какой орган восстанавливается у человека сам
Глаза — за неделю, печень — за полгода: с какой скоростью обновляются наши органы
В организме человека каждую секунду самовосстанавливается 3,8 миллиона клеток, а за сутки происходит регенерация более 330 миллиардов клеток. Некоторые органы способны «восставать из пепла» за три месяца.
Все клетки организма проходят свой жизненный цикл, который может длиться несколько часов, дней или лет. И каждый тип клетки имеет определенный «срок службы» и специфическую функцию. Способность организма самовосстанавливаться, обновляться, приравнивается к самовыздоровлению, самозащите и самоисцелению, говорят врачи.
Так какие же органы способны обновляться и какие условия для этого необходимы? С этим вопросом «Доктор Питер» пошел к эксперту.
Светлана Мартынова
медицина
врач терапевт-кардиолог-гериатр Федерального научно-клинического центра ФМБА России, руководитель центра персонифицированной медицины
— Многим известно, что способны регенерироваться гепатоциты (клетки печени). Обновление гепатоцитов происходит приблизительно каждые 150-500 дней, — поясняет врач-терапевт ФМБА Светлана Мартынова. — При этом, если у человека останется около 30% печени, то этот орган сможет самостоятельно восстановиться до прежних размеров за 3-4 месяца, — поясняет врач. — Благодаря этому удивительному свойству печени при трансплантации один орган может быть разделен между несколькими реципиентами.
Умеют обновляться и клетки эпителия желудка и кишечника. Они самовосстанавливаются каждые 3-5 дней. Скорость регенерации обусловлена агрессивной кислой и щелочной средами, воздействующими на слизистые этих органов.
Клетки легких заменяются на новые каждые 5-20 дней, а клетки роговицы глаза — каждую неделю.
— Способна регенерироваться в том числе и костная ткань, в ее состав входят остеокласты — элементы, отвечающие за обновление, — говорит Светлана Мартынова. — Благодаря остеокластам кости восстанавливаются после трещин и переломов. С возрастом процессы регенерации замедляются, именно поэтому у пожилых людей хуже срастаются переломы.
Клетки кожи также способны быстро регенерироваться, можно сказать, что клетки наружного слоя эпидермиса обновляются беспрерывно, и именно поэтому неглубокие порезы и раны заживают за несколько дней.
— Ранее считалось, что нервная система не восстанавливается, — напоминает врач. — Однако медицина на месте не стоит и ученые выяснили, что нейрогенез все-таки существует. Нейроны обонятельных центров мозга обновляются каждые 40 дней. Вкусовые клетки регенерируют примерно каждые 10 дней.
Какие органы могут восстановиться сами
Одним из важнейших свойств живых организмов является способность к регенерации – восстановлению поврежденных тканей, органов и их функций. В качестве наиболее показательного примера обычно приводят отрастание потерянного при бегстве от врага хвоста у ящериц. На что обычно большинство людей задумываются – почему такой важной функции нет у людей? Как было бы хорошо – потерял там после травмы ногу, или какой-то орган стал барахлить после болезни. А тут регенерация – взяло все, да и самостоятельно отросло. Ни тебе протезов не надо, ни трансплантации органов, взятых у доноров, ни органов искусственных.
На самом деле регенерация также присуща человеку, как и любым другим творениям природы. Пусть она не столь показательна в большинстве случаев, в сравнении с теми же ящерицами – но она все равно есть. Просто ее обычно не замечают – как воздух, которым дышат.
Возьмем, например, кожу – защищающую наши внутренности от холода, жары, других отрицательных факторов внешней среды. Там же непрерывно происходит процесс омертвления клеток наружного ее слоя (эпидермиса), их отторжения (для этого, собственно, и надо почаще мыться) – и заменой их клетками новыми. Ну сколько можно ходить в обуви на самой качественной подошве? Между тем, наши подошвы, даже если ими ходят босиком только в квартире и на пляже, служат нам всю жизнь.
Кожа способна бесследно переносить и более серьезные повреждения. Например, при небольших царапинах, ожогах и обморожениях первой-второй степеней, без поражения «сосочкового» слоя, где находится основная масса стволовых клеток, обеспечивающих рост этой ткани, кожа за небольшой промежуток времени восстанавливается в первоначальное состояние без всякого косметического дефекта. И даже при повреждении сосочкового слоя образуется всего лишь рубец из соединительной ткани – но, как минимум, не кровоточащая пожизненная язва. Сходным образом обстоит дело с регенерацией слизистых оболочек желудка и кишечника, носа, других дыхательных путей.
Кости регенерируют хорошо, но долго
Довольно неплохо обстоят дела и с регенерацией костей – при их переломах. Если сопоставить поврежденные отломки, обеспечив им покой (обычно с помощью шины или гипсовой повязки, для мелких косточек достаточно и обычного лейкопластыря) – то спустя несколько недель или месяцев на этом месте возникнет «костная мозоль». Которая спустя год организуется в полноценную кость – с каналом, наполняющимся костным мозгом, проходящими через нее сосудами, надкостницей и т.д.
Еще в литературе описаны случаи восстановления соска груди у кормящих детей женщин – последние, при длительных сроках вскармливания и прорезывании зубок, иногда эти соски откусывают.
Печень восстанавливается, как в сказке
Перейдем теперь к регенерации внутренних органов. Чемпионом по этому показателю, безусловно, является печень. Давняя легенда о титане Прометее, которому орел царя богов Зевса в наказание ежедневно выклевывал печень – а она за ночь отрастала вновь, не полный вымысел. Действительно, в случае, когда человеку удаляют значительную часть этого органа, до 85%, например, после обильного кровотечения в результате драки или ДТП – он полностью вырастает до прежних размеров в течение нескольких недель.
В 80-е годы прошлого века встречались сообщения о новаторских методах хирургического лечения цирроза печени – когда происходит замена нормальной структуры этой железы соединительной тканью, с потерей жизненно важных функций. Суть метода заключалась в том, что доктор просто вырезал большую часть больного органа – оставляя в теле лишь наиболее здоровую его часть – из которой, как Феникс из пепла, вырастала более-менее сносная печень. Увы, широкого распространения эта методика не получила – видимо, из-за того, что при далеко зашедшей печеночной патологии найти там сколь-нибудь здоровую дольку весьма затруднительно.
Зато уникальными регенеративными свойствами печени заинтересовались врачи-трансплантологи. Ведь этот орган, взятый у «свежего» трупа, можно пересаживать по частям сразу нескольким пациентам! Да и любой человек тоже может стать донором – пожертвовав куском своей печени для спасения чужой жизни. Что особенно актуально, если в помощи нуждается родственник – в таких случаях иммунный ответ организма на чужеродный орган минимален – и шансы на то, что он не будет отторгнут, значительно возрастают.
Почки восстанавливаются плохо, но имеют большой «запас»
Другие важные части человеческого организма, почки, увы, способностью к регенерации по образцу печени не обладают. Зато они имеют колоссальный «запас прочности». То есть справляются с работой по очистке организма от «шлаков», если в них работает хотя бы 15% клеток (нефронов). Это – в обоих почках, в одной необходимо 30%.
Впрочем, и снижение этого предела еще не угрожает жизни – поскольку в этом случае возникает всего лишь первая, относительно неопасная степень хронической почечной недостаточности (ХПН). 4-я, несовместимая с жизнью (без пересадки донорской почки или периодического подключения к гемодиализу, почке искусственной) степень возникает тогда, когда в обоих почках сохраняется менее 5% нефронов – то есть всего 1/20 часть.
Нервные и сердечные клетки восстанавливаются плохо
Вопреки расхожей поговорке, восстанавливаются даже нервные клетки. Правда, очень долго – до 4 лет. То есть, конечно, после обширного инсульта его очаг замещается нерабочей соединительной тканью, все тем же рубцом. Но с учетом того, что по оценкам нейрофизиологов, человек использует мощности всего 1% своего мозга – с помощью разного рода реабилитационных процедур потерянные функции можно в значительной мере восстановить у немалой доли лиц после инсультов, черепно-мозговых травм, нейроинфекций.
Плохо справляются с задачей восстановления целостности и функции сердца и его клетки. Поэтому после перенесенного воспаления сердечной мышцы или обширного атеросклероза возникает «кардиосклероз» – с разбросанными по всему органу очажками соединительной ткани, не участвующей в сокращении этого главного «насоса». А если у человека развился инфаркт – очаг будет, как правило, один – зато крупный. И пока рубец не окреп – больному запрещают делать физические усилия, во избежание самого настоящего «разрыва сердца», с неизбежной смертью.
В заключение можно добавить, что процессы регенерации лучше идут в молодых организмах – особенно у детей. По причине продолжающихся у них процессов роста – и высоких концентраций ответственных за это стволовых клеток. Что, в свою очередь, делает весьма перспективным использование стволово-клеточных технологий для лечения заболеваний, ранее считавшихся совершенно бесперспективными. Но даже и без них способности человеческого тела к самовосстановлению все равно внушают уважительный трепет перед совершенством природы.
Материалы на этом сайте предназначены для общего информационного использования и не предназначены для установления диагноза или самостоятельного лечения. Медицинские эксперты «MedOboz», гарантируют, что весь контент который мы размещаем, публикуется и соответствует самым высоким медицинским стандартам. Наша цель в максимально качественном информировании пациентов о симптомах, причинах и методах диагностики заболеваний для их своевременного обращения на очную консультацию к врачу.
«Резервный» механизм восстановления печени
«Резервный» механизм восстановления печени
Слева — ладонь здорового человека; справа — ладонь человека, больного желтухой.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Быстрая утомляемость, потеря аппетита, тошнота, пожелтение кожных покровов и даже частые головные боли — все эти симптомы могут быть косвенными свидетельствами патологий печени. Несмотря на высокую способность клеток печени к восстановлению, в некоторых тяжелых случаях они просто не справляются с болезнью. Новое исследование команды ученых из Центра регенеративной медицины в Эдинбурге, Массачусетского технологического института и Сколковского института науки и технологий показывает, как с помощью блокирования основного пути восстановления клеток печени удалось открыть резервных «ремонтников».
Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа заняла первое место в номинации «Биомедицина сегодня и завтра» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».
Открытие, предсказанное мифами: регенерация у рептилий
Способность организмов к регенерации, то есть восстановлению структуры и функций органов, является одной из важных загадок медицины, которую человек давно пытается разгадать. Наблюдения за животным миром позволили сформулировать следующую закономерность: чем проще устроено животное, тем легче ему восстановить утраченные органы. И если дождевой червь способен «достроить» половину собственного тела, а ящерица — отрастить новый хвост, то у человека способности к регенерации представлены в более узком диапазоне [1], [2].
Сказочных существ, способных отрастить себе новую голову или хвост, довольно много. Но и Лернейская гидра (рис. 1), и горгона Медуза, и даже Змей Горыныч имеют вполне реального «родственника» — тритона. Этот представитель хвостатых амфибий считается одним из древнейших видов фауны на Земле. Тритоны успешно восстанавливают не только хвост и лапы, но даже поврежденные сердце и спинной мозг. Однако амфибии — далеко не единственные существа, которым доступна функция «саморемонта». Например, рыбок данио рерио используют не только в аквариумистике, но и для изучения регенерации тканей сердца. А первым животным, благодаря которому появился термин «регенерация», стал речной рак. Изучением восстановления утраченных ног у раков занимался французский ученый Рене Реомюр, предложивший новый термин еще в 1712 году.
Рисунок 1. «Сражение Геракла с Лернейской гидрой» Антонио дель Поллайоло (1475 г.).
Неудивительно, что ученым хочется понять, почему ящерица, например, может восстановить утерянный хвост, а человек отрастить новую руку не может. Изучение структуры и состава тканей сразу после потери ящерицей хвоста позволило обнаружить модель регенерации у рептилий. В период заживления базальные клетки эпидермиса активно делятся, постепенно «закрывая» собой рану. Дополнительная агрегация делящихся клеток на дистальном конце позвоночника способствует разрастанию бластемы — скоплению неспециализированных клеток. В этот момент запускаются процессы образования новых кровеносных сосудов, а следом — и новых периферических аксонов. Наиболее поздно в дело вступают новообразования костной ткани и мышц. Однако точный механизм регенерации хвоста у ящериц не изучен до конца. Недавнее исследование Университета штата Аризона и Института геномных исследований позволило обнаружить молекулы микро-РНК, способствующие регенерации мышц, хрящей и позвоночника [3]. Возможно, эта работа позволит разработать методы лечения, основанные на управлении экспрессией генов с помощью микро-РНК.
Открытие, сделанное случайно: регенерация у мышей
Но как обстоят дела с возможностями регенерации на уровне целых органов у более высокоорганизованных, чем ящерицы, организмов? Еще недавно ученые были уверены, что млекопитающие не способны восстанавливать утраченные органы. Но это убеждение пошатнуло открытие, сделанное в лаборатории иммунолога Эллен Хебер-Кац из исследовательского центра в Филадельфии. Там проводили различные эксперименты на особых «пациентах» — генетически модифицированных мышах линии Murphy Roth Large (MRL). Такие особи отличались от обычных тем, что у них не работали Т-клетки иммунной системы. Однажды доктор Хебер-Кац дала своему лаборанту несложное задание: пометить выбранных для очередного эксперимента мышей, сделав у них небольшие двухмиллиметровые отверстия в ушах. Через несколько недель выяснилось, что дырочек в ушах подопытных нет. Структура кровеносных сосудов, хрящей, тканей выглядела неповрежденной. Однако лаборант заверил доктора, что задача по «мечению» мышей была своевременно выполнена. После повторения эксперимента с ушной раковиной эффект был таким же: уже через четыре недели на «проколотых» участках ушей образовалась бластема (рис. 2) [4]. Следующим «опытным» объектом стал хвост — и вновь удалось продемонстрировать частичную регенерацию тканей. Однако восстановительные способности MRL мышей не безграничны: например, вырастить новую лапку такая мышь, увы, не смогла. Причина заключается в различном расположении и количестве кровеносных сосудов в органах и тканях животного. Без прижигания мышь просто погибнет от большой потери крови — задолго до запуска регенерационных процессов. А прижигание на месте ампутированной конечности исключает появление бластемы.
Рисунок 2. Этапы восстановления ткани уха у обычной лабораторной мыши (снизу) и трансформированной линии MRL (сверху).
В результате серии наблюдений за трансгенными мышами удалось показать, что секрет их успеха — в определенном белке. Так, у мышей линии MRL заблокирована экспрессия гена, кодирующего белок р21 (ингибитор циклинзависимой киназы 1А), который регулирует процесс нормального деления клеток. Подавление активности этого гена у нормальных мышей показывает аналогичную способность к регенерации повреждений [5]. Но проводить подобные манипуляции следует с большой аккуратностью: «отключение» гена р21 может привести к нарушению нормального размножения клеток, что способно привести к катастрофическому делению всех клеток тела.
Повседневная реальность: возможности регенерации у человека
А как обстоят дела с регенерацией у людей? Даже без «выключения» гена, кодирующего белок р21, организм человека может восстанавливать некоторые органы. Например, кожу, чья регенерирующая способность привычна для нас так же, как и воздух. Самый большой по площади орган нашего тела постоянно обновляет собственную структуру за счет омертвения и отторжения клеток эпидермиса с последующей заменой их новыми клетками. Сходным образом происходит процесс восстановления других эпителиальных тканей — например, слизистых оболочек дыхательных путей, а также желудка и кишечника. На втором месте в иерархии регенерирующих способностей находится костная ткань. Известно, что переломы довольно успешно заживляются в течение определенного периода неподвижности.
А среди внутренних органов заслуженным лидером по регенерации является печень. Легенда о титане Прометее, у которого всего за одну ночь выклеванная печень вырастала вновь (рис. 3), имеет в себе рациональное зерно.
Рисунок 3. «Прикованный Прометей». Скульптура Никола-Себастьяна Адама, 1762 г. (Лувр).
Действительно, печень обладает уникальным свойством восстанавливаться до своего первоначального объема, даже если разрушено более 70% печеночной ткани. Подобный процесс происходит за счет работы клеток печени — гепатоцитов. Эти клетки играют ключевую роль в модификации и выводе из организма токсичных веществ. В здоровом органе, не тронутом патологическими процессами, эти клетки обычно находятся в состоянии покоя. Но при необходимости восстановления целостности органа, например, после частичной резекции (удаления части органа), почти все гепатоциты активируются и приступают к делению. Причем делятся они 1–2 раза, а затем снова возвращаются в покоящееся состояние. Это свойство лежит в основе лечения некоторых заболеваний, например, цирроза печени или гепатита, когда пациенту пересаживают часть здоровой печени от донора. Однако такие манипуляции могут привести к ряду проблем со здоровьем, в том числе расширению вен пищевода и желудка, почечной недостаточности и желтухе. Более того, появление в печени пациента быстро делящихся клеток донора может привести к возникновению ракового заболевания. Справиться же своими силами при прогрессирующей болезни гепатоциты уже не могут, ведь к делению способны лишь здоровые клетки, которых в организме больного остается все меньше и меньше.
Получается, что, несмотря на мощный регенеративный потенциал, восстановительные способности печени имеют предел. В случаях, когда патологический процесс заходит слишком далеко, эффект от работы гепатоцитов оказывается недостаточным. Например, когда здоровая печень поражается в результате токсических или вирусных воздействий, что провоцирует разрастание соединительной ткани (фиброз). Существуют ли другие способы восстановления структуры этого жизненно важного органа без участия гепатоцитов? На этот вопрос позволяет ответить совместное исследование команды ученых из Эдинбургского университета, Массачусетского технологического института и Сколковского института науки и технологий [6].
Перспективная реальность: ускоренная регенерация печени
Для изучения процессов регенерации печени использовали трансгенных мышей линии tdTomato (tdTom). Эта линия модифицирована красными флуоресцентными белками, что позволяет визуализировать клетки печени [7]. Однако поиск других «спасательных» клеток осложняет то, что гепатоциты в пораженном организме продолжают работать. Для идентификации «не-гепатоцитов» исследователи использовали технологию нокдауна генов у мышей. Эффект нокдауна заключается в том, что позволяет временно снижать активность конкретных генов, не внося изменения в структуру хромосом и последовательность ДНК. Для «выключения» генов, ответственных за деление и миграцию гепатоцитов, создали особые липидные наночастицы с короткими интерферирующими РНК (siRNA) [8], [9]. С их помощью удалось заблокировать экспрессию необходимых генов.
Снижение пролиферации гепатоцитов за счет «выключения» интересующих ученых генов проводили на двух моделях. В первом случае временно блокировали ген ITGB1, который кодирует β1-интегрин. Вторая модель — одновременное блокирование β1-интегрина и стимуляция избыточной экспрессии белка р21. Обе модели обладали сходным эффектом, однако их механизмы отличались: β1-интегрин вызывает некроз гепатоцитов, а избыточная экспрессия р21 подавляет их пролиферацию.
Рисунок 4. Регенерация печени с помощью клеток желчных протоков (выделены белым цветом).
Подобная «блокада» основных функциональных клеток печени привела к необычному эффекту: при выключении главного механизма регенерации запускался резервный способ с участием клеток желчных протоков. Так, потеря β1-интегрина и повышение уровня белка р21 привели к значительному увеличению численности гепатоцитов, полученных из холангиоцитов. Эти эпителиальные клетки внутрипеченочных желчных протоков составляют всего 2–3% от общей популяции, однако дальнейшие наблюдения показали, что именно они способны «перепрограммироваться» и превращаться в гепатоциты, тем самым восстанавливая печень (рис. 4). Более того, холангиоциты показали лучшую, чем гепатоциты, способность к делению. Ранее обнаружили, что они близки к овальным клеткам печени — своеобразным «стволовым» агентам данного органа [10].
Для того чтобы отследить регенеративные способности холангиоцитов, использовали три независимых пути:
Для изучения регенерации печени за счет не-гепатоцитов по всем трем путям визуализировали отдельные участки печени. Оказалось, что за счет холангиоцитов восстанавливается примерно 20–30% гепатоцитов, причем малые пролиферативные гепатоциты идентифицировали уже с 7 дня, а к 14 дню регенерации их количество значительно увеличивалось (рис. 4–6).
Рисунок 5. Динамика восстановления печеночной ткани с помощью холангиоцитов (на примере модели холестатической болезни печени). Звездочками показаны некротические области; стрелками обозначены области с клеточным инфильтратом.
Рисунок 6. Клетки печени мыши, трансформированной по гену ITGB1 (14 день регенерации). Визуализация с помощью красных флуоресцентных белков. 1 — стрелками показаны инвазивные клетки; 2 — пунктиром обведена область регенеративного узла.
Получается, что в печени существует резервный механизм регенерации: трансформация клеток желчных протоков в функциональные гепатоциты при блокировании β1-интегрина. Возможно, в организме существуют и другие гены-мишени, «выключение» которых стабилизирует процессы, связанные с развитием фиброза и дальнейшего цирроза печени. Ученым еще предстоит раскрыть механизмы сигналов, побуждающих желчные клетки запускать процессы «перепрограммирования». Однако результаты исследования уже сегодня открывают новое направление клеточной регенеративной медицины: разработку препаратов, стимулирующих холангиоциты. Возможно, в будущем медицина избавится от необходимости проводить сложные и дорогостоящие операции по пересадке печени. Взамен этого распространится более доступная технология: «включение» сигналов о необходимости регенерации, когда с помощью наиболее активных холангиоцитов будут запускаться процессы активного деления клеток печени.