Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció állatmodellekben Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011 Dr. Balogh Péter és Dr. Engelmann Péter Transzdifferenciáció és regeneratív medicina – 3. előadás Regeneráció állatmodellekben

Regeneráció A regenerálódás olyan morfogenetikai események összessége, mely során a részlegesen vagy teljesen elvesztett szerv helyreállítása megtörténik. Különböző szinteken van jelen a növényekben, a gerinctelenekben és a gerincesekben.

A soksejtű szervezetek regenerációs típusai Fiziológiai regeneráció Reparatív regeneráció Szövetsérülés vagy vesztés Hipertrófia Morphallaxis

Az őssejtek evolúciója Az ősi ostoros egysejtűekből egy sejttömeg jön létre. A felületen lévő sejtek osztódó és nem osztódó sejtekké alakulnak át, melyeket unipotens őssejteknek és normál testi sejteknek nevezhetünk. A soksejtűség kialakulásával megnőtt az igény olyan migráló őssejtekre, melyek képesek átvenni a szervezet belsejében található sejtek szerepét.

Regeneráció a szivacsokban (Porifera) A szivacsok egyik sejtpopulációja az archeociták, aktív őssejtek. Az archeociták számos különböző sejttípussá differenciálódhatnak és önmegújhodásra is képesek. Az archeocitákból képződnek a choanociták (légző és emésztő funkció) és a sclerociták (természetes immunsejtek). Az archeociták oocitákat, a choanociták spermiumot hoznak létre. Különleges esetben a choanociták átalakulhatnak transzdifferenciációval archaeocitákká.

Őssejtvonalak a Hydra-ban A hidra testfalának epiteliális sejtjei állandóan mitotikusan osztódnak, továbbá mind ektodermális és endodermális epitél sejtcsoportok léteznek. Ezt a két epitél sejtcsoportot őssejtek hozzák létre. A hidra epitél sejtjei képesek sikeres osztódások során önmegújhodásra és más specializált sejttípusok létrehozására (láb/tapogatók sejtjei). Emellett egy interstitiális őssejt-réteg is képződik.

Regenerálódás a Hydra-ban Kísérletesen szétszedett hidrák képesek újra aggregálódni 48 órán belül. A különböző egyedek nem növelik meg a testméretüket, mivel a növekedés csak az elvesztett szövetek pótlására szolgál a gyomor és a tapogatók területén.

A Hydra őssejtek molekuláris faktorai Notch jelátvitel Wnt jelátvitel BMP molekulák JAK/STAT Emlős őssejt génhomológok (Sox2+, Nanog, Oct3/4??)

Regeneráció a laposférgekben I. A laposférgek édesvízi tavakban és forrásokban található kétoldali szimmetriájú állatok. A laposférgek igen nagy regenerációs képességgel rendelkeznek, hogy sérült, elvesztett régióikat pótolják. A planáriák regenerációja az un morphallaxis. A morphallaxis során a sejtosztódás, regeneráció a sérült szövettől távolabb történik.

Regeneráció a laposférgekben II. Neoblasztok A planáriák kétoldali regenerációját a neoblasztok irányítják. A planária sejtjeinek mintegy 30%-a neoblaszt. Neoblasztokat találhatunk a belső mezenhimális régióban, kivéve a garati szakaszt. A neoblasztok mitózissal osztódnak, és önmegújításra képesek. Ezek az egyedüli osztódó sejtek a laposférgekben. Ha a egy planária megsérül, akkor a sérülés helyére a neoblasztok bevándorolnak és osztódni kezdenek. A neoblasztok bármilyen sejttípus létrehozására képesek (idegsejtek, reproduktív sejtek).

A neoblasztok molekuláris mintázata Nanos RNS Piwi RNS Piwi alcsalád - Argonaute fehérjék miRNS Wnt jelátvitel Shh jelátvitel FGF jelátvitel

Az axonok regenerációs képessége C. elegans-ban Sérülés után számos állatban, kivéve az emlősöket, az axonok regenerálódhatnak. Ha lézeres sebészeti sérülést okozunk a C. elegans idegrendszerében, mintegy 4-5 óra elteltével az axon regeneráció jelei mutatkoznak és 6-10 óra elteltével megjelenik a növekedési kúp is. DLK-1 jelátvitel vesz részt ebben a regenerációs folyamatban.

A gyűrűsférgek regenerációja Évtizedek óta ismert az, hogy a gyűrűsférgek képesek a sérült / elvesztett testrészüket pótolni, regeneráció révén. A regeneráció molekuláris háttere részleteiben nem ismert. A sérülés bekövetkezte után 6-10 óra elteltével neoblaszt sejtek jelennek meg a sérülés helyén és pótolják a károsodott szöveteket. További érdekesség, hogy az epitél sejtek idegsejtekké történő transzdifferenciációja is megfigyelhető volt a sérült szövetekben.

Regeneráció a rovarokban Néhány rovar képes arra, hogy pótolja elvesztett végtagjait, illetve egyéb járulékos szerveit. Más rovarfajokban, mint pl. a Drosophila, a felnőtt egyedek nem képesek regenerációra, de lárvaállapotban figyelemreméltó regenerációs kapacitással rendelkeznek az imaginális diszkuszok. A rovarok regenerációjában számos faktor vesz részt: decapentaplagic (dpp), wingless (wg) molekulák, stb.

Regeneráció és kolónia fúzió az előgerinchúrosokban Az előgerinchúrosok (korai fejlődési stádiumban) közös fejlődési vonalat képviselnek a gerincesekkel. Ezek a telepes soksejtűek őssejtjeik révén képesek regenerálódásra. A kolónia képződés a saját / nem saját szövetfelismerésen, melyet egy polimorf gén (Fu/HC) mediál illetve a kolóniák közötti ivari és a testi sejtek recirkulációján alapul.

Regeneráció a gerincesekben A regenerációnak alapvetően két típusa van: Epimorfózis vagy epimorfikus regeneráció: Ezen regenerálódás során az elvesztett testrész, a blasztémák helyi osztódása során pótlódik és adódik hozzá a megmaradt régióhoz. Például: a kétéltűek és más gerincesek farok, végtag és szemlencse regenerációja. Morphallaxis or morphallaktikus regeneráció: Ez a típus a megmaradt testrész újraszerveződését jelenti, majd az elvesztett testrész pótlása történik meg. Például: a hidra, planária és más gerinctelen fajok regenerálódása.

Regeneráció a halakban I. Az uszony regenerálódása 4 fő szakaszra bontható: Sebgyógyulás/záródás 3 óra elteltével Blasztéma képződés 1 napon belül Regenerációs növekedés, mely differenciálódásba vezet 2 nap után Blasztéma mintázatképződés

Regeneráció a halakban II. Heterogén sejttársaság A haluszony regenerálódása során az epidermisz különböző blasztéma kompartmentumokat alakít ki: Disztális Proximális Laterális

Regeneráció a halakban III Molekuláris mintázatok Shh Wnt FGF Aktivin b A C-Jun, JunB

Epimorfózis vagy epimorfotikus regeneráció A farok regenerációja kétéltűekben és hüllőkben: Kétéltűek: A farokban a gerinc helyett egy szegmentálatlan porcos cső van jelen, ez tartalmazza a regenerálódott gerinchúrt ami a centrális csatorna ependimájából képződik. Először a sérült epitélium alatt viszonylag kevés sejt jelenik meg. A regenerálódás sejtes összetétele az ependima sejtjeiből és többféle kötőszöveti (dermisz, izom, zsírszövet, a gerinc oszteocita) sejtből származik. A nem idegi elemek osztódnak, létrehozzák az izmot és a porcos csövet, majd az ependima osztódik és dorzális irányban meghosszabbodik. Hüllők: Hasonlóan a kétéltűekhez a gyíkok regenerálódó farka egy tulajdonképpeni szegmentálatlan porcos cső , ami tartalmazza a regenerálódott gerinchúrt ami a centrális csatorna ependimájából képződik.

Regenerációs hasonlóságok PD deléció PD duplikáció 1 2 3 4 5 5 1 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 Kétéltűek 2 3 4 5 Beékelődés Transzplantáció Transzplantáció Nincs beékelődés 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 4 Rovarok 2 3 4 5 3 2 4 5 Beékelődés Beékelődés Transzplantáció Transzplantáció

Regenerációs bevésődés Amputáció Génexpresszió Memorizált Újonnan képződött On On On Aktiváció Inaktiváció Off Nincs expresszió M On Off Off M Off Off M Off A11 On Off A11 On Off A11 Off A13 On A13 On A13 On

A végtag regenerációja A regeneráció 3 stádiumra osztható: Sebgyógyulás vagy preblasztéma stádium: Véralvadás történik ill. az epidermisz bazális régiójából sejtek vándorolnak be a sérült szövet közepébe. A seb epitéliummal borított lesz ami vastagabb, mint a tulajdonképpeni végtagi epidermisz . 2. Blasztéma létrehozása : A sejtek az epitél burok mögött felszaporodnak és létrehozzák a blasztémát. A mezenhimális - blasztemális sejtek myoblasztokat, izomsejteket, korai porcsejteket majd porcot hoznak létre. A dedifferenciációs fázis alatt a csonk disztális részén a blasztéma képzés közben a hyaluronát (HA) szint megemelkedik. Ahogy a blasztéma tovább fejlődik, a HA szint lecsökken. A kollagén lebontása és a HA csökkenése jellemzi a vándorlás megindítását a sérült szövetből. 3. Dedifferenciációs és morfogenetikus fázis: A blasztéma helyrehozza a végtag hiányzó részét. Specifikusan, ha az alkari régió sérült, akkor a blasztéma alkar izommá, csonttá, porccá és bőrré alakul.

A kétéltűek szemlencséjének regenerálódása Miután a lencse sérült vagy eltávolításra került, a szivárványhártya dorzális része megvastagodik és egy hasíték jelenik meg a külső és belső íriszlamellák között. Amőboid sejtek vándorolnak be a hasítékba, megemelkedik az RNS és DNS szintézis ill. a mitotikus sejtosztódás. A dorzális régió pigment sejtjeit bekebelezik a bevándorló amőboid sejtek. A létrehozott nem pigmentált kubikális sejtek egy epitél alapú üreges hólyagot hoznak létre, ami kiterjed a belső és külső lamellákra. A hólyag belső fala meghosszabbodik az üreg felé és létrehozza az elsődleges lencserost sejteket. A lencse specifikus crytallin fehérje termelődni kezd. Az elsődleges lencserostok a hólyag elülső felébe kerülnek, ahol középső magot formáznak a lencse epitélium mögött, mely létrehozza a másodlagos lencserostokat. A másodlagos lencserostok körbeveszik az elsődleges rostokat. A közbülső részen a magi lencserostok degenerálódnak.

Az idegi őssejtek differenciálódási kapacitása in vitro Neurogenezis Gliogenezis Noggin Low-RA FGF-2 FGF-2 Passzázs (6 nap) iPS sejtek ES sejtek Embrioid testecske Primér neuroszféra Másodlagos neuroszféra Blasztociszta Differenciáció Differenciáció Testi sejtek Neuron Neuron Asztrocita Oligodendrocita in vivo Neurogenezis Gliogenezis Blasztociszta Embrió Újszülött Felnőtt Korai neurogenezis Projektáló neuron Cholinerg neuron Dopaminerg neuron Motor neuron Késői neurogenezi s Interneuron GABAerg neuron

A gerincesek regenerációját befolyásoló faktorok Állat testmérete Idegrendszer Hipofízis A-vitamin és származékai Inzulin

Összefoglalás Minden élő organizmus képes valamilyen szintű regenerációra szövetsérülés után. Az evolúció korai fokán az állatok képesek a teljes szervezetet regenerálni, fejlettebb evolúciós stádiumokban ez a regenerációs képesség csak bizonyos szövetekre jellemző. Neoblasztok, hemoblasztok, progenitor alakok és őssejtek vesznek részt ebben a folyamatban.