Forskare är fascinerade av axolotlsalamandern på grund av deras förmåga att växa tillbaka lemmar. Kredit:© ArnPas, Shutterstock
Att regenerera förlorade kroppsdelar är omöjligt för människor, men att knäcka salamanders cellulära kod kan hjälpa till att behandla allvarliga sår.
Salamandrar är anmärkningsvärda varelser. Om en av dessa amfibier tappar ett finger växer den ut igen. Dessutom, om du hugger bort en bit av hjärta eller ryggmärg, kommer det att regenereras. Det kanske mest imponerande är att de till och med kan få tillbaka ett ben som bitits av ett hungrigt rovdjur.
En av de mest kända salamanderarterna är axolotlen (Ambystoma mexicanum), som finns i sjöar nära Mexico City.
Axolotlen är en veritabel Peter Pan av salamandrar. Till och med den 30 centimeter långa reproduktiva vuxen behåller egenskaper från sin ungdomliga fas under hela sin livscykel.
De framträdande gälarna som sticker ut från bakhuvudet hålls kvar från axolotlens larvfas. Att den aldrig lämnar vattnet under hela sitt liv är ovanligt för en amfibie.
Eldguden
Axolotler fick sitt namn efter den aztekiska eldguden Xolotl som, enligt legenden, maskerade sig som en salamander för att undvika att offras. Idag studerar forskare axolotler i sina laboratorier på grund av deras fantastiska förmåga att återväxa en eller till och med två lemmar.
"Jag är fortfarande fascinerad av hur lemmarna regenereras", säger professor Elly Tanaka vid Research Institute of Molecular Pathology i Wien, Österrike, som har studerat salamander i nästan två decennier.
Hennes labb fokuserar på den distinkta axolotl-arten men "Alla salamandrar som människor har studerat verkar regenerera lemmar", säger hon.
Som en del av RegGeneMems-projektet försöker Prof Tanaka reda ut mysteriet bakom hur molekyler beordrar celler inuti den skadade axolotlen att utvecklas och röra sig, och därigenom återställa en hel lem i rätt proportion och storlek.
Denna regenerering är möjlig så långt som till axeln, och det händer som om djuret först växte en lem.
Även om det förblir inom science-fictions område för en person att någonsin få tillbaka en arm eller ett ben, tror forskare att salamandrarna kan ge insikter om hur patientskador kan behandlas bättre.
"När de tappar en lem, eller till och med två lemmar, är de fortfarande ganska rörliga eftersom de kan simma runt med svansen", säger prof Tanaka.
Mobilpaket
"Lärdomen från salamandrarna är att du använder i stort sett samma molekylära maskineri som du gör under utvecklingen av lemmen," sa Prof Tanaka. Med lärdomar från axolotl kunde vi därför förstärka vårt eget skadereparationssats.
När en axolotl-lem har förlorats bildas en blodpropp vid såret. Hudceller rör sig för att täcka såret inom en dag. Sedan börjar vävnaderna under att omarrangeras, först bildar de en virrig massa av celler - ett blastema - som verkar sakna någon organisation.
Ett blastema är en massa av odifferentierade celler som har kapacitet att förvandlas till ett organ eller bihang. Det är särskilt viktigt vid regenerering av avskurna lemmar.
I mänskliga sår bildas ärrvävnad av limliknande celler som kallas fibroblaster. I salamandrar händer något fantastiskt eftersom dessa celler inom några veckor tar ett steg tillbaka i tiden för att bli mindre specialiserade.
De återfår tillräckligt med flexibilitet för att bli ben, ligament, senor eller brosk. Sedan skjuter de varandras signaler som styr rekonstruktionen av den saknade kroppsdelen från stubben, vilket ger en exakt kopia.
Prof Tanaka upptäckte nyligen hur några avgörande signaler hjälper till med arrangemanget av celler och vävnader från vad som ser ut som ett förvirrat virrvarr.
Hon upptäckte att celler i den regenererande vävnaden som kommer från tumsidan av lemmen börjar producera andra signaler än celler från pinky-fingrets sida.
Sonic Hedgehog
"Tumsidan producerar FGF-8 (fibroblasttillväxtfaktor), och detta talar om för de rosa cellerna att de behöver för att producera Sonic Hedgehog", säger prof Tanaka.
Sonic Hedgehog-signalmolekylen (SHH) är uppkallad för att hedra den berömda Sonic the Hedgehog-videospelsfiguren och är avgörande för embryonal utveckling hos djur och människor.
En annan signalmolekyl, som också finns i människor, är FGF-8, som också har en roll i vävnadsreparation och utveckling.
Tillsammans främjar FGF-8 och SHH tillväxtförhållanden inuti den skadade extremiteten och hjälper till att styra virrvarret av celler i blastemet.
"Du behöver celler från den rosa och tumme sidan av lemmen för att komma in i detta blastema, och så du har alla celltyper som du behöver för att återuppbygga," sa Prof Tanaka.
En annan vetenskapsman som fascineras av axolotler är cellbiologen Dr. Sandra Edwards vid TU Dresden. Hon blev intresserad av salamandrar efter att ha gått en forskarkurs i USA under sin doktorsexamen. i Chile och styrde om hennes karriär.
Hon ansökte om att gå med i labbet för Tatiana Sandoval-Guzmán, en framstående forskare inom reparation av axolotl-lemmar vid Center for Regenerative Therapies Dresden (CRTD).
"Ju mer jag hörde om salamandrar, desto mer fascinerad blev jag", minns Dr Edwards, som hoppas att hennes forskning en dag kan gå till att hjälpa patienter.
Axolotylen kan regenerera avskurna lemmar. Kredit:Amandasofiarana, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
vävnadsspänning
I ProDistReg-projektet studerar Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA)-stipendiat Dr Edwards hur skillnader i spänningar i vävnader kan påverka reparationen och hjälpa djuret att förvandla vad som verkar vara cellulärt kaos till en perfekt fungerande lem.
Hon blev fascinerad av det faktum att lemåterväxt tar lika lång tid, oavsett hur mycket vävnad som byts ut. Detta innebär att lemmar måste växa snabbare när mer vävnad tas bort.
"Min hypotes är att spänning eller stelhet är högre i vävnader som växer långsammare", sa hon.
Det kan tyckas förvånande, men vävnadernas mekanik och stelhet kan påverka deras utveckling och regenerering såväl som patologier som cancer.
Det finns ett nätliknande nätverk som kallas cytoskelettet inuti celler. Detta kan känna av yttre tryck när det komprimeras, vilket öppnar ingångspunkter (liknande postlådor) till kärnan i en cell, vilket tillåter molekylära meddelanden att flöda in och slå på och av gener.
"I vårt system har vi observerat att under lemgenerering i axolotlen är vävnader som är närmare kroppen mjukare och växer snabbare än vävnader som är längre bort från kroppen i änden av en lem, till exempel, som är stelare ."
Cellmatris
Kunskap om vävnadsstyvhet kan hjälpa skadade patienter. Även om sådana patienter kan tänkas behandlas med stamceller som levereras i en matris, kan trycket i patientens vävnader visa sig vara viktigt.
"Det kan vara så att vävnaderna och deras celler på olika delar av kroppen beter sig olika, även inom samma struktur som armen, såsom över- och underarmen, säger Dr Edwards. Därför, inom regenerativ medicin, där cell- som innehåller matriser transplanteras till stora sår, sådana byggnadsställningar kan behöva vara olika, beroende på var i kroppen de ska placeras.
Även om Prof Tanaka ägnar de flesta dagar åt att studera molekylär mekanik för reparation av axolotl, förutser hon också framtida fördelar för skadade patienter. Men salamander och däggdjur utvecklas olika.
Hos däggdjur, som vi själva, när vi först utvecklar en arm, sker detta i en liten skala i ett embryo. Salamandern är annorlunda. Den verkar innehålla en knopp som kan utvecklas till en stor vuxen arm.
Stamceller
"Vi kommer inte att kunna be en mänsklig cell att göra det här, eftersom den är ansluten för att fungera i små skalor", säger prof Tanaka. "Men vi kanske kan producera en grupp mänskliga stamceller som regenererar som en axolotl."
Detta kan vara extremt fördelaktigt, till exempel för personer som får omfattande brännsår. Reparation av denna hud ger för närvarande inte en person svettkörtlar, hårsäckar och andra celltyper, men lärdomar från salamandern skulle kunna göra detta möjligt.
"Återställning av dessa fibroblaster - vilket axolotlen gör - kan vara ganska relevant för bättre läkning i mycket stora sår, till exempel från brännskador," sa Prof Tanaka. + Utforska vidare
