Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 44. ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСІВ РЕГЕНЕРАЦІЇ У ЛЮДИНИ. РОЛЬ СТОВБУРОВИХ КЛІТИН У ПРОЦЕСАХ РЕГЕНЕРАЦІЇ

Пригадайте, як можна стимулювати процеси регенерації. Яка будова нирок і серця людини? Які клітини називають стовбуровими? Яка роль вітамінів у забезпеченні нормального обміну речовин в організмі людини? Що таке експресія генів? Що таке антиген та антитіло? Яка будова нейронів і синапсів?

Особливості процесів регенерації в організмі людини. Процеси регенерації в організмі людини обмежені. На жаль, жоден повністю втрачений орган відновитися не може. У людини добре виражена здатність до регенерації епідермісу (що ви неодноразово спостерігали на власному прикладі) та його похідних: нігтів, волосяного покриву. Якщо відразу після травмування звернутися до спеціалізованого медичного закладу, можливе відновлення пучків пальців. Здатні відновлюватися після переломів кістки. Високу здатність до регенерації має також печінка. Уявіть: навіть після втрати до 75 % своєї частини, печінка відновлює свою початкову масу та об’єм.

Залежно від здатності до поновлення клітини людини та інших ссавців можна поділити на три групи. До першої належать клітини епідермісу, епітелію слизової оболонки шлунково-кишкового тракту, формені елементи крові, які поновлюються досить швидко і легко. Клітини другої групи (наприклад, печінки, підшлункової залози, слинних залоз) поновлюються повільніше. Клітини третьої групи (як-от, один з типів кісткової тканини — остеоцити) до поділу не здатні. Слабка здатність до регенерації притаманна нервовій тканині (раніше таку здатність заперечували). У межах центральної нервової системи можливе утворення нових нейронів та їхніх сполучень (синапсів) з нейронами, що утворилися раніше.

Процеси регенерації відбуваються внаслідок міжклітинних і міжтканинних взаємодій під впливом біологічно активних речовин (гормонів, нейрогормонів), нервової та імунної систем. Вони регулюються нервовою, ендокринною, імунною системами. У людей молодого віку процеси регенерації виражені краще, ніж у людей похилого віку. Регенераційні процеси відбуваються повільніше в разі виснаження організму, тривалого голодування, недостатнього надходження в організм вітамінів.

Цікаво знати

Учені з Вістарського інституту (Філадельфія, США) відкрили в мишей ген (р21), який блокує здатність до регенерації. За відсутності цього гена (або ж коли цей ген стає неактивним) у тварин з'являлася здатність відновлювати ушкоджені або втрачені частини. На місці ушкоджень у них з'являлося скупчення однорідних клітин, здатних до інтенсивного розмноження, швидкого росту та подальшої диференціації. Завдяки цим процесам, які нагадують утворення пухлин, у подальшому відбувалася регенерація ушкодженої тканини або органа. Можна припустити, що тимчасове «вимкнення» відповідного гена в людини дасть змогу посилити процеси регенерації. Невже активність цього гена зашкоджує організмові, знижуючи його регенеративні здатності? Виявляється, пригніченням здатності клітин до необмежено активного поділу цей ген оберігає організм від утворення пухлин, зокрема злоякісних.

У разі ушкодження епідермісу шкіри чи епітелію слизової оболонки кишечнику процеси регенерації відбуваються за рахунок розмноження клітин та їхньої подальшої диференціації. В інших випадках (наприклад, при регенерації частини печінки) відновлюється не відокремлена або відмерла частина органа, а його маса та об’єм. Такі регенераційні процеси можуть бути пов’язані з гіпертрофією клітин: як збільшенням їхніх розмірів, так і збільшенням числа і розмірів окремих органел. Інтенсивність процесів життєдіяльності таких клітин підвищується. Це, наприклад, спостерігають у разі видалення одного з парних органів. Так, при видаленні однієї з нирок інша зазнає підвищеного навантаження і збільшується в розмірі, зростає її маса. Після хірургічного видалення частини печінки спостерігають гіпертрофію її клітин усередині неушкодженої частини. Завдяки таким процесам упродовж декількох тижнів відновлюється початкова маса та об’єм цього органа (мал. 44.1, 1).

Мал. 44.1. Регенерація органів у людини. 1. Пересадження (трансплантація) печінки в людини: а — у людини-донора хірургічним шляхом відокремлюють частинку печінки й пересаджують її іншій людині — реципієнту (б). Через певний час у донора та реципієнта об’єм і маса печінки можуть збільшуватись. 2. Ріст кістки після перелому: а — процеси регенерації починаються за рахунок окістя, далі за рахунок хрящової тканини відновлюються внутрішні шари кістки; б — ушкоджені частини кістки сполучаються між собою з утворенням наросту — кісткової мозолі, в якій хрящову тканину замінює кісткова

Після перелому кістки й утворення уламків її регенерація відбувається насамперед завдяки остеогенним клітинам внутрішнього шару окістя. Ці клітини належать до стовбурових. Якщо середовище має високий вміст кисню, вони диференціюються в остеобласти — клітини, основна функція яких — участь у формуванні органічного матрикса кісток. Якщо вміст кисню низький, вони диференціюються в клітини, що дають початок клітинам хрящової тканини. При переломах тіла кісток між кінцями утворених уламків формується особлива структура — кісткова мозоля, яка відіграє важливу роль у процесах їхнього зрощення. Оскільки остеогенні клітини у зовнішньому шарі кісткової мозолі розмножуються швидше, ніж проростають у неї кровоносні судини, то за нестачі кисню формується хрящова тканина, яка заповнює кісткову мозолю (мал. 44.1, 2). У міру накопичення мінеральних сполук хрящова тканина замінюється на губчасту кісткову. Потім губчаста кістка замінюється на компактну. Так відновлюється нормальна структура кістки, що регенерує. Процеси перебудови кісткової мозолі у нормальну кістку тривають приблизно рік. З віком у людини зростає вміст неорганічних речовин у кістці, тому й регенераційна здатність зменшується.

Процеси регенерації у людини вивчає регенеративна медицина. Це сучасний напрямок медицини, який опікується відновленням пошкодженої внаслідок травми або хвороби тканини чи органа стимулюванням внутрішніх відновлювальних процесів за участі власних стовбурових клітин або трансплантацією цих клітин, отриманих від донора. Регенеративна медицина виникла в тісній взаємодії біології, медицини та інженерії.

Застосування стовбурових клітин для лікування різних захворювань, відновлення організму після травм, запобігання передчасному старінню називають клітинною терапією. Це використання живих клітин різного походження, які в разі введення в організм пацієнта здатні до активного функціонування. Унаслідок цього функції певного органа або тканини відновлюються або поліпшуються.

Стовбурові клітини та їхня роль у процесах регенерації. Пригадаємо: клітини, що беруть участь у процесах формування тканин (гістогенезі), бувають стовбуровими (недозрілими), напівстовбуровими (клітини-попередники) та диференційованими (дозрілими). Стовбурові клітини здатні до поділу та подальшої диференціації, вони дають початок новим клітинам під час формування тканин або в процесі регенерації (мал. 44.2).

Мал. 44.2. З культури стовбурових клітин (а) можна отримувати клітини різних типів тканин. Завдання: охарактеризуйте клітини, зображені на малюнку

Стовбурові клітини здатні до самопідтримання. Після поділу материнської лише одна з двох дочірніх клітин диференціюється, а друга залишається стовбуровою (недиференційованою) (мал. 44.3). На відміну від інших клітин, здатних до поділу, стовбурові клітини можуть ділитися майже необмежену кількість разів. Крім того, вони стійкі до різних ушкоджувальних чинників. Під час старіння організму кількість стовбурових клітин зменшується, відповідно, знижується і здатність організму до регенерації. Важливою властивістю стовбурових клітин є їхня здатність виділяти білкові фактори росту.

Мал. 44.3. Властивості стовбурових клітин: після поділу материнської стовбурової клітини (а) одна з дочірніх дає початок клітині-попередниці, яка згодом перетворюється на один з типів диференційованих клітин (б), інша — залишається недиференційованою стовбуровою і зберігає здатність до поділу (в)

Розвиток багатоклітинних тварин і людини починається з поділів першої стовбурової клітини — заплідненої яйцеклітини (зиготи) або незаплідненої (у разі партеногенезу), згодом забезпечуючи формування всіх тканин та органів. Активність стовбурових клітин та їхня здатність до подальшого диференціювання регулюється цілим комплексом генів (нині їх відомо понад 600).

Стовбурові клітини людини поділяють на два типи. Перший — ембріональні стовбурові клітини, здатні безперервно розмножуватись і давати початок будь-якому типу спеціалізованих клітин. Цей тип стовбурових клітин можна утримувати в культурі в недиференційованому стані необмежений час. Такі культури широко використовують як в експериментальних дослідженнях, так і в клітинній терапії. Другий тип стовбурових клітин - це стовбурові клітини дорослого організму (наприклад, стовбурові клітини червоного кісткового мозку).

Ключові терміни та поняття

регенеративна медицина, клітинна терапія, стовбурові клітини.

Перевірте здобуті знання

1. Які особливості процесів регенерації в організмі людини? 2. Які тканини та органи людини регенерують краще, а які — гірше? 3. Що таке регенеративна медицина? Які завдання перед нею постають? 4. Що собою становить клітинна терапія? 5. Що таке стовбурові клітини? 6. Яка роль стовбурових клітин у процесах регенерації? 7. Які типи стовбурових клітин виділяють в організмі людини?

Поміркуйте

Що спільного та відмінного в процесах ембріонального розвитку людини і тварин та репаративної регенерації?