При регенерации тела гидры новые нервные клетки образуются из


Гидра

ЦарствоЖивотные
ПодцарствоМногоклеточные
ТипКишечнополостные
КлассГидроидые
РодГидры

Общее строение

Тело гидры имеет вид продолговатого мешочка, стенки которого состоят из двух слоёв клеток — эктодермы и энтодермы.

Между ними лежит тонкая студенистая неклеточная прослойка — мезоглея, служащая опорой.

Эктодерма формирует покров тела животного и состоит из нескольких видов клеток: эпителиально-мускульные, промежуточные и стрекательные.

Самые многочисленные из них — эпителиально-мускульные.

Эктодерма

эпителиально-мускульная клетка

За счёт мускульных волоконец, лежащих в основании каждой клетки, тело гидры может сокращаться, удлиняться и изгибаться.

Между эпителиально-мускульными клетками находятся группы мелких, округлых, с большими ядрами и небольшим количеством цитоплазмы клеток, называемых промежуточными.

При повреждении тела гидры, они начинают усиленно расти и делиться. Они могут превращаться в остальные типы клеток тела гидры, кроме эпителиально-мускульных.

В эктодерме находятся стрекательные клетки, служащие для нападения и защиты. В основном они расположены на щупальцах гидры. Каждая стрекательная клетка содержит овальную капсулу, в которой свёрнута стрекательная нить.

Строение стрекательной клетки со свернутой стрекательной нитью

Если добыча или враг прикоснётся к чувствительному волоску, который расположен снаружи стрекательной клетки, в ответ на раздражение стрекательная нить выбрасывается и вонзается в тело жертвы.

Строение стрекательной клетки с выброшенной стрекательной нитью

По каналу нити в организм жертвы попадает вещество, способное парализовать жертву.

Существует несколько типов стрекательных клеток. Нити одних пробивают кожные покровы животных и вводят в их тело яд. Нити других обвиваются вокруг добычи. Нити третьих — очень клейкие и прилипают к жертве. Обычно гидра «стреляет» несколькими стрекательными клетками. После выстрела стрекательная клетка погибает. Новые стрекательные клетки формируются из промежуточных.

Строение внутреннего слоя клеток

Энтодерма выстилает изнутри всю кишечную полость. В её состав входят пищеварительно-мускульные и железистые клетки.

Энтодерма

Пищеварительная система

Пищеварительно-мускульных клеток больше других. Мускульные волоконца их способны к сокращению. Когда они укорачиваются, тело гидры становится более тонким. Сложные движения (передвижение «кувырканием»), происходит за счёт сокращений мускульных волоконцев клеток эктодермы и энтодермы.

Каждая из пищеварительно-мускульных клеток энтодермы имеет 1-3 жгутика. Колеблющиеся жгутики создают ток воды, которым пищевые частички подгоняются к клеткам. Пищеварительно-мускульные клетки энтодермы способны образовывать ложноножки, захватывать и переваривать в пищеварительных вакуолях мелкие пищевые частицы.

Строение пищеварительно-мускульной клетки

Имеющие в энтодерме железистые клетки выделяют внутрь кишечной полости пищеварительный сок, который разжижает и частично переваривает пищу.

Строение желистой клетки

Добыча захватывается щупальцами с помощью стрекательных клеток, яд которых быстро парализует мелких жертв. Координированными движениями щупалец добыча подносится ко рту, а затем с помощью сокращений тела гидра «надевается» на жертву. Пищеварение начинается в кишечной полости (полостное пищеварение), заканчивается внутри пищеварительных вакуолей эпителиально-мускульных клеток энтодермы (внутриклеточное пищеварение). Питательные вещества распределяются по всему телу гидры.

Когда в пищеварительной полости оказываются остатки жертвы, которые невозможно переварить, и отходы клеточного обмена, она сжимается и опорожняется.

Дыхание

Гидра дышит растворённым в воде кислородом. Органов дыхания у неё нет, и она поглощает кислород всей поверхностью тела.

Кровеносная система

Отсутствует.

Выделение

Выделение углекислого газа и других ненужных веществ, образующихся в процессе жизнедеятельности, осуществляется из клеток наружного слоя непосредственно в воду, а из клеток внутреннего слоя — в кишечную полость, затем наружу.

Нервная система

Под кожно-мускульными клетками располагаются клетки звездчатой формы. Это нервные клетки (1). Они соединяются между собой и образуют нервную сеть (2).

Нервная система и раздражимость гидры

Если дотронутся до гидры (2), то в нервных клетках возникает возбуждение (электрические импульсы), которое мгновенно распространяется по всей нервной сети (3) и вызывает сокращение кожно-мускульных клеток и всё тело гидры укорачивается (4). Ответная реакция организма гидры на такое раздражение — безусловный рефлекс.

Половые клетки

С приближением холодов осенью в эктодерме гидры из промежуточных клеток образуются половые клетки.

Различают два вида половых клеток: яйцевые, или женские половые клетки, и сперматозоиды, или мужские половые клетки.

Яйца находятся ближе к основанию гидры, сперматозоиды развиваются в бугорках, расположенных ближе к ротовому отверстию.

Яйцевая клетка гидры похожа на амёбу. Она снабжена ложноножками и быстро растет, поглощая соседние промежуточные клетки.

Строение яйцевой клетки гидры

Строение сперматозоида гидры

Сперматозоиды по внешнему виду напоминают жгутиковых простейших. Они покидают тело гидры и плавают с помощью длинного жгутика.

Оплодотворение. Размножение

Сперматозоид подплывает к гидре с яйцевой клеткой и проникает внутрь нее, причем ядра обеих половых клеток сливаются. После этого ложноножки втягиваются, клетка округляется, на ее поверхности выделяется толстая оболочка — образуется яйцо. Когда гидра погибает и разрушается, яйцо остается живым и падает на дно. С наступлением тёплой погоды живая клетка, находящаяся внутри защитной оболочки, начинает делиться, образующиеся клеточки располагаются в два слоя. Из них развивается маленькая гидра, которая выходит наружу через разрыв оболочки яйца. Таким образом, многоклеточное животное гидра в начале своей жизни состоит всего из одной клетки — яйца. Это говорит о том, что предки гидры были одноклеточными животными.

Бесполое размножение гидры

При благоприятных условиях гидра размножается бесполым путём. На теле животного (обычно в нижней трети туловища) образуется почка, она растет, затем формируются щупальца и прорывается рот. Молодая гидра отпочковывается от материнского организма (при этом материнский и дочерний полипы прикрепляются щупальцами к субстрату и тянут в разные стороны) и ведет самостоятельный образ жизни. Осенью гидра переходит к половому размножению. На теле, в эктодерме закладываются гонады — половые железы, а в них из промежуточных клеток развиваются половые клетки. При образовании гонад гидр формируется медузоидный узелок. Это позволяет предполагать, что гонады гидры — сильно упрощенные споросаки, последний этап в ряду преобразования утраченного медузоидного поколения в орган. Большинство видов гидр раздельнополы, реже встречается гермафродитизм. Яйцеклетки гидр быстро растут, фагоцитируя окружающие клетки. Зрелые яйцеклетки достигают диаметра 0,5—1 мм. Оплодотворение происходит в теле гидры: через специальное отверстие в гонаде сперматозоид проникает к яйцеклетке и сливается с ней. Зигота претерпевает полное равномерное дробление, в результате которого образуется целобластула. Затем в результате смешанной деламинации (сочетание иммиграции и деламинации) осуществляется гаструляция. Вокруг зародыша формируется плотная защитная оболочка (эмбриотека) с выростами-шипиками. На стадии гаструлы зародыши впадают в анабиоз. Взрослые гидры погибают, а зародыши опускаются на дно и зимуют. Весной продолжается развитие, в паренхиме энтодермы путем расхождения клеток образуется кишечная полость, затем формируются зачатки щупалец, и из-под оболочки выходит молодая гидра. Таким образом, в отличие от большинства морских гидроидных, у гидры отсутствуют свободноплавающие личинки, развитие у неё прямое.

Регенерация

Гидра обладает очень высокой способностью к регенерации. При разрезании поперек на несколько частей каждая часть восстанавливает «голову» и «ногу», сохраняя исходную полярность — рот и щупальца развиваются на той стороне, которая была ближе к оральному концу тела, а стебелек и подошва — на аборальной стороне фрагмента. Целый организм может восстанавливаться из отдельных небольших кусочков тела (менее 1/100 объёма), из кусочков щупалец, а также из взвеси клеток. При этом сам процесс регенерации не сопровождается усилением клеточных делений и представляет собой типичный пример морфаллаксиса.

Передвижение

В спокойном состоянии щупальца вытягиваются на несколько сантиметров. Животное медленно водит ими из стороны в сторону, подстерегая добычу. При необходимости гидра может медленно передвигаться.

«Шагающий» способ передвижения

«Шагающий» способ передвижения гидры

Изогнув своё тело (1) и прикрепившись щупальцами к поверхности предмета (субстрата), гидра подтягивает к переднему концу тела подошву (2). Затем шагающее движение гидры повторяется (3,4).

«Кувыркающий» способ передвижения

«Кувыркающий» способ передвижения гидры

В другом случае она словно через голову кувыркается, поочерёдно прикрепляясь к предметам то щупальцами, то подошвой (1-5).

Тест: Кишечнополостные - Биология 7 класс

Тест: Кишечнополостные - Биология 7 класс

Кишечнополостные

Один ответ из нескольких возможных

Биология 7 класс | ID: 380 | Дата: 18.11.2013

";} else {document.getElementById("torf1").innerHTML="";}; if (answ.charAt(1)=="1") {document.getElementById("torf2").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf2").innerHTML="";}; if (answ.charAt(2)=="1") {document.getElementById("torf3").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf3").innerHTML="";}; if (answ.charAt(3)=="1") {document.getElementById("torf4").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf4").innerHTML="";}; if (answ.charAt(4)=="1") {document.getElementById("torf5").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf5").innerHTML="";}; if (answ.charAt(5)=="1") {document.getElementById("torf6").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf6").innerHTML="";}; if (answ.charAt(6)=="1") {document.getElementById("torf7").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf7").innerHTML="";}; if (answ.charAt(7)=="1") {document.getElementById("torf8").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf8").innerHTML="";}; if (answ.charAt(8)=="1") {document.getElementById("torf9").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf9").innerHTML="";}; if (answ.charAt(9)=="1") {document.getElementById("torf10").innerHTML="";} else {document.getElementById("torf10").innerHTML="";}; } }

Получение сертификата
о прохождении теста

системы органов, регенерация, способы размножения

Гидра — типичный представитель класса Гидрозои. Имеет цилиндрическую форму тела, достигая в длину до 1-2 см. На одном полюсе имеется рот, окруженный щупальцами, численность которых у различных видов бывает от 6 до 12. На противоположном полюсе у гидр расположена подошва, служащая для прикрепления животного к субстрату.

Органы чувств

В эктодерме у гидр имеются стрекательные, или крапивные клетки, служащие для защиты или нападения. Во внутренней части клетки находится капсула со спирально закрученной нитью.

Снаружи этой клетки располагается чувствительный волосок. Если какое-либо мелкое животное коснется волоска, то стрекательная нить стремительно выстреливается наружу и вонзается в жертву, которая погибает от попавшего по нити яда. Обычно одновременно выбрасывается много стрекательных клеток. Рыбы и другие животные не поедают гидр.

Щупальца служат не только для осязания, но и для захвата пищи — различных мелких водных животных.

В эктодерме и энтодерме у гидр есть эпителиально-мускульные клетки. Благодаря сокращению мускульных волоконец этих клеток гидра передвигается, «ступая» поочередно то щупальцами, то подошвой.

Нервная система

Нервные клетки, образующие сеть по всему телу, расположены в мезоглее, а отростки клеток отходят наружу и внутрь тела гидры. Такой тип строения нервной системы называется диффузным. Особенно много нервных клеток располагается у гидры вокруг рта, на щупальцах и подошве. Таким образом, у кишечнополостных уже появляется простейшая координация функций.

Гидрозои обладают раздражимостью. При раздражении нервных клеток различными раздражителями (механическими, химическими и др.) воспринятое раздражение распространяется по всем клеткам. Благодаря сокращению мускульных волоконец тело гидры может сжиматься в комочек.

Таким образом, впервые в органическом мире у кишечнополостных появляются рефлексы. У животных этого типа рефлексы еще однообразны. У более организованных животных они в процессе эволюции усложняются.

Строение гидры

Пищеварительная система

Все гидры хищники. Захватив, парализовав и убив добычу при помощи стрекательных клеток, гидра своими щупальцами подтягивает ее к ротовому отверстию, которое способно очень сильно растягиваться. Далее пища попадает в гастральную полость, выстеленную железистыми и эпителиально-мускульными клетками энтодермы.

Пищеварительный сок вырабатывают железистые клетки. В нем имеются протеолитические ферменты, которые способствуют усвоению белков. Пища в гастральной полости переваривается пищеварительными соками и распадается на мелкие частицы. В клетках энтодермы имеется по 2-5 жгутиков, перемешивающих пищу в гастральной полости.

Псевдоподии эпителиально-мускульных клеток захватывают частицы пищи и в дальнейшем происходит внутриклеточное пищеварение. Непереваренные остатки пищи удаляются через рот. Таким образом, у гидроидных впервые появляется полостное, или внеклеточное, пищеварение, идущее параллельно с более примитивным внутриклеточным пищеварением.

Регенерация органов

В эктодерме у гидры имеются промежуточные клетки, из которых при повреждении тела образуются нервные, эпителиально-мускульные и другие клетки. Это способствует быстрому зарастанию раненого места и регенерации.

Если у гидры отрезать щупальце, то оно восстановится. Более того, если гидру разрезать на несколько частей (даже до 200), каждая из них восстановит целый организм. На примере гидры и других животных ученые изучают явление регенерации. Выявленные закономерности необходимы для разработки методов лечения ран у человека и многих видов позвоночных.

Способы размножения гидр

Все гидрозои размножаются двумя путями — бесполым и половым. Бесполое размножение заключается в следующем. В летний период, примерно на середине, из тела гидры выпячиваются эктодерма и энтодерма. Образуется бугор, или почка. За счет размножения клеток размер почки увеличивается.

Гастральная полость дочерней гидры сообщается с полостью материнской особи. На свободном конце почки образуется новый рот и щупальца. У основания почка перешнуровывается, молодая гидра отделяется от материнской и начинает вести самостоятельное существование.

Половое размножение у гидрозоев в естественных условиях наблюдается осенью. Одни виды гидр раздельнополые, а другие гермафродитные. У пресноводной гидры из промежуточных клеток эктодермы образуются женские и мужские половые железы, или гонады, то есть, эти животные являются гермафродитами. Семенники развиваются ближе к ротовой части гидры, а яичники — ближе к подошве. Если в семенниках образуется много подвижных сперматозоонов, то в яичниках созревает лишь одно яйцо.

Гермафродитные особи

У всех гермафродитных форм гидрозоев сперматозооны созревают раньше, чем яйца. Поэтому оплодотворение происходит перекрестно, а следовательно, самооплодотворение наступить не может. Оплодотворение яиц происходит в материнской особи еще в осеннее время. После оплодотворения гидры, как правило, погибают, а яйца в покоящемся состоянии остаются до весны, когда из них развиваются новые молодые гидры.

Почкование

Морские гидроидные полипы могут быть, как гидры, одиночными, но чаще они живут колониями, появившимися благодаря почкованию большого числа полипов. Колонии полипов часто состоят из огромного числа особей.

У морских гидроидных полипов, кроме бесполых особей, при размножении с помощью почкования образуются половые особи, или медузы.

Тест по биологии «Кишечнополостные»

Кишечнополостные — это...

одноклеточные организмы

двухслойные животные

трехслойные животные

Древнейший тип многоклеточных, преимущественно морских, реже пресноводных, животных. Тело представляет собой двухслойный мешок, внутренняя полость которого выполняет роль примитивного кишечника.

Стрекательные клетки характерны...

только для гидры

для всех кишечнополостных

только для актиний

Стрекательные клетки располагаются в покровном эпителии и выполняют роль нападения на добычу, её удерживания, а также защиты от врагов. В клетках имеется капсула (с ядовитой жидкостью) с завёрнутой в виде спирали стрекательной нитью.

Процесс почкования у гидры — это...

форма полового размножения

рост гидры

форма бесполого размножения

Бесполое размножение гидры — почкование. Происходит в течение всего лета. На теле гидры образуется выпячивание, которое растёт, вытягивается и превращается в молодую гидру. Затем она отделяется от материнской особи и начинает самостоятельную жизнь.

Раздражимостью называют...

свойство организма отвечать на воздействие среды изменением своей деятельности

действие раздражителя

захват добычи хищником

Раздражимость — способность организма воспринимать раздражение из внешней среды и отвечать на него. У одноклеточных животных реакции на раздражение охватывают всё тело и выражаются в изменением направления движения.

Способы размножения коралловых полипов.

половой

почкование

и то, и другое

Коралловые полипы в основном раздельнополые. Половые клетки развиваются на перегородках кишечной полости. Сперматозоиды выходят наружу и проникают к яйцеклеткам в женские особи. Оплодотворение происходит в кишечной полости. Коралловые полипы размножаются и при помощи почкования.

Животные с радиальной (лучевой) симметрией.

активно передвигаются

малоподвижные или сидячие

имеют правую и левую стороны

Что у полипов, что у медуз образ жизни малоподвижный. Они не ищут добычу, а довольствуются той, что подплывает сама, причём с любой стороны. Поэтому их щупальца расходятся от ротового отверстия лучами во все стороны.

Ответную реакцию на раздражение осуществляемую нервной системой, называют...

раздражимостью

движением

рефлексом

Дотронувшись до гидры иглой — животное сожмётся. Сигнал, полученный даже одной клеткой, распространяется по всей нервной сети. Нервные клетки "отдают команду" эпителиально-мускульным клеткам. Происходит сокращение мускульных волоконец, тогда всё тело гидры укорачивается. Ответная реакция организма — это пример безусловного рефлекса.

Важную роль при движении гидры играет...

мускульное волоконце

стрекательная нить

пищеварительная клетка

Кишечнополостные не имеют особой ткани ответственной за движение. За счёт мускульных волоконец, лежащих в основании каждой клетки, тело гидры может сокращаться, удлиняться и изгибаться. Их слаженная работа позволяет гидре изменять форму тела, двигаться, опорожнять кишечную полость.

В половом процессе участвуют...

только женские гаметы

клетки внутреннего слоя

мужские и женские половые клетки

В половом процессе участвуют мужские и женские половые клетки. Оплодотворение происходит в теле материнского организма.

Оплодотворение — это процесс...

почкования

слияния мужской и женской гамет

регенерации

Попавший в воду сперматозоид плавает с помощью длинного жгутика и достигает неподвижных яйцеклеток. Оплодотворение (соединение сперматозоида с яйцеклеткой) происходит в теле материнского организма.

Гаметами называют...

клетки тела гидры

мужские и женские половые клетки

только мужские половые клетки

Гаметами называют мужские и женские половые клетки.

При регенерации тела гидры новые нервные клетки образуются из...

промежуточных клеток

кожно-мускульных клеток

стрекательных клеток

Повреждённая гидра легко восстанавливает утраченные части тела не только после того, как её разрезали на пополам, но даже в том случае, если её расчленили на множество частей. Из каждой части образуется новая маленькая гидра. Это происходит благодаря интенсивному делению промежуточных клеток, из которых возникают другие виды клеток.

Выберите правильно указанный путь нервного импульса (рефлекторную дугу):

передача возбуждения - восприятие возбуждения - ответ

восприятие раздражения - ответ - передача возбуждения

восприятие раздражения - передача возбуждения - ответ

Рефлекторная дуга: восприятие раздражения — передача возбуждения — ответ.

Половое размножение гидр происходит...

весной

осенью

летом

Осенью, с приближением холодов, гидры начинают размножаться половым путём. Половые клетки образуются в эктодерме из промежуточных клеток. На теле гидры возникают бугорки двух типов. В одних формируются сперматозоиды, в других — яйцеклетки.

Органы дыхания у гидры...

Гидра дышит растворённым в воде кислородом. Органов дыхания у неё нет, и она поглощает кислород всей поверхностью тела.

Следующий вопросПодробный ответ

1) при регенерации тела гидры новые нервные клетки образуются из...а)промежуточных клеток б)кожно-мускульных клеток в)стрекательных клеток

Черенки ведь без корней и поэтому плохо переносят сухой воздух.А под пленкой или стеклом влажность воздуха всегда повышенная  если конечно грунт поливается  черенки не вянут и у них есть реальный шанс укоренится

Полноценный шкилет , то есть если у хростковых рыб лишь несколько полноценных костей или вообще их нету а только хростки то у лиственных рыб всё наоборот

Величина легочной вентиляции определяется глубиной дыхания и частотой дыхательных движений.Количественной характеристикой легочной вентиляции служит минутный объем дыхания (МОД) - объем воздуха, проходящий через легкие за 1 минуту. В покое частота дыхательных движений человека составляет примерно 16 в 1 минуту, а объем выдыхаемого воздуха - около 500 мл. Умножив частоту дыхания в 1 минуту на величину дыхательного объема, получим МОД, который у человека в покое составляет в среднем 8 л/мин.Максимальная вентиляция легких(МВЛ) - объем воздуха, который проходит через легкие за 1 минуту во время максимальных по частоте и глубине дыхательных движений, Максимальная вентиляция возникает во время интенсивной работы, при недостатке содержания 02 (гипоксия) и избытке СО2 (гиперкапния) во вдыхаемом воздухе. В этих условиях МОД может достигать 150 - 200 л в 1 минуту

Опыление-перенос пыльцы со цветка на цветок

Земноводные яйца откладывают в песок,а птицы в гнёздах

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 150: как молекулярная карта гидры поможет восстанавливать нервные волокна.

Гидры – крошечные пресноводные беспозвоночные, известные своей уникальной способностью к регенерации. Буквально из кусочка ее тела может заново вырасти целый организм. При этом все вновь образующиеся ткани имеют в качестве источника всего три линии стволовых клеток. Ученые из Калифорнийского университета проанализировали РНК-транскриптомы 25 000 клеток гидры для того, чтобы узнать, как происходит процесс дифференцировки на молекулярном уровне. Исследование опубликовано в Science.

Credit: Stefan Siebert, UC Davis


Для выяснения хода процесса дифференцировки потребовалась определить РНК-сиквенс (генетическую последовательность всех молекул РНК в данной клетке) 25000 отдельных клеток. Зная, какие гены транслируются в какой момент времени относительно этапа дифференцировки, на котором находится клетка, можно установить гены и белки, которые играют ключевую роль в этом процессе.

Для образования всех своих тканей у гидр есть три линии стволовых клеток. Наибольший интерес ученый вызвала та линия, которая дает начало развитию нервных клеток. Знание того, через какие этапы дифференцировки проходит клетка от состояния плюрипотентной до настоящего нейрона, позволит глубже взглянуть на процесс регенерации нервных волокон у людей.

Восстановление нейрональных повреждений у людей до сих пор остается актуальной проблемой. На данный момент пути ее решения весьма ограничены. Возможно, теперь можно ожидать появления новых направлений в методах и технологиях нейрореабилитации.


Текст: Дарья Тюльганова

Siebert, S., Farrell, J. A., Cazet, J. F., Abeykoon, Y., Primack, A. S., Schnitzler, C. E., & Juliano, C. E. (2019). Stem cell differentiation trajectories in <em>Hydra</em> resolved at single-cell resolution. Science,365(6451), eaav9314. https://doi.org/10.1126/science.aav9314

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Картографические клетки в «бессмертной» регенерирующей гидре

Всего несколько миллиметров в длину, гидра обладает способностью полностью регенерировать поврежденные части тела, включая нервную систему, что делает ее практически бессмертной. Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе выясняют, как гидра достигает этого и какие последствия это может иметь для медицины. (Фото Стефана Зиберта). Предоставлено: Стефан Зиберт, Калифорнийский университет в Дэвисе.

Крошечная гидра, пресноводное беспозвоночное, родственное медузам и кораллам, обладает удивительной способностью обновлять свои клетки и регенерировать поврежденные ткани.Разрежьте гидру пополам, и за пару дней она восстановит свое тело и нервную систему. Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе проследили судьбу клеток гидры, выяснив, как три линии стволовых клеток становятся нервами, мышцами или другими тканями.

Селина Джулиано, доцент кафедры молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе, научный сотрудник проекта Стефан Зиберт и его коллеги, включая Джеффа Фаррелла, научного сотрудника Гарвардского университета, секвенировали транскрипты РНК 25000 отдельных клеток гидры, чтобы проследить генетическую траекторию их развития. почти все типы дифференцированных клеток.

«Прелесть секвенирования отдельных клеток и то, почему это так важно для биологов развития, состоит в том, что мы можем фактически захватить гены, которые выражаются, когда клетки дифференцируются от стволовых клеток в разные типы клеток», - сказал Джулиано.

Это исследование дает биологам-разработчикам карту высокого разрешения трех линий развития стволовых клеток гидры. По словам Зиберта, набор данных поможет исследователям понять существующие на ранних этапах эволюции регуляторные генные сети, которые являются общими для многих животных, включая людей.Например, понимание того, как гидра регенерирует всю свою нервную систему, может помочь нам лучше понять нейродегенеративные заболевания у людей.

Регенерируется из трех линий стволовых клеток

Hydra постоянно обновляет свои клетки из трех разных популяций стволовых клеток. Исследователи проанализировали наборы молекул информационной РНК, называемые транскриптомами, из отдельных клеток гидры и сгруппировали клетки на основе экспрессируемых ими генов. Затем они могли бы построить дерево решений, показывающее, как каждая линия стволовых клеток дает начало различным типам клеток и тканям.Например, линия интерстициальных стволовых клеток производит нервные клетки, клетки желез и жалящие клетки в щупальцах животного.

«Построив дерево решений для интерстициального происхождения, мы неожиданно обнаружили доказательства того, что пути дифференцировки нейронов и клеток железы имеют общее состояние клеток», - сказал Джулиано. «Таким образом, интерстициальные стволовые клетки, по-видимому, проходят через клеточное состояние, в котором есть потенциал как желез, так и нейронов, прежде чем принять окончательное решение».

Одноклеточная молекулярная карта также позволила Джулиано и его коллегам идентифицировать гены, которые могут контролировать эти процессы принятия решений, что будет в центре внимания будущих исследований.

Исследователей особенно интересует способность гидры регенерировать свою нервную систему, что может дать представление о лечении травм или дегенеративных заболеваний у людей.

«Все организмы имеют один и тот же путь реакции на травмы, но у некоторых организмов, таких как гидра, это приводит к регенерации», - сказала соавтор и аспирантка Эбби Примак. «У других организмов, таких как люди, после травмы головного мозга у нас возникают трудности с восстановлением, потому что мозгу не хватает тех регенеративных способностей, которые мы видим у гидры."


Как нервная система создает поведение? Карта активности мышц на Гидре дает представление
Дополнительная информация: «Траектории дифференцировки стволовых клеток гидры разрешены при разрешении одной клетки», Science (2019) science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aav9314

Ссылка : Картирование клеток «бессмертной» регенерирующей гидры (2019, 25 июля) получено 24 января 2021 г. из https: // medicalxpress.ru / news / 2019-07-cells-immortal-regenrating-hydra.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

регенерации | биология | Britannica

Регенерация , в биологии - процесс, с помощью которого некоторые организмы заменяют или восстанавливают потерянные или ампутированные части тела.

Организмы заметно различаются по своей способности к регенерации частей. Некоторые выращивают новую структуру на пне старой. Посредством такой регенерации целые организмы могут резко заменить существенные части самих себя, когда они были разрезаны пополам, или могут вырастить утраченные органы или придатки. Однако не все живые существа восстанавливают части таким образом.Культя ампутированной структуры может просто зажить без замены. Это заживление ран само по себе является своего рода регенерацией на уровне организации ткани: поверхность пореза заживает, перелом кости срастается, и клетки замещают себя по мере необходимости.

Регенерация, как один из аспектов общего процесса роста, является основным атрибутом всех живых систем. Без него не могло бы быть жизни, поскольку само поддержание организма зависит от непрерывного обновления, посредством которого все ткани и органы постоянно обновляются.В некоторых случаях время от времени заменяется довольно значительное количество тканей, например, при последовательном образовании фолликулов в яичниках или линьке и замене волос и перьев. Чаще оборот выражается на клеточном уровне. В коже млекопитающих эпидермальным клеткам, продуцируемым в базальном слое, может потребоваться несколько недель, чтобы достичь внешней поверхности и оторваться. В слизистой оболочке кишечника продолжительность жизни отдельной эпителиальной клетки может составлять всего несколько дней.

Подвижные волосовидные реснички и жгутики одноклеточных организмов способны восстанавливать себя в течение часа или двух после ампутации. Даже в нервных клетках, которые не могут делиться, существует бесконечный поток цитоплазмы из тела клетки в сами нервные волокна. Новые молекулы непрерывно генерируются и разлагаются, время оборота измеряется минутами или часами в случае некоторых ферментов или несколькими неделями, как в случае мышечных белков. (Очевидно, единственная молекула, освобожденная от этого неумолимого круговорота, - это дезоксирибонуклеиновая кислота [ДНК], которая в конечном итоге управляет всеми жизненными процессами.)

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Существует тесная корреляция между регенерацией и генерацией. Способы воспроизводства организмов имеют много общего с регенеративными процессами. Вегетативное размножение, которое обычно происходит у растений, а иногда и у низших животных, представляет собой процесс, посредством которого целые новые организмы могут быть произведены из фракций родительских организмов; , например, , когда новое растение развивается из срезанной части другого растения, или когда определенные черви размножаются путем деления пополам, каждая половина затем выращивает то, что осталось.Чаще, конечно, размножение достигается половым путем путем соединения яйцеклетки и спермы. Это случай, когда целый организм развивается из одной клетки, оплодотворенной яйцеклетки или зиготы. Это замечательное событие, которое происходит у всех организмов, размножающихся половым путем, свидетельствует об универсальности регенеративных процессов. В ходе эволюции регенеративный потенциал не изменился, а изменились только уровни организации, на которых он выражен. Если регенерация является адаптивным признаком, то можно ожидать, что она будет чаще происходить среди организмов, которые, по-видимому, больше всего нуждаются в такой способности, либо потому, что велик риск травмы, либо большая польза, которую нужно получить.Однако реальное распределение возрождения среди живых существ на первый взгляд кажется довольно случайным. Действительно, трудно понять, почему некоторые плоские черви способны регенерировать головы и хвосты на любом уровне ампутации, в то время как другие виды могут регенерировать только в одном направлении или не могут регенерировать вообще. Почему пиявки не регенерируют, а их близкие родственники, дождевые черви, так легко восстанавливают утраченные части? У некоторых видов насекомых регулярно отрастают лишенные ноги, но у многих других эта способность отсутствует.Практически все современные костные рыбы могут регенерировать ампутированные плавники, но хрящевые рыбы (включая акул и скатов) не могут этого сделать. У земноводных саламандры регулярно регенерируют свои ноги, которые не очень полезны для передвижения в их водной среде, в то время как лягушки и жабы, которые в гораздо большей степени зависят от своих ног, тем не менее не могут их заменить. Если естественный отбор работает по принципу эффективности, то эти многочисленные несоответствия трудно объяснить.

Некоторые случаи настолько адаптивны, что появились не только механизмы регенерации, но и механизмы самоампутации, как если бы они использовали регенеративную способность. Самопроизвольная потеря части тела называется аутотомией. Деление простейшего на две клетки и разделение червя на две половины можно рассматривать как случаи аутотомии. Некоторые колониальные морские животные, называемые гидроидами, периодически сбрасывают свои верхние части. Многие насекомые и ракообразные самопроизвольно роняют ногу или коготь, если их ущипнуть или поранить.Ящерицы известны своей способностью выпускать хвосты. Даже сбрасывание оленями рогов может быть классифицировано как пример аутотомии. Во всех этих случаях аутотомия происходит в заранее определенном месте поломки. Казалось бы, где бы природа ни умудрялась добровольно потерять какую-то деталь, она дает возможность для замены.

Иногда, когда удаляется часть данной ткани или органа, не предпринимаются попытки регенерировать утраченные структуры. Вместо этого то, что остается позади, становится больше.Подобно регенерации, это явление, известное как компенсаторная гипертрофия, может иметь место только в том случае, если какая-то часть исходной структуры остается для реакции на потерю. Если, например, удалить три четверти печени человека, оставшаяся часть увеличится до массы, эквивалентной исходному органу. Сами по себе недостающие доли печени не заменяются, но оставшиеся вырастают настолько большими, насколько это необходимо, чтобы восстановить первоначальную функцию органа. Аналогичные реакции проявляют и другие органы млекопитающих.Почки, поджелудочная железа, щитовидная железа, надпочечники, половые железы и легкие в различной степени компенсируют уменьшение массы за счет увеличения остальных частей.

Не обязательно, чтобы регенерирующая ткань была получена из остатка исходной ткани. Через процесс, называемый метаплазией, одна ткань может быть преобразована в другую. В случае регенерации хрусталика у некоторых земноводных в ответ на потерю первоначального хрусталика из глаза новый хрусталик развивается из тканей на краю радужной оболочки на верхнем крае зрачка.Эти клетки радужной оболочки, которые обычно содержат гранулы пигмента, теряют свой цвет, быстро размножаются и собираются в сферическую массу, которая дифференцируется в новый хрусталик.

.

Исследование находит ключ к регенерации нервов - ScienceDaily

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили переключатель, который перенаправляет вспомогательные клетки периферической нервной системы в режим «восстановления», форму, которая восстанавливает поврежденные аксоны.

Аксоны - это длинные волокна на нейронах, передающие нервные импульсы. Периферическая нервная система, сигнальная сеть за пределами головного и спинного мозга, имеет некоторую способность восстанавливать разрушенные аксоны, но восстановление происходит медленно и часто недостаточно.

Новое исследование предлагает тактику, которая может вызвать или ускорить это естественное возобновление роста и помочь выздоровлению после физической травмы, говорит Джон Сварен, профессор сравнительных биологических наук в Школе ветеринарной медицины UW-Madison. Открытие также может относиться к генетическим аномалиям, таким как болезнь Шарко-Мари-Тута или повреждение нервов от диабета.

Сварен, старший автор отчета, опубликованного 30 августа в The Journal of Neuroscience , изучал, как шванновские клетки, которые охватывают аксоны в периферической нервной системе, трансформируются, чтобы играть гораздо более активную и «умную» роль после травмы.

Шванновские клетки создают изолирующую миелиновую оболочку, которая ускоряет передачу нервных импульсов. В режиме восстановления шванновские клетки образуют бригаду исправлений, которая добавляет к обычной изоляционной работе уборку дома и стимуляцию отрастания нервов.

Сварен и его аспирант Джозеф Ма сравнили активацию генов в шванновских клетках у мышей с интактными или вырезанными аксонами. «Мы видели, как набор скрытых генов становился активным, но только после травмы, - говорит Сварен, - и они запустили программу, которая переводит шванновские клетки в режим восстановления, где они выполняют несколько функций, необходимых для восстановления аксона.«

В режиме восстановления, но не в обычном, клетки Шванна начинают убирать дом, помогая растворять миелин, который необходим для правильного функционирования, но по иронии судьбы сдерживает регенерацию после травмы. «Если вы пригласите клетки Шванна на вечеринку, - говорит Сварен, - они вымоют бутылки и вымоют вашу посуду, прежде чем покинуть дом».

Эта очистка должна произойти в течение нескольких дней после травмы, говорит Сварен, руководящий центром клеточной и молекулярной нейробиологии в Центре Вайсмана в кампусе UW-Madison.

Шванновские клетки также выделяют сигналы, которые вызывают клетки крови для помощи в очистке, и они определяют путь, по которому аксон может вырасти заново. Наконец, они возвращаются к роли изолятора, чтобы вырастить заменяющую миелиновую оболочку на регенерированном аксоне.

Неожиданно, переход Шванна в репарационную форму не повлек за собой возврат к более примитивной форме, а скорее основан на изменении регуляции его генов. «Считается, что почти любая другая реакция на повреждение нервной системы, особенно в мозге, требует стволовых клеток для их заселения, но здесь стволовых клеток нет», - говорит Сварен.«Клетки Шванна перепрограммируются, чтобы настроить программу восстановления повреждений. Мы начинаем рассматривать их как активных игроков, выполняющих двойную роль в защите и регенерации аксона, и мы изучаем, какие факторы определяют начало и эффективность программы восстановления повреждений. . "

После того, как геном человека был расшифрован, эпигенетика - изучение регуляции генов - вышла на первый план с осознанием того, что гены не имеют большого значения, пока они не включены, и что генетические переключатели являются основной причиной, по которой кожа клетка не похожа на нервную клетку, а нервные клетки функционируют иначе, чем белые кровяные клетки.

В эпигенетике, как и везде в биологии, процессы часто регулируются посредством баланса между сигналами «стоп» и «вперед». В клеточном переходе Шванна Сварен и Ма идентифицировали систему под названием PRC2, которая обычно заглушает программу восстановления. «Этот путь представляет собой выключатель, который обычно выключен, - говорит Сварен, - и мы хотим знать, как включить его, чтобы начать процесс ремонта».

Природа системы сайленсинга генов верхнего уровня предполагает препараты, которые могут удалить метку сайленсинга с рассматриваемых генов, и Сварен говорит, что он обнаружил фермент, который может «убрать тормоза» и намеренно активировать программу восстановления, когда это необходимо в ответ. к травмам.

Даже если тесты на наркотики будут многообещающими, потребуются годы экспериментов, прежде чем систему можно будет проверить на людях. Кроме того, как признает Сварен, «многие факторы определяют, насколько хорошо аксон может регенерировать. Я не говорю, что этот единственный путь может привести к панацеи, но мы надеемся, что это важный фактор».

Сварен говорит, что неясно, как текущие данные о периферических нервах связаны с повреждением головного и спинного мозга, где о нейронах заботятся клетки другого типа.Однако есть некоторые сходства. Например, при рассеянном склерозе очистка должна предшествовать замене поврежденного миелина.

В конечном счете, исследование может открыть новую дверь в регенерацию, даже за пределами одного ключевого сектора нервной системы. «Мы думали о шванновской клетке как о статической сущности, которая была там только для производства миелина, но у них есть эта скрытая программа, в которой они становятся первыми ответчиками и инициируют множество действий, необходимых для регенерации аксона», - говорит Сварен.

.

Регенерация: Чему аксолотль может научить нас о восстановлении человеческих конечностей

Гаррет Данлэп
Фигурки Ребекки Сенфт

Только в Соединенных Штатах от потери конечностей страдают почти 2 миллиона человек. Хотя многие случаи связаны с травматическими событиями, такими как автомобильные аварии, большинство случаев потери конечностей вызвано заболеваниями, поражающими кровеносные сосуды тела. Одним из таких заболеваний является диабет, при котором постепенное снижение притока крови к нижним конечностям пациента может в конечном итоге привести к потере всей конечности.Если заболеваемость диабетом продолжит расти, вероятно, будет соответствующее увеличение числа людей, которым придется противостоять ампутации конечностей. К сожалению, нынешние терапевтические возможности после ампутации не сильно изменились по сравнению с столетиями назад, и протезы конечностей остаются единственным вариантом замены. Но хотя замененные протезы смогли заменить форму потерянной конечности, их функция остается крайне недостаточной, особенно когда утраченный придаток представляет собой целую руку или ногу.Так что, если вместо того, чтобы полагаться на деревянного или металлического самозванца, однажды мы просто отрастим потерянную конечность?

Многие животные обладают способностью к регенерации

Чтобы задуматься о том, как осуществить регенерацию конечностей человека, ученые обратили внимание на животных, которые уже демонстрируют эту способность. Ярким примером является аксолотль ( Ambystoma mexicanum ), вид водных саламандр. В отличие от людей, он обладает «сверхспособностью» регенерировать свои конечности, спинной мозг, сердце и другие органы.Но аксолотль - не единственный представитель животного мира, который может это делать ( Рисунок 1 ), так как многие беспозвоночные (животные без позвоночника) являются мастерами регенерации. Например, плоские черви и гидра могут полностью вырастить свое тело из крошечной части своего первоначального существа. Даже среди позвоночных (животных, у которых есть шипы) аксолотль - не единственное животное, способное к регенерации. Известно, что молодые лягушки отращивают конечности, но теряют эту способность, когда превращаются из головастиков во взрослых лягушек.С другой стороны, аксолотль сохраняет его на протяжении всей своей жизни, что делает его уникальным среди позвоночных и отличной моделью для изучения в исследованиях регенерации.

Рис. 1 : Многие животные проходят регенерацию (по крайней мере, в некоторой степени). Хотя аксолотль не единственный хозяин регенерации в животном царстве, это единственное позвоночное животное, которое может регенерировать многие части тела на протяжении всей своей жизни.

Хотя не существует известных млекопитающих, способных полностью регенерировать отсутствующие придатки, многие из них, в том числе люди, имеют намеки на регенеративный потенциал.Было замечено, что мыши могут регенерировать кончики пальцев ног, хотя потеря на ступне приводит к тем же рубцам, что и люди после ампутации. Известно также, что люди регенерируют кончики пальцев, включая кости и кожу. Многочисленные клинические отчеты за последние десятилетия документально зафиксировали такие случаи после травм. К сожалению, эта реакция ослабевает по мере того, как место потери находится ближе к ладони. Хотя эта способность, несомненно, помогла некоторым людям в случае травмы, она очень далека от способности аксолотля регенерировать полностью сформированную конечность со всеми ее нормальными мышцами, хрящами и другими тканями.

Как работает регенерация?

У аксолотлей процесс, который приводит к регенерации всей конечности ( Рисунок 2 ), включает сложную оркестровку выживших клеток конечности. После потери конечности ( B ) сгусток клеток крови быстро останавливает кровотечение в месте разреза. После этого слой клеток работает, чтобы быстро покрыть плоскость ампутации, образуя структуру, называемую эпидермисом раны ( C ).В течение следующих нескольких дней клетки эпидермиса раны быстро растут и делятся. Вскоре после этого клетки под эпидермисом также начинают быстро делиться, образуя конусовидную структуру, известную как бластема ( D ). Считается, что клетки, из которых состоит бластема, являются костными, хрящевыми, мышечными или другими клетками, которые де-дифференцируются (теряют свою идентичность), чтобы стать похожими на стволовые клетки, которые могут стать одним из многих различных типов клеток. Клетки бластемы, однако, имеют ограничения на типы клеток, которыми они могут стать: например, клетка бластемы, которая раньше была мышечной клеткой, может только переформировать различные типы мышечных клеток, но не клетки кожи или хряща.Эти недифференцированные клетки бластемы затем растут и размножаются, в конечном итоге восстанавливая свою идентичность как полностью развитые клетки костей или кожи ( E ). По мере того как бластема и ее клетки продолжают делиться, растущая структура становится плоской и в конечном итоге становится похожей на идеальную копию потерянной конечности, включая нервы и кровеносные сосуды, которые связаны с остальной частью тела ( F ).

Рисунок 2 : После травмы конечности аксолотля проходят многоступенчатый процесс восстановления утраченного придатка . Кожу, кости, хрящи и мышцы можно отрастать много раз без каких-либо признаков травмы.

Учимся у аксолотля

Чтобы даже задуматься о том, как однажды мы сможем отрастить потерянные человеческие конечности, ученые должны хорошо ознакомиться с изменениями, которые претерпевают клетки аксолотлей во время регенерации. Один из подходов, который до сих пор был успешным, - это обнаружение молекулярных изменений, которые заставляют аксолотль терять свою способность к регенерации, что может выявить наиболее важные компоненты и факторы регенерации.Например, было обнаружено, что иммунная система играет важную роль в процессе регенерации конечностей. Макрофаги, представляющие собой клетки, которые играют важную роль в воспалительной реакции после травмы, ранее были связаны с регенерацией. Фактически, инъекция лекарства для избавления от макрофагов в конечности аксолотля перед ампутацией приводит к накоплению рубцовой ткани вместо повторного роста. Это рубцевание, возникающее при нарушении функции белка, называемого коллагеном, является нормальным явлением при заживлении ран у людей, но необычно для аксолотлей.Этот результат предполагает, что макрофаги могут быть необходимы для регенерации. Также было показано, что настройка нервной системы мешает регенерации. Ученые заметили, что хирургическое удаление нервов конечности перед ампутацией может препятствовать регенерации, хотя работа еще не завершена, чтобы лучше понять, почему это происходит.

Однако все эти предыдущие методы основаны на необходимости удаления важной в остальном части здорового тела (например, иммунных клеток и частей нервной системы).Но сейчас ученые опускаются до уровня генов в поисках новых идей. Для этого исследователи сначала попытались ответить на вопрос, сколько раз конечность аксолотля может успешно регенерировать. Путем неоднократной ампутации конечностей было замечено, что к пятому разу несколько конечностей смогли восстановить свой прежний потенциал. Кроме того, когда конечности, которые не могли регенерироваться, были изучены дополнительно, исследователи снова обнаружили обширное образование рубцовой ткани, аналогичное тому, что часто наблюдается при травмах человека.Сравнивая гены, которые были включены или выключены, когда конечность аксолотля не могла вырасти заново, ученые обнаружили для изучения больше молекул и процессов, которые обещают запустить регенерацию у людей. Возможно, однажды появятся лекарства, которые модулируют эти гены, заставляя их включаться и помогать конечности человека вырасти после ампутации.

Взгляд в будущее

Хотя мы все еще далеки от того, чтобы отрастить человеческую конечность, мы ставим себя в невыгодное положение, если не понимаем, как происходит регенерация у счастливых животных, которые уже обладают этой «сверхспособностью».«С помощью инструментов, которые позволяют ученым видеть тонкие генетические детали процесса регенерации, мы постепенно приближаемся к пониманию того, что заставляет регенерацию работать. Чтобы проверить это, ученые усердно работают над разработкой новых инструментов, которые позволят им идентифицировать другие цели и начать передавать эти знания млекопитающим, например мышам, а это означает, что, возможно, однажды у миллионов людей, живущих с потерянными конечностями, появится новый путь лечения: регенерация.

Гарретт Данлэп - студент, кандидат биологических и биомедицинских наук.Программа D. в Гарвардском университете.

Для дополнительной информации:

.

Центральная нервная система: структура, функции и заболевания

Центральная нервная система состоит из головного и спинного мозга. Его называют «центральным», потому что он объединяет информацию от всего тела и координирует деятельность всего организма.

В этой статье дается краткий обзор центральной нервной системы (ЦНС). Мы рассмотрим типы вовлеченных клеток, различные области головного мозга, спинномозговые цепи и то, как болезни и травмы могут повлиять на ЦНС.

Краткие сведения о центральной нервной системе

Вот несколько ключевых моментов о центральной нервной системе. Более подробная и вспомогательная информация находится в основной статье.

  • ЦНС состоит из головного и спинного мозга.
  • Мозг - это самый сложный орган в организме, который использует 20 процентов общего количества кислорода, которым мы дышим.
  • Мозг состоит из примерно 100 миллиардов нейронов, каждый из которых связан с тысячами других.
  • Головной мозг можно разделить на четыре основные доли: височную, теменную, затылочную и лобную.

ЦНС состоит из головного и спинного мозга.

Мозг защищен черепом (полостью черепа), и спинной мозг проходит от задней части мозга вниз по центру позвоночника, останавливаясь в поясничной области нижней части спины.

Головной и спинной мозг находятся внутри защитной трехслойной мембраны, называемой мозговыми оболочками.

Центральная нервная система была тщательно изучена анатомами и физиологами, но до сих пор хранит много секретов; он контролирует наши мысли, движения, эмоции и желания.Он также контролирует наше дыхание, частоту сердечных сокращений, выброс некоторых гормонов, температуру тела и многое другое.

Сетчатка, зрительный нерв, обонятельные нервы и обонятельный эпителий иногда считаются частью ЦНС наряду с головным и спинным мозгом. Это связано с тем, что они напрямую соединяются с тканями мозга без промежуточных нервных волокон.

Ниже представлена ​​трехмерная карта CMS. Нажмите на нее, чтобы взаимодействовать и исследовать модель.

Теперь рассмотрим некоторые части ЦНС более подробно, начиная с мозга.

Мозг - самый сложный орган человеческого тела; Кора головного мозга (самая удаленная часть мозга и самая большая часть по объему) содержит примерно 15–33 миллиардов нейронов, каждый из которых связан с тысячами других нейронов.

В общей сложности около 100 миллиардов нейронов и 1 000 миллиардов глиальных (поддерживающих) клеток составляют мозг человека. Наш мозг использует около 20 процентов всей энергии нашего тела.

Мозг является центральным управляющим модулем тела и координирует деятельность.От физического движения до секреции гормонов, создания воспоминаний и ощущения эмоций.

Для выполнения этих функций некоторым отделам мозга отведены специальные роли. Однако многие высшие функции - рассуждение, решение проблем, творчество - включают различные области совместной работы в сетях.

Головной мозг примерно разделен на четыре доли:

Височная доля (зеленый): важна для обработки сенсорной информации и придания ей эмоционального значения.

Он также участвует в формировании долгосрочных воспоминаний. Здесь также размещены некоторые аспекты восприятия языка.

Затылочная доля (пурпурный): область обработки изображений головного мозга, в которой находится зрительная кора.

Теменная доля (желтая): теменная доля объединяет сенсорную информацию, включая прикосновение, пространственное восприятие и навигацию.

Кожная стимуляция прикосновением в конечном итоге направляется в теменную долю. Он также играет роль в языковой обработке.

Фронтальная доля (розовая): расположена в передней части мозга, лобная доля содержит большинство дофамин-чувствительных нейронов и участвует в внимании, вознаграждении, краткосрочной памяти, мотивации и планировании.

Области мозга

Далее мы рассмотрим некоторые конкретные области мозга более подробно:

Базальные ганглии: участвуют в контроле произвольных двигательных движений, процедурном обучении и принятии решений о том, какие двигательные действия выполнять .Заболевания, поражающие эту область, включают болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона.

Мозжечок: в основном участвует в точном двигательном контроле, но также в речи и внимании. Если мозжечок поврежден, основным симптомом является нарушение моторного контроля, известное как атаксия.

Область Брока: Эта небольшая область в левой части мозга (иногда справа у левшей) важна для обработки речи. При повреждении человеку трудно говорить, но он все еще может понимать речь.Заикание иногда связано с недостаточной активностью зоны Брока.

Corpus callosum: широкая полоса нервных волокон, соединяющая левое и правое полушария. Это самая большая структура белого вещества в мозгу, которая позволяет двум полушариям общаться. У детей с дислексией мозолистое тело меньше; левши, амбидекстры и музыканты обычно бывают крупнее.

Продолговатый мозг: простирается ниже черепа, он участвует в непроизвольных функциях, таких как рвота, дыхание, чихание и поддержание правильного кровяного давления.

Гипоталамус: Гипоталамус, расположенный прямо над стволом мозга и размером примерно с миндаль, секретирует ряд нейрогормонов и влияет на контроль температуры тела, жажду и голод.

Таламус: расположен в центре мозга, таламус получает сенсорную и двигательную информацию и передает ее остальной части коры головного мозга. Он участвует в регулировании сознания, сна, осведомленности и бдительности.

Миндалевидное тело: два миндалевидных ядра глубоко в височной доле.Они участвуют в принятии решений, памяти и эмоциональных реакциях; особенно отрицательные эмоции.

Поделиться на PinterestСпинной мозг передает информацию от мозга к остальным частям тела.

Спинной мозг, проходящий почти по всей длине спины, передает информацию между мозгом и телом, но также выполняет другие задачи.

Из ствола головного мозга, где спинной мозг встречается с головным мозгом, 31 спинной нерв входит в спинной мозг.

По своей длине он соединяется с нервами периферической нервной системы (ПНС), которые проходят через кожу, мышцы и суставы.

Моторные команды из мозга передаются от позвоночника к мышцам, а сенсорная информация передается от сенсорных тканей, таких как кожа, к спинному мозгу и, наконец, к головному мозгу.

Спинной мозг содержит цепи, которые управляют определенными рефлексивными реакциями, такими как непроизвольное движение, которое ваша рука могла бы сделать, если бы ваш палец коснулся пламени.

Цепи в позвоночнике также могут генерировать более сложные движения, такие как ходьба. Даже без участия головного мозга спинномозговые нервы могут координировать работу всех мышц, необходимых для ходьбы.Например, если мозг кошки отделен от позвоночника, так что мозг не контактирует с телом, она начнет самопроизвольно ходить, когда ее поместят на беговую дорожку. Мозгу требуется только остановить и запустить процесс или внести изменения, если, например, на вашем пути появляется объект.

ЦНС можно условно разделить на белое и серое вещество. Как правило, мозг состоит из внешней коры серого вещества и внутренней области, в которой находятся участки белого вещества.

Оба типа тканей содержат глиальные клетки, которые защищают и поддерживают нейроны.Белое вещество в основном состоит из аксонов (нервных отростков) и олигодендроцитов - типа глиальных клеток, тогда как серое вещество состоит преимущественно из нейронов.

Также называемые нейроглией, глиальные клетки часто называют опорными клетками нейронов. В головном мозге их больше, чем нервных клеток, от 10 до 1.

Без глиальных клеток развивающиеся нервы часто теряют свой путь и изо всех сил пытаются сформировать функционирующие синапсы.

Глиальные клетки обнаруживаются как в ЦНС, так и в ПНС, но каждая система имеет разные типы.Ниже приводится краткое описание типов глиальных клеток ЦНС:

Астроцитов: эти клетки имеют многочисленные выступы и прикрепляют нейроны к кровоснабжению. Они также регулируют местную среду, удаляя лишние ионы и перерабатывая нейромедиаторы.

Олигодендроциты: отвечают за создание миелиновой оболочки - этот тонкий слой покрывает нервные клетки, позволяя им посылать сигналы быстро и эффективно.

Эпендимные клетки: , выстилающие спинной мозг и желудочки мозга (заполненные жидкостью пространства), они создают и секретируют спинномозговую жидкость (CSF) и поддерживают ее циркуляцию с помощью своих хлыстоподобных ресничек.

Радиальная глия: действует как каркас для новых нервных клеток во время создания нервной системы эмбриона.

Черепные нервы - это 12 пар нервов, которые выходят непосредственно из головного мозга и проходят через отверстия в черепе, а не проходят по спинному мозгу. Эти нервы собирают и отправляют информацию между мозгом и частями тела, в основном шеей и головой.

Из этих 12 пар обонятельные и зрительные нервы отходят от переднего мозга и считаются частью центральной нервной системы:

Обонятельные нервы (черепной нерв I): передают информацию о запахах из верхней части носовой полости. к обонятельным луковицам на основании мозга.

Зрительные нервы (черепной нерв II): переносят визуальную информацию от сетчатки к первичным зрительным ядрам мозга. Каждый зрительный нерв состоит примерно из 1,7 миллиона нервных волокон.

Ниже приведены основные причины расстройств, влияющих на ЦНС:

Травма: В зависимости от места травмы симптомы могут широко варьироваться от паралича до расстройства настроения.

Инфекции: некоторые микроорганизмы и вирусы могут проникать в ЦНС; к ним относятся грибы, такие как криптококковый менингит; простейшие, включая малярию; бактерии, как в случае с проказой, или вирусы.

Дегенерация: В некоторых случаях спинной или головной мозг может дегенерировать. Одним из примеров является болезнь Паркинсона, при которой происходит постепенная дегенерация дофамин-продуцирующих клеток в базальных ганглиях.

Структурные дефекты: наиболее частыми примерами являются врожденные дефекты; включая анэнцефалию, когда части черепа, головного мозга и скальпа отсутствуют при рождении.

Опухоли: как раковые, так и доброкачественные опухоли могут поражать части центральной нервной системы.Оба типа могут вызывать повреждения и вызывать множество симптомов в зависимости от того, где они развиваются.

Аутоиммунные расстройства: В некоторых случаях иммунная система человека может атаковать здоровые клетки. Например, острый диссеминированный энцефаломиелит характеризуется иммунным ответом на головной и спинной мозг, атакующим миелин (изоляцию нервов) и, следовательно, разрушающим белое вещество.

Инсульт: Инсульт - это нарушение кровоснабжения головного мозга; в результате нехватка кислорода приводит к гибели тканей в пораженной области.

Различия между ЦНС и периферической нервной системой

Термин периферическая нервная система (ПНС) относится к любой части нервной системы, которая находится за пределами головного и спинного мозга. ЦНС отделена от периферической нервной системы, хотя эти две системы взаимосвязаны.

Между CNS и PNS существует ряд различий; одно отличие - размер ячеек. Нервные аксоны ЦНС - тонкие выступы нервных клеток, передающих импульсы, - намного короче.Аксоны нерва ПНС могут быть длиной до 1 метра (например, нерв, который активирует большой палец ноги), тогда как в ЦНС они редко бывают длиннее нескольких миллиметров.

Еще одно важное различие между ЦНС и ПНС заключается в регенерации (повторном росте клеток). Большая часть ПНС обладает способностью к регенерации; если нерв на пальце поврежден, он может отрасти заново. ЦНС, однако, не обладает этой способностью.

Компоненты центральной нервной системы подразделяются на множество частей.Ниже мы опишем некоторые из этих разделов более подробно.

.

Роль современных методов и концепций в восстановлении периферических нервов

Пациенты с повреждениями периферических нервов, особенно тяжелыми, часто сталкиваются с плохой регенерацией нервов и неполным функциональным восстановлением даже после хирургического восстановления нервов. В этом обзоре суммируются варианты лечения повреждений периферических нервов с использованием современных методов и концепций, а также рассматриваются достижения в исследованиях и клиническом применении этих методов лечения.

1. Введение

Несмотря на прогресс в понимании патофизиологии повреждения и регенерации периферической нервной системы, а также на достижения в области микрохирургических методов, повреждения периферических нервов по-прежнему представляют собой серьезную проблему для хирургов-реконструкторов.Повреждения периферических нервов - обычное и изнурительное явление, поражающее 2,8% пациентов с травмами и приводящее к значительной длительной инвалидности, особенно у пациентов с травмами руки [1]. Возникновение спонтанной регенерации аксонов после повреждения отражает тенденцию к восстановлению поврежденных периферических нервов. Хотя их способность к регенерации выше, чем у центральной нервной системы, полное выздоровление происходит довольно редко, направлено неправильно или связано с изнурительной нейропатической болью [1].Фактически, удовлетворительные результаты обычно ограничиваются относительно небольшими травмами и отражают неврапраксию или аксонотмезис. Разорванный нерв не имеет шансов на спонтанное восстановление, и разрыв необходимо устранить микрохирургическим путем. Даже пациенты, подвергающиеся немедленному восстановлению нерва, подвергаются длительному периоду денервации дистальной мишени, учитывая, что скорость регенерации у людей приближается к 1 мм / день [2]. Периферическая нервная система (ПНС) также подвержена возрастным изменениям. Структурные и биохимические изменения, которые приводят к медленно прогрессирующей потере нейронов и нервных волокон, приводят к снижению регенеративной и реиннервирующей способности нервных волокон у пожилых людей.Достижение лучших результатов зависит как от достижений в области микрохирургических методов, так и от внедрения открытий молекулярной биологии в клиническую практику. Область исследования периферических нервов динамично развивается и концентрируется на более сложных подходах, апробированных на уровне фундаментальных наук. В этой главе мы рассматриваем будущие направления реконструкции периферических нервов, уделяя особое внимание индукции толерантности и минимальной иммуносупрессии для аллотрансплантации нервов, поддерживающей терапии на основе клеток и биоинженерии нервных проводников.

2. Классификация нервных повреждений

Классификация нервных повреждений, первоначально предложенная Седдоном в 1943 году (три степени повреждения) и Сандерлендом в 1951 году (пять степеней повреждения), впоследствии была расширена Маккинноном, чтобы включить шестую категорию, представляющую смешанная картина травм [3]. Уровень и степень травмы важны при выборе лечения. Согласно классификации Mackinnon, травмы первой, второй и третьей степени имеют потенциал для выздоровления и по большей части не требуют хирургического вмешательства [3].При травме первой степени нерв временно теряет проводящую сигнальную активность, но аксональный пучок остается неповрежденным. Эта травма восстанавливает функцию в течение трех месяцев. Травма второй степени восстанавливается медленно, со скоростью 1 дюйм в месяц. При этом типе повреждения аксон страдает, но соединительная ткань, окружающая нерв, остается нетронутой. Благодаря этому нерв может полностью регенерировать. Травмы третьей степени включают повреждение эндоневрия при сохранении эпиневрия и периневрия.Эти травмы плохо заживают без хирургического вмешательства. Восстановление идет медленно и часто неполно. Травмы четвертой и пятой степени более серьезны, и без хирургического вмешательства их не вылечить. При травме четвертой степени неповрежден только эпиневрий, а при травме пятой степени пересекается весь нерв. Шестая степень представляет собой комбинацию любого из пяти предыдущих уровней травмы.

Классификация типа травмы полезна для понимания прогноза и вероятности полного выздоровления.Из-за продольного характера травм от раздавливания на разных участках нерва можно увидеть разные уровни повреждения. Это наиболее сложное повреждение нерва для хирурга, поскольку некоторые пучки необходимо защитить, а не «понижать», тогда как другие потребуют хирургической реконструкции (Таблица 1).

Ira Внутрипасцикулярный отек, блокада проводимости

Классификация нервных повреждений
Сандерленд Седдон Травма Нарушение нейросенсорных функций Потенциал восстановления

Неврит, парестезия Полная (от 1 дня до 1 недели)
Возможна сегментарная демиелинизация Неврит, парестезия Полная (от 1 до 2 месяцев)

II Разорван аксон, эндоневральная трубка не повреждена Парестезия, эпизодическая дизестезия Полная (от 2 до 4 месяцев)

III Аксонотмезия Разрыв эндоневральной трубки Парестезия Медленная, я ncomplete (12 месяцев)

IV Только эпиневрий без изменений Гипестезия, дизестезия и формирование невромы Непрерывная неврома

Neuro V Нарушение непрерывности Анестетик, трудноизлечимая боль и образование невромы Нет

VI Комбинация вышеперечисленного Комбинация вышеперечисленного Непредсказуемая

3.Патофизиология дегенерации и регенерации нерва

После разрыва нерва дистальная часть начинает дегенерировать в результате активности протеазы и отделения от метаболических ресурсов тел нервных клеток. Валлеровская дегенерация дистальной культи включает инвазию миеломоноцитарных клеток, которые разрушают миелин и инициируют митоз в шванновских клетках. Дегенерация дистальных концов аксонов предположительно происходит за счет аутолитических механизмов (Рисунок 1 (а)). Цитоскелет начинает разрушаться, после чего происходит растворение клеточной мембраны.Проксимальный конец культи нерва набухает, но в результате ретроградной деградации повреждается минимально [4]. После разрушения цитоскелета и мембраны шванновские клетки, окружающие дистальную часть аксона, сбрасывают свои миелиновые липиды. Фагоцитозные клетки, такие как макрофаги и шванновские клетки, очищают миелин и остатки аксонов. Помимо очистки от остатков миелина, макрофаги и шванновские клетки также продуцируют цитокины (интерлейкин-6), которые усиливают рост аксонов [5]. После удаления обломков регенерация начинается на проксимальном отрезанном конце и продолжается в направлении дистальной культи.Новые отростки аксонов обычно исходят из узлов Ранвье, которые представляют собой немиелинизированные области аксона, расположенные между шванновскими клетками. Клетки Шванна помогают направлять цитоплазматические отростки аксонального отростка между базальной мембраной двух нервных окончаний [6]. Функциональная реиннервация требует, чтобы аксоны удлинялись, пока не достигли своей дистальной цели. У людей регенерация аксонов происходит со скоростью ~ 1 мм / день; таким образом, для заживления серьезных травм могут потребоваться месяцы [7]. Эта реиннервация не обходится без осложнений или вытекающей из них дисфункции.Неконтролируемое ветвление растущих аксонов в месте поражения, неправильное направление аксонов и ошибки реиннервации органов-мишеней являются частыми осложнениями [8]. С тех пор способность центральной нервной системы к регенерации не очень заметна по сравнению с периферической нервной системой. Хотя астроциты в ЦНС пролиферируют аналогично пролиферации шванновских клеток в ПНС, вместо этого они становятся «реактивными астроцитами» в ЦНС, производя глиальные рубцы, которые ингибируют регенерацию (рис. 1 (b)).

4.Ремонт нерва

Прямое восстановление нерва с помощью эпиневральных микрошвов по-прежнему является золотым стандартом хирургического лечения тяжелых травм аксонотмезиса и нейротмезиса. Эпиневральная пластика выполняется, когда коаптация без напряжения может быть достигнута в хорошо васкуляризованном ложе, которое было разработано Миллези. Грубое совпадение пучков проксимального и дистального нервных окончаний происходит в результате совмещения как пучков внутреннего нерва, так и поверхностных паттернов эпиневральных кровеносных сосудов.

Другие виды пластики включают сгруппированную пластику пучка, требующую внутринервной диссекции и прямого сопоставления и ушивания групп пучков [9].Это более практично в дистальном направлении большого периферического нерва конечности. Однако теоретические преимущества лучшего совмещения пучков с помощью этой техники нивелируются усилением травм и рубцеванием заживающего нерва изнутри из-за наличия постоянных швов. Несмотря на свою анатомическую привлекательность, общая групповая фасцикулярная пластика не лучше эпиневральной пластики по функциональным результатам [10].

5. Хирургическая альтернатива восстановлению нерва: перенос нервов

Определение переноса нерва - это хирургическая коаптация здорового донора нерва на денервированный нерв.Обычно это делается для важной реконструкции двигательного нерва, хотя в равной степени его можно применить и к критическим чувствительным нервам. Для переноса нервов используется расходный моторный донорский нерв к менее важной мышце конечности [11]. Нерв перерезается, а затем присоединяется к поврежденному дистальному концу приоритетного двигательного нерва.

Преимущества переноса нервов хорошо описаны. В большинстве случаев имеется только один участок нейрорафии; с нервными трансплантатами их два. Кроме того, перенос нервов сводит к минимуму расстояние, на котором нерв должен регенерировать, потому что он ближе к целевому органу и более специфичен [12].Чистые моторные доноры присоединяются к моторным нервам, а сенсорные доноры - к сенсорным нервам, оптимизируя регенерационный потенциал. В отличие от переноса сухожилия, когда перенос нерва проходит успешно, восстановленная функция аналогична исходной функции мышц, поскольку может быть достигнуто синхронное физиологическое движение. При более быстром восстановлении нервов возможно более быстрое двигательное переобучение. Цель состоит в том, чтобы максимизировать функциональное восстановление с быстрой реиннервацией денервированных двигательных целей. Наиболее частые применения переноса двигательного нерва включают восстановление сгибания локтя, отведения плеча, внутренней функции руки, иннервируемой локтевым суставом, функции лучевого нерва и восстановления улыбки после паралича лицевого нерва [13].Aszmann et al. сообщили о серии случаев из трех пациентов, которые успешно прошли курс лечения бионической реконструкцией для восстановления функции руки после травмы плечевого сплетения [14]. В другой публикации обсуждались роль и механизм пластичности мозга в регенерации нервов [15].

6. Роль альтернативных стратегий ремонта
6.1. Нервные проводники

Исследования показывают, что нервы регенерируют через короткий нервный промежуток через различные каналы, такие как вены, псевдопластинки и биоабсорбируемые трубки [16].На рисунке 2 показан общедоступный венозный канал, используемый для перекрытия разрыва нерва. Когда полый нервный канал используется для восстановления поврежденного периферического нерва, требуется дополнительный этап регенерации [17]. После травмы через канал и место дефекта образуется фибриновый мостик. Этот фибриновый кабель включает макрофаги и другие клетки, которые, как считается, участвуют в очистке от мусора. Фибриновый мост втягивается, когда шванновские клетки и капилляры начинают расти через щель, и регенерация идет как обычно [18].Неясно, происходит ли образование фибринового кабеля в отсутствие канала или когда канал содержит внутреннюю матрицу.


Характеристики идеального нервного канала включают низкую антигенность, доступность и способность к биоразложению. Преимущества венозных трансплантатов были использованы для реконструкции дефектов дистальных сенсорных нервов менее 3 см. Сенсорные результаты при трансплантации вен были приемлемыми, но не такими хорошими, как при традиционной трансплантации [19]. По этой причине венозные трансплантаты рекомендуются только для реконструкции некритических нервных промежутков менее 3 см [20].

Регенерация нервов через промежуток 3 см через биоразлагаемую полигликолевую нервную трубку была продемонстрирована на модели приматов и в клинических испытаниях [9]. Клиническое выздоровление было сравнимо с выздоровлением при аутотрансплантате нерва. Введение короткого фрагмента материала нервного трансплантата в центр канала усилит регенерацию, обеспечивая локальный источник трофических факторов [21]. Доступность биоразлагаемых синтетических трансплантатов для перекрытия коротких нервных промежутков устранит болезненность, связанную с забором нервных трансплантатов, и позволит извлечь выгоду из потенциальных преимуществ нейротропизма в управлении регенерацией нервов.В настоящее время доступны синтетические нервные проводники для реконструкции нервов малого диаметра с зазором ≤ 3 см или нервов большого диаметра с зазором ≤ 0,5 см [22]. Lohmeyer et al. может показать, что долгосрочное восстановление чувствительности после тубулизации пальцевого нерва зависит от длины нервной щели с лучшими результатами при длине <10 мм. По-видимому, регенерация нервов после тубулизации не прекращается через 12 месяцев. Manoli et al. продемонстрировали, что проводники мышцы-в-вены могут быть хорошей альтернативой аутотрансплантатам для реконструкции пальцевых нервов.Siemers et al. представили различные возможности тубулизации, включая их ограничения. Таким образом, использование нервных проводников превратилось из экспериментальной идеи в клиническую реальность за последние двадцать лет.

6.2. Нервные аутотрансплантаты и аллотрансплантаты

У пациентов с большими нервными промежутками, при которых необходимо перекрыть травму, использование аутотрансплантата остается наиболее надежным методом восстановления [23]. В то время как нервные проводники зависят от стабильности фибринового сгустка, нервный трансплантат обеспечивает оригинальный внутренний каркас с сотнями и тысячами трубок базальной пластинки для поддержки миграции шванновских клеток и аксонов.Три основных типа аутотрансплантатов - это кабельные трансплантаты, стволовые трансплантаты и трансплантаты васкуляризированных нервов [10]. Кабельные трансплантаты представляют собой несколько секций небольших нервных трансплантатов, расположенных параллельно, чтобы соединить пучковые группы. Трансплантаты туловища представляют собой смешанные моторные и сенсорные трансплантаты. Трансплантаты ствола имеют плохие функциональные результаты из-за их нестабильности и большого диаметра, что препятствует его способности правильно реваскуляризовать центр трансплантата. Преимущество васкуляризованных нервных трансплантатов состоит в том, что по сравнению с неваскуляризованными трансплантатами отсутствует период ишемии, и устраняется необходимость в реваскуляризации; однако были получены противоречивые результаты, демонстрирующие их клиническое превосходство над неваскуляризованными трансплантатами.Чаще всего используются сенсорные донорские нервы, причем чаще всего берется икроножный нерв. Кроме того, обычно рекомендуется выбирать трансплантат, который на 10-20% длиннее существующей нервной щели, чтобы обеспечить восстановление без напряжения [23]. Хотя не существует крупных клинических исследований, сравнивающих эти методы, в случаях, когда диаметр не соответствует диаметру, наиболее часто используемым подходом является использование кабельных трансплантатов.

Аллотрансплантаты нервов продемонстрировали клиническую полезность при восстановлении обширных повреждений периферических нервов при нехватке донорского нервного материала [23].Аллотрансплантаты, используемые при повреждениях периферических нервов, коммерчески обрабатываются так, чтобы не содержать клеток и белков. Это позволяет аллотрансплантату нерва служить каркасом, который со временем заселяется аксонами хозяина и шванновскими клетками. В результате он бросает вызов иммунной системе только на ограниченный период времени. Такролимус успешно применялся у пациентов, получавших аллотрансплантаты периферических нервов, причем его положительные эффекты объяснялись его двойной функцией как иммуносупрессивного и нейрорегенеративного агента [24].Подобно аутотрансплантатам, аллотрансплантат нерва обеспечивает основу для регенерации нерва, но имеет потенциал для более короткого времени операции, обильного снабжения и отсутствия болезненности донорского участка. Потенциальные кандидаты на аллотрансплантацию периферических нервов получают аллотрансплантаты нервов от доноров, прошедших скрининг на определение группы крови по системе ABO, ВИЧ и цитомегаловирус [25]. Недавнее многоцентровое ретроспективное исследование оценило семьдесят шесть восстановлений нервов, выполненных в различных центрах в относительно гетерогенной группе (сорок девять сенсорных, восемнадцать смешанных и девять моторных) с использованием обработанного аллотрансплантата нерва человека [26].Анализ подгрупп проводился для определения влияния типа нерва, длины промежутка, возраста пациента, времени восстановления, возраста повреждения и механизма повреждения на исходы. Гриффин и др. сообщили о значительном выздоровлении у 87,3% субъектов в подгруппах, используя как качественные, так и количественные показатели результатов, без ответа на лечение у восьми из субъектов [27]. Побочных эффектов, связанных с трансплантатом, не было. Кроме того, исследование показало функциональное восстановление в нервных промежутках до 50 мм.

Иммуногенность исторически вызывала озабоченность у аллотрансплантатов [28].Хотя шванновские клетки трансплантата демонстрируют основные комплексы гистосовместимости, которые вызывают ответ Т-клеток, пролиферация шванновских клеток-хозяев и облучение трансплантата улучшают регенерацию и гистологический результат в моделях на животных. Карабекмез и др. ретроспективно изучали кратковременное восстановление чувствительности после трансплантации децеллюляризованного трупного нерва у семи пациентов с десятью нервными промежутками, восемью пальцами и двумя локтевыми сенсорными [28]. Они исследовали 2-точечную дискриминацию и обнаружили, что все пациенты восстановили статическое 2-точечное различение на 10 мм или лучше с пятью хорошими результатами и пятью отличными результатами без случаев инфекции или отторжения.Хотя необходимы более крупные рандомизированные исследования, для небольших промежутков до 3 см результаты аллотрансплантата могут быть сопоставимы с таковыми для кондуитов по сенсорному исходу. Ray et al. сообщили об успехе на мышиной модели с сохранением холода в течение четырех недель для снижения иммуногенности [16]. В то время как большинство исследований было сосредоточено на восстановлении чувствительности, недавний дизайн исследования сравнивал восстановление моторики аутотрансплантата с аллотрансплантатом и коллагеновым каналом при поражениях седалищного нерва у крыс и обнаружил, что аутотрансплантат превосходит аллотрансплантат через шестнадцать недель после операции с точки зрения восстановления изометрической силы [27].Аллотрансплантат и аутотрансплантат превосходили коллагеновый канал (). Несмотря на этот прогресс, необходимы дальнейшие разработки, прежде чем рекомендовать использование аллотрансплантата вместо аутотрансплантата для более длинных нервных промежутков. Подводя итог, можно сказать, что нынешний золотой стандарт процедуры восстановления поврежденных периферических нервов - это использование аутологичных нервных трансплантатов.

6.3. Факторы роста

Совсем недавно исследования продемонстрировали эффективность применения факторов роста к просвету нервных проводников [18]. Исследования по использованию различных факторов роста для стимуляции регенерации периферических нервов постепенно увеличивались (таблица 2), с улучшением понимания нейротрофических компонентов, которые высвобождаются из нервных окончаний, и их влияния на рост и дифференцировку нервов.Эти нейротрофические факторы, экспрессируемые через разные промежутки времени во время регенерации нервов для ускорения роста аксонов, включают фактор роста нервов (NGF), нейротрофический фактор головного мозга (BDNF), цилиарный нейротрофический фактор (CNTF) и инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF- 1), все они секретируются шванновскими клетками [29].


Фактор роста Основная цель

NGF Сенсорные нейроны и малые аксоны
BDNF Сенсорные нейроны и большие аксоны
CNTF седалищный нерв
IGF-1 Воспалительные клетки, сенсорные и двигательные нейроны
VEGF Эндотелиальные клетки сосудов

Факторы роста фибробластов играют важную роль в росте и регенерации клеток и высвобождаются из поврежденных нервных окончаний [30].Последующие исследования работали над объединением FGF со структурными компонентами. Midha et al. использовали синтетический трубчатый мостовидный материал с 10 мкг / мл FGF-1 и коллагеновым матриксом в дефекте нерва 10 мм и определили увеличение только регенерации по сравнению с группой коллагенового матрикса [31]. После операции по декомпрессии лицевого нерва Hato et al. применил биоразлагаемый желатин, импрегнированный базисным FGF, вокруг регенерирующего обнаженного нерва и обнаружил повышенную скорость полного восстановления по сравнению с традиционной хирургией, демонстрируя эффективность FGF в усилении регенерации периферических нервов [32].Хотя механизм эффективности aFGFs неясен, существуют различные теории, в том числе увеличение количества шванновских клеток в области перереза ​​нерва, усиление неоваскулярной реакции, преимущество выживания для поврежденных нервных клеток и трофический эффект для обеспечение непрерывности вновь возникших аксонов.

Фактор роста нейронов (NGF) играет важную роль в физиологическом заживлении и регенерации нервов [33]. NGF, иммобилизованный на желатиновых мембранах или каркасах PLGL, способствует адгезии и выживанию шванновских клеток in vitro, а также разрастанию нейритов из клеток феохромоцитомы, что указывает на то, что этот подход потенциально полезен для создания нервных проводников для клинического восстановления нервов.Введение шванновских клеток в канал является относительно простым методом, который также увеличивает продукцию NGF [34]. Первые свидетельства указывают на то, что контролируемое высвобождение NGF микросферами или аденовирусами, экспрессирующими этот фактор, увеличивает функциональное восстановление поврежденных периферических нервов. Хотя органический растворитель, используемый для производства микросфер NGF, может поставить под угрозу активность NGF, возможность прямого добавления NGF в нервные каналы не изучалась в качестве альтернативы для местного лечения.

Глиальный фактор роста (GGF), еще один эпидермальный фактор роста, высвобождается из нейронов, который, как было показано, индуцирует пролиферацию шванновских клеток [35]. Он играет роль во взаимодействии между нейрональными и глиальными клетками в отношении заживления периферических нервов. GGF, введенный в канал при дефектах 2–4 см на модели малоберцового нерва кролика, увеличивал количество вновь образованных шванновских клеток, значительно улучшал регенерацию аксонов и значительно снижал потерю мышечной массы по сравнению с контрольной группой [36].Цилиарный нейротрофический фактор (CNTF) содержится в цитоплазме миелиновых шванновских клеток и увеличивает выживаемость нейронов после аксотомии [37]. Он выделяется непосредственно по окружности нейрона. Он использовался в силиконовых трубопроводах при дефектах седалищного нерва крысы длиной 10 мм и увеличил диаметр и количество аксонов, миелинизацию и скорость проводимости двигательного нерва, тем самым увеличив амплитуду мышечного действия по сравнению с контролем [37].

Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) лучше всего описан из-за его влияния на биологию эндотелиальных клеток и его роли в неоваскуляризации; однако сообщалось, что VEGF также оказывает положительное влияние на регенерацию нервов [38].Hobson et al. продемонстрировали, что гель на основе ламинина (матригель) и VEGF (500–700 нг / мл), нанесенный на силиконовый канал в 1-сантиметровом дефекте седалищного нерва крысы, усиливает проникновение кровеносных сосудов вокруг нервных клеток и увеличивает миграцию шванновских клеток и регенерацию аксонов [39 ]. Таким образом, импрегнация нейротрофических факторов, таких как NGF или FGF-1, в искусственные фибриллы коллагена / ламинина представляет собой захватывающую новую терапевтическую парадигму в сочетании с современными хирургическими методами.

6.4. Neural Tissue Engineering

Достижения в области биоинженерии предоставляют дополнительные биологически стабильные материалы, которые обладают способностью интегрировать агенты или факторы, стимулирующие рост, в просвет канала.Одним из основных недостатков современных технологий трансплантации нервов является необходимость наличия вторичного донорского участка и, как следствие, участка повреждения и восстановления. Комбинация тканевой инженерии с посевом клеток может служить альтернативой нервным трансплантатам без необходимости вторичной хирургии. Идеальный нервный проводник требует пористого, биосовместимого, биоразлагаемого, проводящего и устойчивого к инфекциям каркаса [40]. Основной проблемой является разработка строительных лесов, которые могут правильно сочетать все требуемые свойства.Кроме того, выравнивание клеточного и внеклеточного матрикса имеет решающее значение для адекватного функционирования биологических тканей. В нервной системе коллагеновые волокна ориентируются в ответ на векторы силы, а также усиливают ECM. Большая часть исследований в области тканевой инженерии сосредоточена на разработке анизотропных каркасов, которые обеспечивают поддержку, связанную с правильно выровненным ECM [41]. С помощью нервного трансплантата выровненные шванновские клетки способны поддерживать и направлять регенерирующие нейриты в месте восстановления, и воссоздание этой анизотропной трехмерной клеточной архитектуры является фокусом многих исследований восстановления периферических нервов.Современные методы разработки анизотропных клеточных субстратов, способствующих регенерации нервов, включают использование выровненных волокон, засеянных шванновскими клетками, сделанных из синтетических полимеров [42], микроструктурированного трехмерного нервного волокна на основе коллагена с продольными каналами, засеянного шванновскими клетками [43], засеянного бесклеточного нервного матрикса со стволовыми клетками, полученными из жировой ткани [44], и микропроцессорами, состоящими из полилактидных трубок, засеянных нервными стволовыми клетками [40].

7. Соображения по оптимизации терапии стволовыми клетками для восстановления периферических нервов

Несмотря на то, что были разработаны различные стратегии для усиления нейрорегенерации в ответ на травму, обстоятельства, при которых потеря клеток является обширной, например, после значительного повреждения или в ответ на дегенеративный заболевания нервной системы, вероятно, потребуют полной замены клеток.В надежде на регенерацию ткани посредством замены клеток многие усилия были сосредоточены на использовании стволовых клеток в качестве источника «замещающих» клеток [45]. В этом случае стволовые клетки могут быть получены перед реконструктивной операцией. Нервные стволовые клетки были выделены из головного, спинного, скелетных мышц и костного мозга грызунов.

Стромальные клетки костного мозга, также известные как мезенхимальные стволовые клетки (МСК), были успешно трансдифференцированы в нервные клетки [46]. Поскольку МСК можно относительно легко выделить из аспиратов костного мозга и размножить в культуре, они представляют собой интересную альтернативу трансплантации шванновских клеток.После имплантации NC в просвет седалищного нерва крысы 5 мм функциональное восстановление с точки зрения скорости проведения и функционального индекса седалищного нерва было значительно улучшено по сравнению с контрольным NC без МСК [47]. Функциональное восстановление было аналогично восстановлению, полученному с NC, нагруженным шванновскими клетками. Аналогичный результат для двух нагруженных клетками групп NC весьма примечателен, учитывая, что только около 5% МСК трансдифференцировались в фенотип, подобный шванновским клеткам, в то время как основная популяция клеток сохраняла недифференцированный фенотип, о чем свидетельствует окрашивание белка S100 [47]. ].Паракринные эффекты МСК, вероятно, играют роль в наблюдаемом фенотипе наряду с отложением компонентов базальной пластинки [48]. Хотя механизм трансдифференцировки МСК и молекулярная перекрестная связь между МСК и периферическими нервами до конца не изучены, МСК могут стать многообещающим и обширным терапевтическим источником для клеточных подходов к регенерации нервов [49].

В одном исследовании сравнивали способность нервной дифференцировки между человеческими стволовыми клетками мышечного происхождения и человеческими стволовыми клетками, полученными из жировой ткани (hADSC) in vitro, и было обнаружено, что дифференцированные нервными клетками hADSC имели значительно более высокие уровни мРНК и белка нейронального маркера β -тубулин III и глиальный маркер GFAP по сравнению с нейронно дифференцированными hMDSCs, демонстрируя, что hADSC обладают более высокой способностью к дифференцировке по сравнению с hMDSCs [50].На мышиных моделях стволовые клетки, полученные из мышечной ткани человека, также продемонстрировали способность к адаптации в нейрональных тканях [51]. Когда стволовые клетки, полученные из скелетных мышц взрослого человека (hMDSC), были трансплантированы в место повреждения седалищного нерва, приживление hMDSC способствовало регенерации аксонов, что привело к функциональному восстановлению без каких-либо побочных эффектов через 18 месяцев после трансплантации [51]. Эти данные демонстрируют возможность использования hMDSC для лечения нейропатий человека.

Между прочим, стволовые клетки также были выделены из волосяных фолликулов и приняли характеристики клеток Шванна, будучи помещенными между культями перерезанного периферического нерва [52].Однако извлечение большого количества стволовых клеток волосяного фолликула кажется более трудоемким, чем сбор МСК. Интересно, что через 2–5 недель после трансплантации стволовые клетки, имплантированные в поврежденный спинной мозг крысы, выжили; дифференцируется на нейроны, астроциты и олигодендроциты; и мигрировал на 8 мм от очага поражения. Крысы, получившие трансплантированные стволовые клетки, показали улучшенное функциональное восстановление [53]. Аналогичным образом, другие исследования также показали, что стволовые клетки, имплантированные в поврежденный спинной мозг, дифференцируются в нейроны и глиальные клетки [4].Следовательно, было высказано предположение, что окружающая среда является более важным фактором в судьбе нервных стволовых клеток, чем внутренние свойства клетки. Усиление контроля над дифференцировкой стволовых клеток с помощью лечения in vitro или использования стволовых клеток, которые ограничены нейрональным происхождением, может позволить трансплантации стволовых клеток давать более предсказуемые результаты. Таким образом, было показано, что стволовые клетки костного мозга способны дифференцироваться на нейрональные и глиальные фенотипы, и клиническое использование стволовых клеток костного мозга должно быть исследовано в будущем.

8. Электрическая стимуляция

Имеется ограниченное количество сообщений о применении электрических полей / градиентов через восстановленный периферический нерв для ускорения регенерации аксонов. Исследования на животных показывают, что всего один час прямой электрической стимуляции нерва сразу после восстановления перерезанного бедренного нерва у крысы способствует резкому увеличению кинетики реиннервации целевых мышц [54].

В пилотном клиническом исследовании после декомпрессии срединного нерва запястья 21 пациенту с синдромом запястного канала и атрофией тенара применялась электрическая стимуляция в течение одного часа [55].Группа электростимуляции показала доказательства ускоренной регенерации аксонов и реиннервации, о чем свидетельствует оценка количества двигательных единиц и исследования сенсорной и двигательной проводимости нервов.

9. Выводы

Требования к функциональной регенерации нерва сложны. Однако благодаря совместным усилиям ученых и инженеров из различных дисциплин экспериментальные работы в этой области достигли большого прогресса. В то время как пересадка нервов часто является клиническим золотым стандартом для более крупных повреждений нервов, недавние разработки с использованием факторов роста, стволовых клеток и нервных проводников должны расширить сферу возможностей восстановления периферических нервов.Новые потенциальные мишени для новых методов лечения были обнаружены благодаря более глубокому пониманию молекулярной биологии нервного развития и регенерации. Тканевая инженерия и нанотехнологии предлагают новые исследовательские терапевтические подходы, потенциально ориентированные на ускорение регенерации нервов и восстановление их функциональности. Как обсуждалось в этом обзоре, было достигнуто много значительных успехов в восстановлении и регенерации нервов. Дальнейшие исследования будут способствовать развитию терапевтических методов регенерации ПНС.Мы находимся на пороге прорыва в нашем нынешнем понимании, которое потенциально может изменить сферу восстановления периферических нервов, в конечном итоге предлагая новые возможности для пациентов с тяжелыми повреждениями нервов.

Конфликт интересов

О потенциальном конфликте интересов не сообщалось.

.

Смотрите также