigheid van regeneratie in meerdere dierlijke fyla, alsmede de wijdverspreide aanwezigheid van het vermogen om het gehele lichaam te regenereren in basale metazoan-lijnen, in verschillende fyla van lophotrochozoën en van deuterostomaten leidt ons te geloven dat de voorouder van de metazoanen een wijdverspreid vermogen tot regeneratie had. De fylogenetische verspreiding van regeneratie wijst er ook op dat dit vermogen in herhaalde gebeurtenissen werd beperkt en/of verloren ging.

Er zijn verschillende hypothesen over de instandhouding van regeneratie, de adaptieve hypothese, pleiotropie en fylogenetische inertie.

• In de eerste hypothese zou regeneratie in stand worden gehouden door selectie en daarom moet het verlies van de structuur vaak voorkomen, moet de afwezigheid ervan een kostprijs hebben voor het organisme en moet het voordeel van regeneratie opwegen tegen de kostprijs. Een voorbeeld van een dergelijke structuur zijn de staarten van hagedissen en salamanders, maar bij Hydra’s en planariers, twee van de diergroepen met het grootste regeneratievermogen, zijn er in de natuur geen aanwijzingen voor amputaties, zodat in deze gevallen de adaptieve hypothese niet zou worden ondersteund.

• De tweede hypothese stelt dat het vermogen om een bepaalde structuur te regenereren sterk gekoppeld is aan een ander verschijnsel, zoals ongeslachtelijke voortplanting, groei, embryogenese of regeneratie van een andere structuur. Clades zoals cnidaria, waar regeneratie en groei gebaseerd zijn op vergelijkbare mechanismen, zijn kandidaten voor de studie van regeneratiebehoud door pleiotropie.

• De derde hypothese stelt dat regeneratiebehoud om historische redenen plaatsvindt, d.w.z. dat regeneratie een voorouderlijk kenmerk zou zijn dat niet verloren is gegaan.

Regeneratie bij planariaEdit

Een van de organismen waarin het proces van regeneratie het best is bestudeerd, zijn de planaria, tweezijdig symmetrische metazoanen die behoren tot het phylum Platyhelminthes. Het is al enkele eeuwen bekend dat wanneer deze organismen doormidden worden gesneden, de kophelft een staart regenereert en de staarthelft een kop.

Na een snede bedekt een dun laagje epitheel de wond, zowel de dorsale als de ventrale epitheelcellen verliezen hun karakteristieke morfologie wanneer zij de wond bedekken. Bij geamputeerde dieren wordt een piek van celproliferatie waargenomen nabij de plaats van de wond, die leidt tot de productie van een epitheliale/mesenchymale uitloper die bekend staat als een regeneratief blastema. De waargenomen celproliferatie blijft beperkt tot een populatie kleine, sterk ongedifferentieerde cellen met grote kernen en weinig cytoplasma. Deze cellen staan bekend als neoblasten.

Er zijn twee hypotheses voor de bron van neoblasten, enerzijds kunnen zij ontstaan door dedifferentiatie van somatische cellen en anderzijds door zelfvernieuwing van stamcellen, maar het bewijsmateriaal wijst erop dat neoblasten totipotente stamcellen zijn.

Regeneratie door blastemavorming vormt niet alle structuren van de planarian; het is het weefsel stroomafwaarts van de blastema dat andere structuren regenereert door remodellering, d.w.z. door morfallaxis. Het regeneratieproces bij planarians is dus het resultaat van een combinatie van de twee belangrijkste mechanismen, epimorfose en morfalaxis.

Regeneratie bij salamandersEdit

Limplantregeneratie bij salamanders gebeurt door epimorfose, de cellen zijn in staat de gehele ledemaat te reconstrueren indien nodig, maar kunnen ook alleen de ontbrekende delen reconstrueren. Na amputatie, tussen 6 en 12 uur, bedekken endodermale cellen de wond, deze laag, bekend als de wondepidermis, woekert en vormt een apicale ectodermale kap. In de loop van de volgende dagen dedifferentiëren de cellen onder de kap en vormen een massa, de regeneratie blastema. Genen die tot expressie komen in gedifferentieerde weefsels worden gedownreguleerd en de expressie van genen die geassocieerd worden met het embryonale ledemaat wordt dramatisch verhoogd. Deze cellen blijven zich vermenigvuldigen en worden uiteindelijk opnieuw gedifferentieerd om de nieuwe structuren van de ledematen te vormen.

Regeneratie bij reptielenEdit

Reptielen kunnen sommige delen van hun lichaam regenereren, bijvoorbeeld delen van hun ledematen; verschillende soorten weefsels, waaronder zenuwcellen; de lens van de ogen; de onderkaak- en bovenkaakbogen bij krokodillen en hagedissen; het schild bij sommige schildpadden. Wat echter het meest bestudeerd is, is de regeneratie van de staart bij hagedissen. Het is bekend dat hagedissen hun staart door autotomie loslaten om een aanvallend roofdier af te leiden, door middel van voorgevormde breekpunten in de staartvlakken, en zodra de staart geamputeerd is, begint de regeneratie, maar zonder de oorspronkelijke structuur te bereiken (geen botregeneratie), en in de meeste gevallen vindt de regeneratie slechts eenmaal plaats.

Het regeneratieproces begint met de migratie van epitheelcellen rond de wond om de apicale epidermale laag (of apicale kap) te vormen; enkele dagen later begint zich onder deze laag de blastema te vormen, waardoor een kegelvormige structuur ontstaat, zoals bij amfibieën. De blastema bestaat uit ongedifferentieerde mesenchymale cellen die in mitose zijn en zich organiseren rond het epiblast (epitheliale cellaag) waaruit het ruggenmerg zal ontstaan. Aanvankelijk beginnen de blastemacellen zich te differentiëren in het proximale deel van de amputatie, waaruit fibroblasten, bloedvaten, vetcellen en cellen van het lymfestelsel ontstaan. Zodra deze cellen gevestigd zijn, beginnen andere weefsels zich te vormen en verbindingen tussen hen tot stand te brengen, zoals de vorming van aders en slagaders, en beginnen dan een massa kraakbeen te vormen die de ependymis omgeeft als een voortzetting van het ruggenmerg dat niet verloren is gegaan.

Tegelijkertijd achter en lateraal van de blastemacellen beginnen spiermassa’s te regenereren uit myoblasten afkomstig van niet-geamputeerde spieren, die zich afscheiden van de fibroblasten, waarmee zij de spierafgeleide celaggregaten delen. Door onderlinge affiniteit beginnen 4 tot 8 myoblasten te fuseren. Vervolgens vormen ze een rij myotubes, terwijl fibroblasten zich aan de uiteinden hiervan groeperen om bindweefsel te vormen, myoseptum genaamd. De laatste fase van de spierregeneratie leidt tot de groei en organisatie van deze myotubes, waarbij de cellen hun cytoplasma hebben samengesmolten tot multinucleaire vezels, die zich bundelen tot myotomen met een vergelijkbare diameter. Dit verschilt van wat gebeurt bij amfibieën, waar myotubes worden gevormd uit één myoblast en vervolgens multinucleair worden. De toename van het aantal kernen genereert spiergroei, aangezien dit een verhoogde mRNA-synthese mogelijk maakt en daardoor een groter aantal contractiele proteïnen die nieuwe sarcomeren in de vezels aanmaken.

Als de staartdragende spier eenmaal is aangelegd, wordt het weefsel opnieuw gekoloniseerd door zenuwcellen die regenereren uit het nabijgelegen ruggenmerg en de laatste drie spinale ganglia die zich het dichtst bij de regenererende staart bevinden. Uiteindelijk maken deze zenuwen contact met alle andere cellen, wat leidt tot de groei van de staart, die binnen 3-6 maanden voltooid kan zijn. Tegelijkertijd, als de staart groeit, regenereren de schubben uit de opperhuid van de staart.

Fibroblast groeifactoren (FGFs) 1 en 2 (respectievelijk zuur en basisch) blijken een belangrijke rol te spelen bij de regeneratie van de staart door celproliferatie te induceren, en komen tot expressie in regenererende weefsels zoals schubben, spieren, bloedweefsels, Aangenomen wordt dat neuronen en het ruggenmerg autonoom FGF’s kunnen genereren die de proliferatie van neuroblasten stimuleren, die op hun beurt deze gebieden verlaten en de blastemacellen stimuleren om andere FGF’s te produceren, die op hun beurt de apicale epidermale laag activeren, die op zijn beurt meer FGF’s produceert die weer in de blastemacellen terechtkomen, wat leidt tot proliferatie en groei.

Regeneratie bij zoogdierenEdit

Compensatoire regeneratie van de lever is mogelijk bij zoogdieren. In dit geval groeien de ontbrekende delen niet opnieuw aan, maar worden de overblijvende delen vergroot om het verlies van het ontbrekende weefsel te compenseren. Met andere woorden, de lever regenereert door proliferatie van bestaand weefsel dat niet volledig dedifferentieert, elk celtype behoudt zijn identiteit en er is geen blastema vorming. Een van de belangrijkste eiwitten bij leverregeneratie is hepatocyte groeifactor (HGF) die verantwoordelijk is voor de inductie van verschillende embryonale eiwitten.

Enkele delen van het menselijk lichaam die zichzelf kunnen regenereren zijn:

• Haar
• Vingernagels
• Huid
• Slijmvlies (buccaal, spijsvertering,…)
• Bloed
• Spier
• Bot
• Lever

Wedergeboorte in HydraEdit

Het is jaren geleden opgevallen dat wanneer een hydra in tweeën werd gesneden beide stukken kon de ontbrekende delen regenereren en zelfs als dit organisme in kleine stukjes werd gesneden (ten minste een paar honderd epitheelcellen) zou elk van deze stukjes een complete miniatuur hydra regenereren. Vroege regeneratie bij Hydra vindt altijd plaats in afwezigheid van DNA-synthese, d.w.z. door morfallaxis.

Regeneratie bij driebandige panterworm (Hofstenia miamia)Edit

De driebandige panterworm heeft een voorste mond, een zenuwstelsel met een concentratie van neuronen in de kop, musculatuur, keelholte, een zintuiglijk dorsaal en een ventraal mannelijk copulatie-apparaat. Hofstenia bleek gemakkelijk geschikt voor laboratoriumkweek, waarbij per dier ongeveer vier embryo’s per week werden geproduceerd, in totaal 100 s embryo’s per dag in onze laboratoriumkweek. De embryo’s kwamen uit in ∼9 dagen en werden geslachtsrijp in ∼8 weken. De hoge voortplantingssnelheid en de totale regeneratieve capaciteit maken hem tot een zeer interessant model voor regeneratieve processen.

de regeneratiemechanismen van de panterworm met drie banden maken een volledige lichaamsregeneratie mogelijk, waardoor twee nieuwe individuen te voorschijn kunnen komen na een overlangse snede, waarbij het dier in twee helften wordt gesplitst.

deze regeneratie gebeurt dankzij een GRN (genenregulerend netwerk) waarin duizenden regeneratiegenen worden geactiveerd, gemoduleerd door egr, dat een dubbele voortrekkers- en regulatiefactor heeft. Bij Hofstenia miamia kon een regulerende cascade van egr-runt-nrg-1 genen worden vastgesteld, die in de eerste 48 uur alle machinerie activeert om het gehele lichaam te regenereren dankzij het Egr-gen.

Regeneratie bij zebravissen (Danio rerio)

Zebravissen hebben het vermogen om een groot aantal nakomelingen per legsel eieren te produceren en zijn gemakkelijk te houden in kunstmatige omstandigheden. De transparante kleur van de embryo’s en hun snelle ontwikkeling buiten de moeder maken de zebravis tot een modelorganisme voor de bestudering van de embryonale ontwikkeling. Bovendien worden zebravissen vaak gebruikt in regeneratieve studies vanwege hun vermogen om verschillende organen, waaronder vinnen, ruggenmerg, hart, pancreas en netvlies, efficiënt te regenereren.

Het mechanisme van regeneratie in de zebravis is vrij vergelijkbaar met dat in amfibieën, hoewel de ledematen in beide groepen individuen anatomisch zeer verschillend zijn. Deze vissen vertonen een hoog percentage regeneratie, afhankelijk van welk deel is geamputeerd.

Vinregeneratie: Vinnen zijn opgebouwd uit benige stralen (lepidotrichia), tussen elke straal bevinden zich bloedvaten, zenuwen, gepigmenteerde cellen en fibroblasten. De studie van de regeneratie van de vinnen bij vissen is begonnen in de 18e eeuw dankzij René-Antoine Dateul de Reáumur, die de regeneratie van een ledemaat bij rivierkreeften heeft waargenomen, en studies hebben aangetoond dat deze organismen de volledige vin kunnen regenereren, zelfs als 95% van het orgaan is verwijderd.

Het type regeneratie in de zebravin is epimorf, dat uit vier stadia bestaat:

1. Wondsluiting
2. Wondepidermisvorming
3. Wondepidermisvorming
4. Blastema vorming
5. Blastema celdifferentiatie.

Schets van zebravis regeneratie. De groene stippellijn geeft de plaats van de snede aan, daarna wordt de vorming van de wondepidermis en blastema getoond. Tenslotte wordt de gehele geregenereerde vin getoond.

In de regeneratie van de vin controleert de epidermis de staat van celdifferentiatie. Na excisie is er een snelle F-actine-gemedieerde samentrekking van het epitheel rond de wond. Wanneer dit actine-gemedieerde sluitingsproces is voltooid, migreren de epitheelcellen van de wond om de wondepidermis (wondepidermis) te vormen in deze epidermale laag met tot expressie gebracht β-catenine, dat tot taak heeft de intercellulaire relaties in stand te houden en de migratie te vergemakkelijken. De cellen van deze epidermale laag hebben een andere identiteit dan de omliggende epidermale cellen. Er zijn verschillende studies uitgevoerd om het belang van deze epidermale laag te beoordelen. Het is gebleken dat als deze epidermale laag wordt verwijderd, het regeneratieproces tot stilstand komt. Onder deze laag begint zich de blastema te vormen. Er bestaan twee hypothesen over de aard van deze celmassa: de eerste hypothese is dat de blastema gevormd wordt uit een poel van slapende stamcellen die geactiveerd worden wanneer de amputatie wordt uitgevoerd; de tweede hypothese is dat de blastema afkomstig is van mesenchymale cellen die dedifferentiatie ondergaan. De tweede hypothese wordt momenteel gesteund. Volgens het bovenstaande ondergaan de blastema-cellen na dedifferentiatie verdere differentiatie om de verwijderde weefsels te vervangen. De overgang van het blastemastadium naar het uitbreidingsstadium brengt zowel morfologische als moleculaire veranderingen met zich mee; deze laatste omvatten veranderingen in de expressie van verschillende genen in de twee stadia, alsook de expressie van nieuwe genen. Tijdens de vorming van blastema is de expressie van wondfibroblastgroeifactor (wfgf) laag, terwijl die in de uitbreidingsfase veel hoger is; wnt3a komt niet tot expressie tijdens de vorming van blastema, maar wel tijdens de uitbreiding. De blastema is verdeeld in twee zones: distaal en proximaal. Aangenomen wordt dat de proximale zone de plaats is waar de differentiatie van mesenchymale cellen plaatsvindt, hoewel nog niet duidelijk is hoe dit proces verloopt.

Het is aangetoond dat verschillende groepen genen die tot expressie komen tijdens de ontwikkeling van botstructuren in zebravisvinnen, opnieuw tot expressie komen op het moment van regeneratie. Het belang van fibroblast-groeifactoren (FGF’s) is ook aangetoond, aangezien zij betrokken zijn bij de signalering voor blastemavorming. Zo is bijvoorbeeld receptor 1 van de fibroblastgroeifactor van vitaal belang voor de proliferatie van mesenchymale cellen en de daaropvolgende vorming van blastema, en is ook gebleken dat de expressie van genen uit de msx-familie (betrokken bij de ontwikkeling van gewervelde ledematen) de distale cellen van het vormende ledemaat ongedifferentieerd houdt. De snelheid van de regeneratie kan ook worden beïnvloed door omgevingsfactoren: bij een temperatuur van 33°C verloopt de regeneratie bijna twee keer zo snel als bij 25°C. De regeneratie van dit orgaan is ook afhankelijk van angiogenese (vorming van bloedvaten)

Hartregeneratie: De zebravis vertoont het grootste vermogen tot regeneratie van het hart dat bij een gewerveld dier is beschreven. Het is nu een veel gebruikt model om de moleculaire mechanismen te bestuderen die structureel en functioneel herstel van de hartspier mogelijk maken.

De regeneratie van het hart vertoont enkele processen die lijken op die van de regeneratie van de vinnen. Het gebeurt in het distale deel van de wond en de spier wordt hersteld uit myocyten. Er zijn experimenten uitgevoerd door een deel van de hartkamer weg te nemen, en de reactie van dit weefsel op het letsel bestaat uit hyperplasie, dat wil zeggen de aanmaak van nieuwe cardiomyocyten.

In eerste instantie vormt zich een fibrinestolsel op de plaats van het letsel. Anders dan bij zoogdieren wordt deze fibrinelaag niet vervangen door littekenweefsel, in feite blijft er na verwonding zeer weinig collageen in de wond achter. Deze fibrinelaag wordt vervolgens vervangen door nieuwe hartspier; dit proces duurt één tot twee maanden. Onlangs hebben lineage tracing experimenten met behulp van Cre-loxP technologie reeds bestaande cardiomyocyten geïdentificeerd als de bron van nieuwe cardiomyocyten in het geregenereerde gebied. Ook andere celtypes die in het hart aanwezig zijn, blijken bij de regeneratie betrokken te zijn. Cellen van het epicardium (de buitenste laag van het hart) blijken zeer plastisch te zijn, aangezien zij mesenchymcellen kunnen worden, naar de plaats van het letsel kunnen migreren en kunnen bijdragen tot de vorming van hartspierweefsel op de plaats van het letsel, alsook tot de vorming van kransslagaders. Deze migratie en proliferatie wordt veroorzaakt door twee genen die tot expressie komen tijdens de myocardiale ontwikkeling (tbx18 en raldh2) en die opnieuw tot expressie komen na het ontstaan van letsel. Fibroblast-groeifactoren zijn ook van vitaal belang, zoals bij flapregeneratie is geconstateerd. Bij de regeneratie van hartweefsel zijn FGF’s noodzakelijk voor de epicardiale activiteit tijdens de regeneratie; experimenten hebben aangetoond dat FGF’s de overgang van de epicardiale naar de mesenchymale toestand van de cellen sturen, en hun migratie naar de plaats van het letsel bevorderen. Naast FGF’s wordt de productie van het eiwit Thymosine β-4 geïnduceerd in de wond en genereert het myocardiale verdichting.

Overzicht van zebravis hartregeneratie. 1) Aanzicht van een deel van het ventrikel. 2) Klontervorming, activering en migratie van epicardiale cellen, activering van myocardiale stamcellen. 3) Fibrinelaagvorming en nieuw spierweefsel. 4) Geregenereerd ventrikel.

Regeneratie van netvlies: in tegenstelling tot zoogdieren groeit het netvlies van teleostvissen gedurende hun hele leven, netvliesregeneratie is een kenmerk dat zowel bij teleostvissen als bij urodeles voorkomt.Eén van de manieren om netvliesbeschadiging bij vissen op te wekken is door ze bloot te stellen aan hoge lichtintensiteiten, waardoor apoptose van zowel kegeltjes als staafjes wordt geïnduceerd. De regeneratietijd varieert naar gelang van de methode waarbij de degeneratie van het weefsel optreedt. Aanvankelijk werd aangenomen dat de aanmaak van nieuwe netvliescellen verband hield met de proliferatie van staafprogenitorcellen, wat suggereerde dat deze cellen de voornaamste bron waren van netvliesregeneratieve cellen. Uit het werk van de laatste jaren blijkt dat Müller gliacellen snel reageren op netvliesbeschadiging via celcyclusprogressie, proliferatie en productie van stamcellen uit de binnenste kernlaag van het netvlies. Het is mogelijk dat de proliferatie van staafprogenitorcellen, zoals cellen van de binnenste netvlieskernlaag, afhankelijk is van de mate van netvliesbeschadiging. Sommige van de genen die tot expressie komen tijdens de embryonale netvliesontwikkeling (Notch, delta, rx1 vsx2, N-cadherine) komen ook tot expressie tijdens de regeneratie van de fotoreceptor in de zebravis. Na verwijdering of degeneratie van het netvlies is er een proliferatie van zowel Müller gliacellen in de binnenste als buitenste kernlaag van het netvlies, en de Müller cellen leiden vervolgens de proliferatieve cellen naar verschillende plaatsen van het letsel. Het zijn deze proliferatieve cellen die aanleiding zullen geven tot nieuwe netvliescellen, waarvan wordt verondersteld dat zij stamcelpotentieel hebben. Dit mechanisme verschilt van andere vormen van regeneratie, zoals epimorfe regeneratie: netvliesgliacellen ondergaan dedifferentiatie en vormen neurale stamcellen, die later fotoreceptoren kunnen regenereren. Niet alleen gliacellen zijn bij dit proces betrokken, wanneer deze cellen experimenteel worden geïsoleerd uit andere oogweefsels, kunnen niet-neuronale cellen een herprogrammering ondergaan om opnieuw netvlies te vormen. De signaalmechanismen die de celcyclus in gliacellen induceren zijn nog niet bekend, hoewel op basis van studies in andere organismen wordt gesuggereerd dat FGF2 en insuline-achtige groeifactoren bij een dergelijke signalering betrokken kunnen zijn.