Neue Forschungsergebnisse stellen lang gehegte Überzeugungen über die Regeneration von Gliedmaßen in Frage

Ken Muneoka ist kein Unbekannter darin, das Feld der Regeneration zu stören; zum Beispiel in einer bahnbrechenden Veröffentlichung von 2019 in NaturProfessor am Texas A&M University College für Veterinärmedizin und biomedizinische Wissenschaften (CVMBS). erstmals bewiesen dass eine gemeinsame Regeneration bei Säugetieren möglich war.

Jetzt stellt sein Team erneut andere jahrhundertealte Überzeugungen über die grundlegende Wissenschaft auf diesem Gebiet in Frage, diesmal in Bezug darauf, wie Säugetiere beschädigte Körperteile regenerieren könnten.

Beim Menschen ist die natürliche Regenerationsfähigkeit auf Gewebe wie die Epidermis, die äußerste Hautschicht und einige Organe wie die Leber beschränkt.

Andere Arten, insbesondere Salamander, haben die Fähigkeit, komplexe Strukturen wie Knochen, Gelenke und sogar ganze Gliedmaßen zu regenerieren. Infolgedessen untersuchen Wissenschaftler diese Arten seit mehr als 200 Jahren, um zu versuchen, die Mechanismen hinter der Regeneration der Gliedmaßen zu verstehen, in der Hoffnung, diese Mechanismen eines Tages zu übersetzen, um eine umfassendere Regeneration beim Menschen zu induzieren.

Diese Forschung hat zu der allgemeinen Überzeugung geführt, dass der größte Schlüssel für die Regeneration der Gliedmaßen das Vorhandensein von Nerven ist.

Während dies für Salamander und andere Arten zutreffen mag, ist dies laut zwei kürzlich veröffentlichten Studien von Muneoka bei Säugetieren nicht der Fall. Die erste Studie, erschienen letztes Jahr in der Zeitschrift für Knochen- und Mineralforschung, stellten fest, dass eine mechanische Belastung (die Fähigkeit, Kraft auf oder mit einem betroffenen Bereich auszuüben) eine Voraussetzung für Säugetiere ist. Der Zweite, veröffentlicht Anfang dieses Jahres in Entwicklungsbiologiestellten fest, dass das Fehlen von Nerven die Regeneration nicht hemmt.

Zusammen stellen diese Ergebnisse eine beträchtliche Veränderung in der Denkweise darüber dar, wie Regeneration in der Humanmedizin funktionieren könnte.

„Was diese beiden Studien zeigen, widerspricht dem zwei Jahrhunderte alten Dogma, dass man Nerven braucht, um sich zu regenerieren“, sagte Muneoka. „Was es bei Säugetieren ersetzt, ist, dass man mechanische Belastung braucht, keine Nerven.“

Bedeutung der mechanischen Belastung

Wissenschaftler sind seit langem der Meinung, dass zwei Dinge in einem betroffenen Bereich vorhanden sein müssen, um bei Säugetieren eine Regeneration zu induzieren. Der erste sind Wachstumsfaktoren, das sind Moleküle, die Zellen dazu anregen können, nachzuwachsen und Teile des Körpers zu rekonstruieren.

Bei der natürlichen Regeneration werden diese Wachstumsfaktoren, die von Art zu Art und je nach zu regenerierendem Gebiet unterschiedlich sind, vom Körper produziert. Für eine vom Menschen induzierte Regeneration müssen diese Wachstumsfaktoren in das Gebiet eingebracht werden.

Der zweite Faktor, der als notwendig erachtet wurde, waren die Nerven. Dieser Glaube wurde durch viele frühere Studien zur vom Menschen verursachten Regeneration von Säugetieren an Bereichen, normalerweise Fingerspitzen, ohne Nerven, in denen auch die gesamten Gliedmaßen nicht mehr verwendbar waren, begründet.

Diese Studien hatten das vorhergesagte Ergebnis – als Wachstumsfaktoren eingeführt wurden, fand keine Regeneration statt – was zu dem Schluss führte, dass Nerven wie bei anderen Arten eine Voraussetzung für die Regeneration waren.

Aber der mechanische Belastungsaspekt wurde vernachlässigt.

In ihren Studien beschlossen Muneoka und Kollegen, einen Schritt zurückzutreten und die Frage zu stellen: „Sind es wirklich die Nerven, oder ist auch die fehlende mechanische Belastung ein Teil der Gleichung?“

Connor Dolan, ein ehemaliger Doktorand in Muneokas Labor und Erstautor beider neuer Studien (der jetzt am Walter Reed National Military Medical Center arbeitet), entwickelte eine von Astronauten inspirierte Möglichkeit, die Denervationsanforderung bei Säugetieren zu testen.

Die als Aufhängung der Hinterbeine bezeichnete Technik wird seit Jahrzehnten von der NASA und anderen Wissenschaftlern verwendet, um zu testen, wie Säugetiere auf Schwerelosigkeitsumgebungen reagieren. Ein ähnliches Verfahren wird bei medizinischen Eingriffen an den Beinen großer Tiere angewendet, um zu verhindern, dass die Tiere die betroffenen Gliedmaßen belasten.

„Dolan stellte fest, dass sie, wenn die Gliedmaßen aufgehängt waren, obwohl sie noch viele Nerven hatten und sich bewegen konnten, keinen Druck auf ihre Gliedmaßen ausüben konnten, sodass sich die Fingerspitzen nicht regenerierten“, sagte Muneoka. „Es hat die Regeneration einfach komplett gehemmt.“

Sobald die mechanische Belastung jedoch wiederkehrt, wird die Regeneration gerettet.

„Während der Suspendierung passiert absolut nichts“, sagte Muneoka. „Aber sobald die Last zurückkehrt, wird es ein paar Wochen Verzögerung geben, aber dann werden sie beginnen, sich zu regenerieren.“

Dieser erste Schritt bewies, dass, obwohl Nerven erforderlich sein könnten, die mechanische Belastung eine entscheidende Komponente für die Regeneration war.

Dolans zweite Veröffentlichung ging noch einen Schritt weiter und zeigte, dass Nerven nicht erforderlich waren, indem gezeigt wurde, dass, wenn eine Maus keine Nerven in einem ihrer Finger hat, aber in den anderen – so dass sie immer noch Kraft auf den denervierten Finger ausübt – diesen Finger wird sich noch regenerieren.

„Er stellte fest, dass sie sich etwas langsamer regenerierten, aber sie regenerierten sich ganz normal“, sagte Muneoka.

Auswirkungen der Forschung

Muneoka weist schnell darauf hin, dass ihre Studien nicht sagen, dass frühere Forschungen falsch sind, sondern nur, dass sie nicht direkt auf den Menschen zutreffen.

„Es gab eine Reihe von Studien an Salamandern, die beweisen, dass sich die Nerven nicht regenerieren, wenn man sie entfernt“, sagte Muneoka. „Forscher konnten auch Wachstumsfaktoren, von denen sie wissen, dass sie von Nerven produziert werden, in die Zellen einbringen und die Regeneration retten.

„Also brauchen Salamander wahrscheinlich Nerven, um sich zu regenerieren“, sagte er. „Aber wenn wir Gliedmaßen bei Menschen regenerieren, wird es viel mehr so ​​sein wie bei Mäusen.“

Seit er vor mehr als 20 Jahren damit begann, sich mit Regeneration zu befassen, haben sich einige Ideen von Muneoka gegen die allgemein anerkannten Theorien über Regeneration gewehrt. Er sagte, dass es fast drei Jahre gedauert habe, diese beiden Arbeiten zu veröffentlichen, weil sie ursprünglich versucht hätten, sie zusammen einzureichen.

„Viele Wissenschaftler nehmen diese Idee nicht an“, sagte er. „Die Karrieren vieler Menschen hängen wirklich von ihren Studien über Nerven und davon ab, wie sie die Regeneration beeinflussen. Für eine Studie, die herauskommt und sagt, dass es für Menschen unwahrscheinlich ist, dass Sie die Nerven brauchen, die gesamte biomedizinische Anwendung dessen, was Menschen tun Salamander und Fische gehen irgendwie aus dem Fenster.“

Die Straße hinunter schauen

Nerven, die bei Säugetieren nicht für die Regeneration benötigt werden, mögen wie ein akademischer Punkt erscheinen. Denn was hätte es für einen Sinn, ein Glied zu regenerieren, wenn die Person es nicht fühlen oder kontrollieren könnte, weil es keine Nerven hat. In diesem Sinne werden die Nerven immer noch ein wichtiger Teil des Puzzles sein.

Aus Muneokas Sicht besteht die Verschiebung darin, dass Nerven nicht mehr als Voraussetzung für Regeneration betrachtet werden, sondern dass Nerven ein Teil dessen sind, was regeneriert werden muss.

Larry Suva, Leiter der Abteilung für Veterinärphysiologie und -pharmakologie (VTPP) des CVMBS, sagt, das Problem sei, dass zuvor niemand über den Lastaspekt nachgedacht habe.

„Denken Sie an eine Explosionsverletzung, bei der ein Soldat mit einem Stumpf zurückbleibt“, sagte Suva. „Niemand hat bis zum Erscheinen dieses Papiers über eine Anforderung durch mechanische Einflüsse nachgedacht. Sie haben die Leute sehen lassen, dass sich ein denerviertes Tier nicht regeneriert, und sie denken, dass es daran liegt, dass der Nerv durchtrennt wurde, aber niemand hat die Mechanik untersucht Ladeaspekt.“

Wie die Suva es ausdrückt, ist die Wissenschaft voller Menschen, die suchen, wo das Licht am besten ist.

„Ich arbeite an Knochen, also wenn ich ein Problem sehe, schaue ich auf das Knochenproblem“, sagte er. „Menschen, die an Nerven arbeiten, sehen sich nur die Nerven an. Daher ist es sehr selten, dass jemand wie Dr. Muneoka einen Schritt zurücktritt und eine ganzheitlichere Sichtweise einnimmt.

„Das hat er zu dieser Idee, zu diesen 200 Jahre alten Daten beigetragen“, sagte Suva. „Wir müssen die Regeneration jetzt durch eine andere Brille betrachten, weil wir jetzt wissen, dass die mechanischen Einflüsse extrem wichtig sind.“

Eines der Forschungsergebnisse, die sich auf Nerven konzentrieren, ist, dass Wissenschaftler in der Lage waren, die von Nerven produzierten Wachstumsfaktoren nachzubilden, was es Forschern ermöglicht hat, die Regeneration bei Salamandern zu starten, selbst wenn die Nerven nicht vorhanden sind. Suva sagte, dass Wissenschaftler mit diesen neuen Erkenntnissen nun wissen, dass sie dasselbe mit dem Aspekt der mechanischen Belastung tun müssen, wenn sie die Regeneration bei Säugetieren starten wollen.

„Wissenschaftler konnten den Körper bereits dazu bringen, zu glauben, dass noch Nerven vorhanden sind“, sagte er. „Aber jetzt wissen sie, dass sie es auch dazu bringen müssen, zu glauben, dass es eine mechanische Belastung gibt, etwas, das noch nie zuvor gemacht wurde.“

Da Zellen unter mechanischer Belastung anders reagieren, wird diese Belastung irgendwie biochemisch in die Zelle übersetzt.

„Es gibt eine kleine Anzahl von Labors, die sich mit den biochemischen Grundlagen dafür befassen, was die mechanische Belastung einer Zelle zufügt“, sagte Muneoka. „Wenn wir dieses biochemische Signal verstehen könnten, dann könnte vielleicht die physikalische Kraft der mechanischen Belastung durch eine Art Molekülcocktail ersetzt werden, der die gleichen Signale in den Zellen erzeugt.“

Das Ende des Weges zur vollständigen menschlichen Regeneration mag noch weit in der Zukunft liegen, aber laut Suva ist diese Art von grundlegendem Umdenken ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg.

„Die Regeneration eines menschlichen Gliedes mag immer noch Science-Fiction sein, aber wir kennen einige Fakten darüber, und jetzt wissen wir, dass Sie diese mechanische Belastung zusammen mit den Wachstumsfaktoren haben müssen“, sagte er. „Das ändert, wie zukünftige Wissenschaftler und Ingenieure dieses Problem lösen werden.

„Es gibt noch eine Reihe komplexer Probleme, die gelöst werden müssen, bevor die Regeneration ganzer menschlicher Gliedmaßen möglich ist, aber die Ergebnisse von Dr. Muneoka sind ein wichtiger nächster Schritt, um sicherzustellen, dass wir die richtigen Probleme lösen.“