U myszy dwuetapowe podanie czynników wzrostu odtwarza utracone kości amputowanego palca — niedoskonale

Pytanie Arystotelesa zadane palcowi myszy

Dlaczego salamandra potrafi odtworzyć całą amputowaną kończynę — kość, mięśnie, nerwy, skórę, wszystko — podczas gdy u myszy czy człowieka kikut po prostu się goi i proces na tym się kończy? To stare pytanie: jak zauważają autorzy pracy, zadał je już ponad dwa tysiące lat temu Arystoteles. Zwierzęta zdolne do takiej regeneracji odbudowują utraconą część z niewielkiego skupiska niewyspecjalizowanych komórek zwanego blastemą, które powstaje w ranie i odtwarza brakujące tkanki. U ssaków blastema zazwyczaj w ogóle się nie tworzy. Nasze rany zamykają się blizną.

Artykuł zatytułowany „regeneracja palców u myszy” trafia więc w sam środek jednego z najstarszych otwartych pytań biologii — a ostatnio także w środek wielkiego medialnego szumu. Internet szybko oznajmi, że ludzie za chwilę będą odtwarzać utracone palce i kończyny. Praca mówi coś węższego, dziwniejszego i ciekawszego: u myszy, w miejscu amputacji palca, które zwykle zabliźnia się bez regeneracji, dwa czynniki wzrostu podane we właściwej kolejności — najpierw FGF2, potem BMP2 — skłoniły kikut do odbudowy utraconej kości. Nie całej kończyny. Nie u ludzi. Nie idealnie. Udało się jednak sprawić, że rana, którą organizm ssaka zazwyczaj zamyka zwłóknieniem, zaczęła się regenerować — i właśnie ten wynik warto zrozumieć.

Co zrobili autorzy

Palec myszy jest jednym z nielicznych miejsc, w których ssak w ogóle coś regeneruje. Odetnij sam czubek, a odrośnie; odetnij niżej — przez drugą kość palca, paliczek P2 — i nie odrośnie. Kikut pokrywa się blizną i proces ustaje. Autorzy celowo wybrali jako model właśnie taką nieregenerującą się amputację P2 u nowo narodzonych myszy: ranę, przy której ssaki niezawodnie nie potrafią przeprowadzić regeneracji.

Podali do niej kolejno dwa białka sygnałowe. Kilka dni po amputacji, gdy rana już się zamknęła, wszczepili maleńką kulkę uwalniającą FGF2 (czynnik wzrostu fibroblastów). Pięć dni później wszczepili drugą kulkę, tym razem uwalniającą BMP2 (białko morfogenetyczne kości). Następnie przez wiele tygodni śledzili palce za pomocą mikrotomografii komputerowej i barwienia tkanek, sekwencjonowali pojedyncze komórki rany oraz użyli znakowania genetycznego, by prześledzić los poszczególnych komórek.

Co odkryli

Sam FGF2 tworzył surowiec, ale rzadko przynosił końcowy efekt. Powodował nagromadzenie w ranie masy dzielących się komórek przypominającej blastemę — skupisko napędzające prawdziwą regenerację u takich zwierząt jak salamandry — i włączał geny używane przez blastemę. Sam proces przeważnie jednak na tym się zatrzymywał: około 70% leczonych palców nie wytworzyło żadnej nowej kości, a tylko około 30% utworzyło pojedynczą kość w niewłaściwym położeniu.

FGF2, a następnie BMP2, doprowadzały proces do końca — niedoskonale. Gdy po kulce FGF2 wszczepiono kulkę BMP2, w każdym leczonym palcu wyrosła nowa kość. W większości przypadków utracony paliczek dalszy (P3) odrósł jako rozpoznawalna kość z chrząstką wzrostową u podstawy — tą samą strukturą, z której kość palca korzysta podczas rozwoju. W wielu palcach zregenerował się też mały staw: kość podobna do trzeszczki oraz ścięgno i więzadło łączące ją z kikutem. Dokładne pomiary wykazały, że odtworzone części były podobne do pierwotnych, lecz nie identyczne, a kość kikuta, choć rosła, nigdy nie osiągnęła normalnego rozmiaru. Autorzy określają wynik jako „pełny, ale niedoskonały palec” — pełny, bo każda amputowana struktura miała jakiś odpowiednik, niedoskonały, bo żadna nie była dokładną kopią.

Komórki rany rzeczywiście przeprogramowano. Sekwencjonowanie pojedynczych komórek wykazało, że FGF2 w ciągu doby przebudował fibroblasty rany, włączając geny (Hmga1, Hmga2) związane z powrotem do bardziej zarodkowego, rozwojowego stanu. Znakowanie genetyczne pokazało następnie, że zwykłe komórki kikuta zostały przeznaczone na nowo — skierowane do budowy struktur należących do bardziej dystalnej części palca niż miejsce, z którego pochodziły. Współtworzyły zarówno odrośnięty paliczek, jak i tkanki maziowe i łączne nowego stawu (mała kość podobna do trzeszczki powstała głównie z innych komórek).

Co to prawdopodobnie oznacza

Autorzy wyprowadzają dwa ostrożnie sformułowane wnioski.

Po pierwsze: ssaki nie regenerują tej części ciała nie dlatego, że brakuje właściwych komórek. W ranie obecne są komórki zdolne do regeneracji; brakuje im sygnałów, które je uruchomią. Dostarczenie sygnałów FGF i BMP we właściwej kolejności sprawia, że rana, która utworzyłaby bliznę, zamiast tego się regeneruje. Jak piszą autorzy, takie sygnały są wystarczające, by wywołać regenerację w ranie, która normalnie goi się przez zwłóknienie.

Po drugie: wywołana regeneracja przebiega dwoma torami — zależnym od blastemy, który odtwarza paliczek przez ponowne uruchomienie jego rozwoju zarodkowego (stąd chrząstka wzrostowa), oraz niezależnym od blastemy, który odbudowuje kompleks stawowy. Razem potrafią w przybliżeniu zastąpić to, co usunięto podczas amputacji.

Czego to nie dowodzi

• Badanie przeprowadzono na myszach — nowo narodzonych myszach, w modelu wybranym właśnie dlatego, że zwykle nie zachodzi w nim regeneracja. Nie wykonano tu żadnego doświadczenia na ludziach.
• Chodzi o kość palca, nie kończynę. Amputacja usuwa koniec odpowiednika jednego palca (dystalną część P2, P3 i małą trzeszczkę), a wynikiem jest odrośnięcie tych niewielkich elementów. W tej pracy nie ma „odrastania kończyn”.
• Regeneracja jest niedoskonała. Odtworzone kości są podobne do pierwotnych, lecz nie identyczne, kość kikuta nie odzyskuje pełnego rozmiaru, a sam FGF2 w większości przypadków nie działa.
• To dwie kulki z czynnikami wzrostu, podane kolejno — nie lek, surowica, krem ani pojedynczy zabieg. Czas miał znaczenie: najpierw FGF2, pięć dni później BMP2.
• Praca nie pokazuje, czy metoda działa u dorosłych lub dużych ssaków ani czy jest bezpieczna. Badano nowo narodzone myszy w ściśle kontrolowanym eksperymencie.

Jak mocne są dowody?

W granicach tego, co rzeczywiście badano, główny wynik jest solidny. W każdym palcu poddanym sekwencji FGF2→BMP2 wyrosła nowa kość, podczas gdy nie stało się to w żadnym palcu kontrolnym. Pięć niezależnych rodzajów dowodów — trójwymiarowe obrazowanie kości, barwienie tkanek, statystyka kształtu, sekwencjonowanie pojedynczych komórek i śledzenie linii komórkowych — prowadzi do tego samego wniosku.

Uczciwe ograniczenia dotyczą zakresu, a nie wiarygodności. Reakcja jest zmienna i niedoskonała, badanie wykonano na nowo narodzonych myszach, a mocne słowo „wystarczające” odnosi się do tej modelowej rany, nie do ludzi. Praca dowodzi, że można przezwyciężyć brak regeneracji u ssaka, podając właściwe sygnały do palca myszy. Nie pokazuje drogi do odrastania ludzkiej kończyny — ani nawet ludzkiego palca.

Dlaczego to ważne

Przez długi czas nie było jasne, czy ssakom brakuje komórek zdolnych do regeneracji, czy tylko nie potrafią ich wykorzystać. Ta praca stanowi konkretny argument za drugą możliwością: kompetentne komórki są obecne w ranie, a odpowiednie sygnały podane we właściwej kolejności mogą je obudzić. To naprawdę obiecująca idea — i perspektywa wymagająca cierpliwości. Od wyniku „wystarczające w palcu nowo narodzonej myszy” do czegokolwiek odczuwalnego dla człowieka wiedzie długa droga, czego autorzy wcale nie ukrywają. Wartością jest tu dowód zasady, a nie obietnica.

Czyste podsumowanie

U nowo narodzonych myszy amputacja przez drugą kość palca (P2) normalnie goi się z blizną i bez odrastania. Wszczepienie kulki z FGF2, a pięć dni później kulki z BMP2, zmieniło ten przebieg: FGF2 utworzył podobną do blastemy masę dzielących się komórek, BMP2 skłonił je do różnicowania, a w palcu odrósł utracony paliczek — wraz z rozwojową chrząstką wzrostową — oraz często mały staw, ścięgno, więzadło i trzeszczka. Odtworzone części były podobne do pierwotnych, lecz nie identyczne, a wynik pozostawał niedoskonały. Śledzenie komórek wykazało, że zwykłe komórki rany przeprogramowano i przeznaczono na nowo do budowy brakujących struktur. Wniosek: w tym przypadku brak regeneracji u ssaka wynika z braku sygnałów, a nie komórek, zaś sygnalizacja FGF + BMP wystarcza, by przezwyciężyć go w tym modelu. To dowód zasady u myszy — nie terapia dla ludzi i nie „odrastanie kończyn”.

Kontrola bez ściemy

Co pokazuje praca: U nowo narodzonych myszy sekwencyjne podanie FGF2, a następnie BMP2 do zwykle nieregenerującej się amputacji palca na poziomie P2 wywołuje odrośnięcie amputowanego paliczka dalszego (przez blastemę tworzącą chrząstkę wzrostową), a często także związanego z nim kompleksu stawowego (kości podobnej do trzeszczki, ścięgna i więzadła). Potwierdza to pięć linii dowodowych: mikrotomografia, histologia, morfometria kształtu, sekwencjonowanie pojedynczych komórek i śledzenie linii komórkowych. Wywołane struktury są podobne do pierwotnych, ale nie identyczne.

Co jest prawdopodobne, ale niedowiedzione: Że sam FGF2, przy innym czasie lub dawkowaniu, mógłby doprowadzić regenerację do końca; dokładny program rozwojowy realizowany przez komórki przeznaczone na nowo.

Czego praca nie pokazuje: Żadnego wyniku u ludzi ani u dorosłych lub dużych ssaków; odrastania całej kończyny czy całego palca; leku, surowicy lub jednoetapowej terapii; bezpieczeństwa; doskonałego ani niezawodnie pełnego efektu.

Główne ograniczenia: Nowo narodzone myszy; model kości palca, a nie kończyny; niedoskonała i zmienna reakcja (sam FGF2 przeważnie zawodzi); określenie „wystarczające” dotyczy tej rany modelowej, nie ludzi; brak danych o człowieku i dorosłych ssakach.

Jak duże zaufanie powinien mieć czytelnik? Duże do wniosku, że w tym modelu mysim sekwencja FGF2→BMP2 rzeczywiście wywołała częściową regenerację palca i że zdolne do niej komórki były obecne, lecz nie otrzymywały sygnału. Duże także do tego, że nie jest to odrastanie ludzkich kończyn ani terapia. Małe lub umiarkowane w kwestii tego, jak daleko uda się przenieść tę zasadę. Właściwa postawa: rzeczywisty, elegancki dowód zasady wyjaśniający, dlaczego ssaki nie regenerują tkanek — i bardzo daleka droga od nagłówka.