Eine neue Behandlung half Fröschen dabei, ihre amputierten Beine zu regenerieren – und brachte die Wissenschaft damit einen Schritt näher, auch Menschen dabei zu helfen, ihre Körperteile nachwachsen zu lassen.
Unser Körper verbindet uns mit der Welt. Wenn Menschen Teile ihres Körpers durch Krankheit oder traumatische Verletzungen verlieren, haben sie oft das Gefühl, einen Teil ihrer Persönlichkeit verloren zu haben, und empfinden sogar eine Trauer, die dem Verlust eines geliebten Menschen ähnelt . Ihr Gefühl des persönlichen Verlusts ist gerechtfertigt, weil sich erwachsenes menschliches Gewebe im Gegensatz zu Salamandern oder bissigen Comicfiguren wie Deadpool im Allgemeinen nicht regeneriert – der Verlust von Gliedmaßen ist dauerhaft und irreversibel.
Oder ist es?
Obwohl es bedeutende Fortschritte bei prothetischen und bionischen Technologien gegeben hat , um verlorene Gliedmaßen zu ersetzen, können sie noch nicht den Tastsinn wiederherstellen, das Gefühl von Phantomschmerzen minimieren oder die Fähigkeiten natürlicher Gliedmaßen erreichen. Ohne die Rekonstruktion des Gliedes selbst wird eine Person nicht in der Lage sein, die Berührung eines geliebten Menschen oder die Wärme der Sonne zu spüren.
Wir sind Forscher in der regenerativen und Entwicklungsbiologie und der biomedizinischen Technik . Unsere aktuelle Studie in der Zeitschrift Science Advances hat gezeigt, dass nur 24 Stunden einer von uns entwickelten Behandlung ausreichen, um voll funktionsfähige und berührungsempfindliche Gliedmaßen bei Fröschen zu regenerieren.
Regeneration ankurbeln
Während der sehr frühen Entwicklung ordnen sich Zellen, die schließlich zu Gliedmaßen und Organen werden, mithilfe einer Reihe von chemischen, biomechanischen und elektrischen Signalen zu präzisen anatomischen Strukturen an . Bei der Überlegung, wie Gliedmaßen regeneriert werden können, argumentierten wir, dass es viel einfacher wäre, Zellen zu bitten, das zu wiederholen, was sie bereits während der frühen Entwicklung getan haben. Also suchten wir nach Wegen, um das „Bau was auch immer hier war“-Signal für Zellen an der Stelle einer Wunde auszulösen.
Eine der größten Herausforderungen dabei ist jedoch, eine Umgebung zu schaffen, die den Körper dazu anregt, sich zu regenerieren, anstatt Narben zu bilden . Während Narben dazu beitragen, verletztes Gewebe vor weiteren Schäden zu schützen, verändern sie auch die zelluläre Umgebung auf eine Weise, die eine Regeneration verhindert.
Axolotl sind für ihre starken regenerativen Fähigkeiten bekannt.
Einige Wassertiere wie der Axolotl beherrschen die Regeneration ohne Narbenbildung. Und selbst in der frühen menschlichen Entwicklung bietet die Fruchtblase eine Umgebung, die Regenerationsmechanismen unterstützen kann. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Entwicklung einer ähnlichen Umgebung die Narbenbildung zum Zeitpunkt der Verletzung aufheben und es dem Körper ermöglichen könnte, ruhende regenerative Signale zu reaktivieren.
Um diese Idee umzusetzen, haben wir ein tragbares Gerät aus Seidenhydrogel entwickelt , um eine isolierte Kammer für die Regeneration zu schaffen, indem andere Signale blockiert werden, die den Körper dazu bringen würden, Narben zu entwickeln oder andere Prozesse zu durchlaufen. Dann luden wir das Gerät mit einem Cocktail aus fünf Medikamenten, die an der normalen Tierentwicklung und dem Gewebewachstum beteiligt sind.
Wir haben uns entschieden, das Gerät mit afrikanischen Krallenfröschen zu testen , einer Art, die häufig in der Tierforschung verwendet wird und die wie der Mensch im Erwachsenenalter keine Gliedmaßen regeneriert. Wir befestigten das Gerät für 24 Stunden an einem Beinstumpf. Wir entfernten dann das Gerät und beobachteten, wie sich die Stelle des verlorenen Gliedes im Laufe der Zeit veränderte. Im Laufe von 18 Monaten stellten wir mit Erstaunen fest, dass die Frösche in der Lage waren, ihre Beine zu regenerieren, einschließlich fingerartiger Vorsprünge mit signifikantem Nachwachsen von Nerven, Knochen und Blutgefäßen. Die Gliedmaßen reagierten auch auf leichten Druck, was bedeutet, dass sie einen wiederhergestellten Tastsinn hatten und dem Frosch erlaubten, zu seinem normalen Schwimmverhalten zurückzukehren.
Frösche, die das Gerät erhielten, aber ohne den Medikamentencocktail, hatten ein begrenztes Nachwachsen der Gliedmaßen ohne große funktionelle Wiederherstellung. Und Frösche, die nicht mit dem Gerät oder dem Medikamentencocktail behandelt wurden, wuchsen ihre Gliedmaßen nicht nach und hinterließen Stümpfe, die berührungsunempfindlich und funktionell beeinträchtigt waren.
Interessanterweise wurden die Gliedmaßen der mit dem Gerät und dem Drogencocktail behandelten Frösche nicht perfekt rekonstruiert. Zum Beispiel wurden Knochen manchmal fragmentiert. Die Unvollständigkeit des neuen Gliedes zeigt uns jedoch, dass möglicherweise andere wichtige molekulare Signale fehlen und viele Aspekte der Behandlung noch optimiert werden können. Sobald wir diese Signale identifiziert haben, könnte ihre Hinzufügung zur medikamentösen Behandlung den Verlust von Gliedmaßen in Zukunft möglicherweise vollständig rückgängig machen.
Während prothetische und bionische Gliedmaßen Amputierten helfen können, ihre Unabhängigkeit wiederzuerlangen, stellen sie die Funktion nicht vollständig wieder her.
Die Zukunft der Regenerativen Medizin
Traumatische Verletzungen sind eine der Hauptursachen für Tod und Invalidität bei Amerikanern. Und der Verlust von Gliedmaßen durch schwere Verletzungen ist die häufigste Ursache für lebenslange Behinderungen . Diese traumatischen Verletzungen werden häufig durch Autounfälle, Sportverletzungen, Nebenwirkungen von Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes und sogar Schlachtfeldverletzungen verursacht.
Die Möglichkeit, ruhende Signale zu entschlüsseln und zu wecken, die es dem Körper ermöglichen, Teile von sich selbst zu regenerieren, ist eine transformative Grenze in der medizinischen Wissenschaft. Über das Nachwachsen verlorener Gliedmaßen hinaus könnte die Regeneration von Herzgewebe nach einem Herzinfarkt oder Hirngewebe nach einem Schlaganfall das Leben verlängern und seine Qualität dramatisch verbessern. Unsere Behandlung ist noch lange nicht einsatzbereit beim Menschen, und wir wissen nur, dass sie wirkt, wenn sie unmittelbar nach einer Verletzung angewendet wird. Aber das Aufdecken und Verstehen der Signale, die es den Zellen ermöglichen, sich zu regenerieren, bedeutet, dass Patienten möglicherweise nicht darauf warten müssen, dass Wissenschaftler alle Feinheiten des Aufbaus komplexer Organe verstehen, bevor sie behandelt werden können.
Einen Menschen wieder ganz zu machen bedeutet mehr als nur sein Glied zu ersetzen. Es bedeutet auch, ihren Tastsinn und ihre Funktionsfähigkeit wiederherzustellen. Neue Ansätze in der regenerativen Medizin beginnen nun aufzuzeigen, wie das möglich sein könnte.
Geschrieben von:
- Michael Levin – Professor für Biologie, Tufts University
- David Kaplan – Professor für Biomedizinische Technik, Tufts University
- Nirosha Murugan – Assistenzprofessorin für Biologie, Algoma University
Dieser Artikel wurde zuerst in The Conversation veröffentlicht .
