Третий путь – регенерация
Профессор, доктор биологических наук Л. Полежаев (Институт биологии развития АН СССР)
Как восстановить поврежденный орган или ткань, как вернуть им утраченную функцию? Хотя проблема эта чисто медицинская, основа ее биологическая. В настоящее время есть три пути ее решения: протезирование, пересадка (трансплантация) и регенерация.
Протезы, заменяющие утраченные руки, ноги, зубы, применяются уже давно и очень помогают людям. Но протез — все же не настоящий орган и функция его неполноценна.
Трансплантация, в наше время широко применяемая в хирургии, особенно больших успехов достигла в пересадке костей. В последние годы стали известны операции по пересадке почки и даже сердца у человека. И тем не менее, несмотря на значительные успехи, проблема трансплантации далеко не разрешена. Науке предстоит преодолеть на этом пути еще немалые трудности, главная из которых — биологическая (иммунологиче-ская) несовместимость тканей донора и нового «хозяина» — реципиента. В большинстве случаев пересаженный орган спустя некоторое время, иногда через один-два-три года после пересадки отторгается. Таким образом, цель остается не достигнутой.
Третий путь — регенерация, полное восстановление у граченных или поврежденных органов и тканен. Этот путь — в значительной степени путь будущего, но путь перспективный. Рассмотрим его детальнее.
Есть три основные формы восстановления поврежденной ткани: рубцевание, гипертрофия и регенерация. Заживают, рубцуются раны, образуется рубец или шрам, но поврежденные специфические ткани не восстанавливаются. При гипертрофии ткань, оставшаяся после частичного удаления органа, например, почки или печени, разрастается, приближаясь по величине к исходной, но прежняя форма, а главное, внутренняя структура органа не восстанавливается. Такое восстановление (более или менее полное, типичное или не совсем типичное) может дать лишь регенерация. Именно поэтому этот путь более всего и привлекает исследователей, занимающихся проблемой восстановления утраченных в результате болезни или травмы органов тела человека.
Сама мысль вырастить, например, новую руку, ногу или даже палец на месте ампутированных кажется фантастической. Но исследования последних лет и некоторые удачные опыты позволяют надеяться, что она в принципе осуществима и, может быть, не в столь уж отдалённом будущем.
Со времен Чарлза Дарвина известны основные правила регенерации: 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.
Но если природа не предусмотрела у высших организмов эту способность, то, может быть, ее можно вызвать искусственно?
Работа по этой интересной теоретически и практически чрезвычайно важной проблеме началась давно, причем в основном в Советском Союзе (хотя сейчас над ней работают многие ученые и за рубежом) и в настоящее время вылилась в особое направление — в учение о регенерации.
Как уже было сказано, у хвостатых земноводных утраченные конечности и другие органы после ампутации восстанавливаются. У пресмыкающихся (у ящерицы вновь отрастает только хвост), у птиц и млекопитающих регенерация органов не происходит. Но есть особая, промежуточная группа животных — бесхвостые амфибии (это лягушки, жабы, жерлянки), у которых конечности хорошо регенерируют в «молодости», то есть на ранних стадиях их развития, позднее они эту способность утрачивают.
В чем же состоит суть дела? Оказывается, у животных, от природы 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.
Вот эти наблюдения и натолкнули ученых на мысль попробовать искусственно разрушить ткани культи животного, не обладающего способностью к регенерации, искусственно заставить ее клетки упроститься, потерять свою специфику Может быть, тогда начнется регенерация?
Первые опыты такого рода были поставлены в нашей Лаборатории экспериментальной морфологии животных Института биологии развития АН СССР сначала на головастиках поздних стадий развития, на взрослых лягушках и, наконец, на новорожденных крысятах (за рубежом эти опыты идут также и на опоссумах). В опыте культю ампутированной конечности механически травмировали или подвергали специальному химическому воздействию, в результате чего клетки этой ткани теряли свою специфику, свою дифференцировку (впоследствии были найдены и другие способы создавать в организме животного способность к регенерации), и начиналось биологическое восстановление утраченной конечности. Подобные эксперименты проводились во многих лабораториях в нашей стране и за рубежом, и достоверность их не вызывает сомнений.
Установив закономерность воссоздания регенерационной способности
конечностей у позвоночных, можно было перейти к работе над получением регенерации
других органов и тканей у млекопитающих.
Известно, что длинные трубчатые кости в руках, ногах, пальцах после перелома хорошо восстанавливаются. Регенерация кости в данном случае происходит за счет надкостницы и идет путем так называемого эпиморфоза — ткань отрастает от краев области костного дефекта. А вот удаленный кусок черепной кости никогда не восстанавливается, даже если на месте остаются надкостница и вторая надкостница — твердая мозговая оболочка, и мозг остается незащищенным. Здесь обычно не помогает и трансплантация: пересаженная кость быстро рассасывается. Поэтому хирурги, как правило, закрывают отверстие в черепе неживыми материалами: танталом, органическим стеклом и другими. Однако это небезразлично для соседних с ними живых тканей.
Нашей лабораторией были предложены четыре новых биологических метода, которые позволили добиться полной регенерации черепной кости. Наиболее простой и эффективный из них — метод деструкции. Уже говорилось: чтобы вызвать регенерацию ткани, которая в обычных условиях не регенерирует, ее необходимо сильно разрушить. Так и в данном случае кусок костной ткани, размельченный до состояния опилок и смоченныи кровью реципиента, накладывается на твердую мозговую оболочку. После этого рану зашивают. Опилки быстро, в течение семи дней, полностью растворяются. Из них выделяются костеобразующие вещества, которые действуют на соседние клетки соединительной ткани, побуждая ее к превращению в типичную кость черепа, или, иначе говоря, индуцируют в ней костеобразование.
Регенерация здесь идет не обычным путем, когда кость отрастает от краев костного дефекта, или от надкостницы, или твердой мозговой обохочки, а путем индукции. Костные опилки являются индуктором, клетки молодой соединительной ткани — реагирующим материалом, а процесс регенерации кости идет по типу эмбриональной индукции, при которой зачаток одного развивающегося органа индуцирует образование другого. Без индуктора — костных опилок — молодая соединительная ткань превращается в рубец, под влиянием индуктора — в кость, заполняющую отверстие в черепе.
Подобный метод вызывает — пока еще в опытах на собаках — регенерацию разрушенных тканей зуба.
Эксперименты показали, что костные опилки можно помчать не только из черепных, но и из трубчатых, реберных и других костей. Мало того, эти опилки можно получать из кости другого животного и не только такого же вида (от одной собаки к другой), но даже от животного другого вида (например, кости кролика или коровы годятся для пересадки собаке).
Индуцируют регенерацию кости как свежеприготовленные костные опилки, так и консервированные, например, быстро замороженные при очень низкой температуре (минус 78° по Цельсию). Несколько слабее «работают» лиофилизированные опилки, то есть замороженные и высушенные под вакуумом.
Успешные эксперименты на собаках позволили перейти к операциям, с помощью которых удалось помочь людям. Сейчас уже прослежены отдаленные результаты операций, длительность некоторых наблюдений достигает 7—8 лет.
Цель дальнейших наших исследований — вызвать регенерацию мышечных
волокон в поврежденной мышце сердца у млекопитающих.
И биологи, и врачи знают, что различного рода травмы мышцы сердца, залечиваясь, обязательно дают рубцы, не обладающие способностью к сокращению. Кроме того, в местах повреждения сердца, особенно при инфарктах миокарда, образуются очаги мертвой некротизированной ткани, которая неблагоприятно действует на сердце и его работу. Следовательно, чем быстрее рассосется некротизированная ткань и заживет очаг повреждения миокарда, тем это лучше для здоровья человека.
В нашей лаборатории, а затем и в ряде других лабораторий было показано, что при определенных условиях можно получить регенерацию мышечных волокон сердца у крыс, кроликов и собак. При восстановлении миокарда нормализуется электрокардиограмма и ряд физиологических и биохимических показателей.
Однако проблема эта остается все еще не решенной. В тех случаях, когда сердечная мышца восстанавливается в довольно большом объеме, эффект оказывается временным: через два месяца новообразованная ткань распадается. Если и удается добиться длительного сохранения мышечных волокон, то лишь в том случае, когда объем восстановленного участка весьма невелик.
Многое в проблеме по регенерации миокарда остается неясным, поэтому возбуждает споры и требует дальнейших исследований и проверки. Но работа в этой области продолжается, и есть уже опыты, когда удается получить длительное восстановление участков сердечных мышц, даже папиллярных или сосочковых.
В ходе этих исследовании было проведено специальное изыскание веществ, стимулирующих регенерацию миокарда, и средств, тормозящих и стимулирующих развитие рубца. При этом выявились весьма интересные и важные данные. Оказалось, например, что, применяя эти средства — каждое отдельно или в определенном сочетании,— удается увеличить время сохранения регенерированных сердечных мышечных волокон и их объем. Эти же средства ускоряют рассасывание некротизированной ткани и заживление мест повреждения, иначе говоря, значительно быстрее ликвидируют последствия инфарктов миокарда и некоторых других заболеваний мышцы сердца (в течение ряда лет такие исследования мы проводили в содружестве с другими институтами). Бесспорно, дальнейшая работа в этом направлении может иметь серьезное значение для лечения инфарктов миокарда, для быстрейшего восстановления работоспособности сердца.
Наконец, нельзя не упомянуть еще об одном направлении исследовании До
сих пор многие медики и биологи убеждены в том, что нервные клетки не только у человека,
но и у любых животных ни при каких условиях не могут восстанавливаться. А это значит что
любая травма спинного или головного мозга обязательно влечет за собой неизлечимые, как
правило, нарушения в деятельности организма — это может быть частичная или полная
потеря способности двигаться, потеря речи, изменения в психике человека и т. д. Однако
за последние годы наука обогатилась принципиально новыми данными на этот счёт.
Оказалось, что удаленные в эксперименте большие участки головного мозга рыб, тритонов, аксолотлей, личинок лягушек при наличии определенных условий полностью восстанавливаются. Удалось добиться (это сделали и американские и советские исследователи) и регенерации нервных проводников поврежденного спинного мозга у крыс, кошек собак. Позже удалось получить известный положительный результат при восстановлении поврежденного спинного мозга у людей. Это открывает новый путь для лечения параличей, вызванных травмой спинного мозга.
Однако надо сразу же оговориться, что эти методы пока еще недостаточно разработаны, их применение встречается с большими трудностями. Нужны еще многочисленные опыты на животных, прежде чем метод можно будет считать отработанным.
В нашей лаборатории поставлены опыты, которые показывают возможность стимулировать деление нервных клеток в головном мозге взрослых крыс, что сопровождается изменениями в работе высшей нервной деятельности, Делаются попытки вызвать подобного рода изменения в условиях патологии — при гипоксии. Гипоксия — это недостаточность кислорода в тканях. Нервные клетки очень чувствительны к недостатку кислорода и при значительной или длительной гипоксии погибают. Наши опыты показали, что при определенных условиях опыта даже в условиях гипоксии можно стимулировать восстановительные процессы в нервной ткани мозга у крыс. Пока применяемые нами методы еще очень несовершенны. Однако мы полагаем, эти первые данные могут послужить началом для новых и весьма важных исследований в биологии и медицине.
Конечно, сегодня можно пока говорить лишь об определенном направлении исследований в области регенерации, о перспективах. Реальной возможности и выращивать у человека ампутированные руки, ноги или хотя бы пальцы пока еще нет. Также рано говорить о регенерации мышцы сердца или нервной ткани головного мозга у человека. Однако все больше данных говорит за то, что проблема восстановления поврежденных или утраченных тканей, конечностей и участков жизненно важных органов у высших животных и человека в принципе разрешима. Над ней работают, над ней надо работать, и это может привести к важнейшим результатам, значение которых трудно переоценить.
Литература
Полежаев Л. В. и др. Стимуляция регенерации мышцы сердца. «Наука», 1965.
Полежаев Л. В. Утрата и восстановление регенерационной способности органов и тканей у животных. «Наука», 1968.
Читайте в любое время
