Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

REGENERÁCIÓ ÁLLATMODELLEKBEN

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Dr. Balogh Péter és Dr. Engelmann PéterTranszdifferenciáció és regeneratív medicina – 3. előadás

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

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

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A soksejtű szervezetek regenerációs típusai

Fiziológiai regeneráció

Reparatív regeneráció

Hipertrófia

Morphallaxis

Szövetsérülés vagy vesztés

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Az őssejtek evolúciója• Az ősi ostoros egysejtűekből egy sejttömeg

jön létre.• A felületen lévő sejtek osztódó és nem

osztódó sejtekké alakulnak át, melyeket unipotens őssejteknek és normál testi sejteknek nevezhetünk.

• A soksejtűség kialakulásával megnőtt az igény olyan migráló őssejtekre, melyek képesek átvenni a szervezet belsejében található sejtek szerepét.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció a szivacsokban (Porifera)• A szivacsok egyik sejtpopulációja az archeociták,

aktív őssejtek.• Az archeociták számos különböző sejttípussá

differenciálódhatnak és önmegújhodásra is képesek.• Az archeocitákból képződnek a choanociták (légző

és emésztő funkció) és a sclerociták (természetes immunsejtek).

• Az archeociták oocitákat, a choanociták spermiumot hoznak létre.

• Különleges esetben a choanociták átalakulhatnak transzdifferenciációval archaeocitákká.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Őssejtvonalak a Hydra-ban• A hidra testfalának epiteliális sejtjei állandóan

mitotikusan osztódnak, továbbá mind ektodermális és endodermális epitél sejtcsoportok léteznek.

• Ezt a két epitél sejtcsoportot őssejtek hozzák létre. A hidra epitél sejtjei képesek sikeres osztódások során önmegújhodásra és más specializált sejttípusok létrehozására (láb/tapogatók sejtjei).

• Emellett egy interstitiális őssejt-réteg is képződik.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regenerálódás a Hydra-ban• Kísérletesen szétszedett hidrák képesek újra

aggregálódni 48 órán belül. • A különböző egyedek nem növelik meg a

testméretüket, mivel a növekedés csak az elvesztett szövetek pótlására szolgál a gyomor és a tapogatók területén.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

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

Oct3/4??)

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció a laposférgekben I.• A laposférgek édesvízi tavakban és forrásokban

található kétoldali szimmetriájú állatok.• A laposférgek igen nagy regenerációs képességgel

rendelkeznek, hogy sérült, elvesztett régióikat pótolják.

• A planáriák regenerációja az un morphallaxis.• A morphallaxis során a sejtosztódás, regeneráció a

sérült szövettől távolabb történik.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011Regeneráció a laposférgekben II. Neoblasztok• A planáriák kétoldali regenerációját a neoblasztok

irányítják.• A planária sejtjeinek mintegy 30%-a neoblaszt.• Neoblasztokat találhatunk a belső mezenhimális

régióban, kivéve a garati szakaszt.• A neoblasztok mitózissal osztódnak, és

önmegújításra képesek. Ezek az egyedüli osztódó sejtek a laposférgekben.

• Ha a egy planária megsérül, akkor a sérülés helyére a neoblasztok bevándorolnak és osztódni kezdenek.

• A neoblasztok bármilyen sejttípus létrehozására képesek (idegsejtek, reproduktív sejtek).

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

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

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Az axonok regenerációs képessége C. elegans-ban• Sérülés után számos állatban, kivéve az emlősöket,

az axonok regenerálódhatnak.• Ha lézeres sebészeti sérülést okozunk a C. elegans

idegrendszerében, mintegy 4-5 óra elteltével az axon regeneráció jelei mutatkoznak és 6-10 óra elteltével megjelenik a növekedési kúp is.

• DLK-1 jelátvitel vesz részt ebben a regenerációs folyamatban.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A gyűrűsférgek regenerációja • Évtizedek óta ismert az, hogy a gyűrűsférgek

képesek a sérült / elvesztett testrészüket pótolni, regeneráció révén.

• A regeneráció molekuláris háttere részleteiben nem ismert.

• A sérülés bekövetkezte után 6-10 óra elteltével neoblaszt sejtek jelennek meg a sérülés helyén és pótolják a károsodott szöveteket.

• További érdekesség, hogy az epitél sejtek idegsejtekké történő transzdifferenciációja is megfigyelhető volt a sérült szövetekben.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció a rovarokban • Néhány rovar képes arra, hogy pótolja elvesztett

végtagjait, illetve egyéb járulékos szerveit.• Más rovarfajokban, mint pl. a Drosophila, a felnőtt

egyedek nem képesek regenerációra, de lárvaállapotban figyelemreméltó regenerációs kapacitással rendelkeznek az imaginális diszkuszok.

• A rovarok regenerációjában számos faktor vesz részt: decapentaplagic (dpp), wingless (wg) molekulák, stb.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció és kolónia fúzió az előgerinchúrosokban • Az előgerinchúrosok (korai fejlődési stádiumban)

közös fejlődési vonalat képviselnek a gerincesekkel.• Ezek a telepes soksejtűek őssejtjeik révén képesek

regenerálódásra.• A kolónia képződés a saját / nem saját

szövetfelismerésen, melyet egy polimorf gén (Fu/HC) mediál illetve a kolóniák közötti ivari és a testi sejtek recirkulációján alapul.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció a gerincesekbenA regenerációnak alapvetően két típusa van:• Epimorfózis vagy epimorfikus regeneráció: Ezen

regenerálódás során az elvesztett testrész, a blasztémák helyi osztódása során pótlódik és adódik hozzá a megmaradt régióhoz. Például: a kétéltűek és más gerincesek farok, végtag és szemlencse regenerációja.

• Morphallaxis or morphallaktikus regeneráció: Ez a típus a megmaradt testrész újraszerveződését jelenti, majd az elvesztett testrész pótlása történik meg. Például: a hidra, planária és más gerinctelen fajok regenerálódása.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regeneráció a halakban I.Az uszony regenerálódása 4 fő szakaszra bontható:1. Sebgyógyulás/záródás 3 óra elteltével2. Blasztéma képződés 1 napon belül3. Regenerációs növekedés, mely differenciálódásba

vezet 2 nap után4. Blasztéma mintázatképződés

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

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

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

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

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Epimorfózis vagy epimorfotikus regenerációA farok regenerációja kétéltűekben és hüllőkben:

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

Hüllők: Hasonlóan a kétéltűekhez a gyíkok regenerálódó farka egy tulajdonképpeni szegmentálatlan porcos cső , ami tartalmazza a regenerálódott gerinchúrt ami a centrális csatorna ependimájából képződik.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regenerációs hasonlóságok

1

2

3

4

5

5

1 1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4 2

3

4

5

1

5

1

2

3

4

5

Kété

ltűek

Rova

rok

Tran

szpl

antá

ció

Beék

előd

és

Tran

szpl

antá

ció

Nin

cs b

eéke

lődé

s

1

2

3

4

3

2

3

4

5

1

2

3

42

3

4

5

Tran

szpl

antá

ció

Beék

előd

és

Tran

szpl

antá

ció

Beék

előd

és

1

2

3

4

5

PD deléció PD duplikáció

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Regenerációs bevésődésAmputáció

MA11A13

MA11A13

MA11A13

InaktivációOff

AktivációOnOn On

Nincs expresszió

MemorizáltÚjonnan képződött

Génexpresszió

On Off

Off

On

Off

On

Off

On

Off

Off

On

Off

Off

On

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A végtag regenerációjaA regeneráció 3 stádiumra osztható:1. Sebgyógyulás vagy preblasztéma stádium:

Véralvadás történik ill. az epidermisz bazális régiójából sejtek vándorolnak be a sérült szövet közepébe. A seb epitéliummal borított lesz ami vastagabb, mint a tulajdonképpeni végtagi epidermisz .

2. Blasztéma létrehozása :A sejtek az epitél burok mögött felszaporodnak és létrehozzák a blasztémát. A mezenhimális - blasztemális sejtek myoblasztokat, izomsejteket, korai porcsejteket majd porcot hoznak létre. A dedifferenciációs fázis alatt a csonk disztális részén a blasztéma képzés közben a hyaluronát (HA) szint megemelkedik. Ahogy a blasztéma tovább fejlődik, a HA szint lecsökken. A kollagén lebontása és a HA csökkenése jellemzi a vándorlás megindítását a sérült szövetből.

3. Dedifferenciációs és morfogenetikus fázis:A blasztéma helyrehozza a végtag hiányzó részét. Specifikusan, ha az alkari régió sérült, akkor a blasztéma alkar izommá, csonttá, porccá és bőrré alakul.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

A kétéltűek szemlencséjének regenerálódása 1. Miután a lencse sérült vagy eltávolításra került, a szivárványhártya

dorzális része megvastagodik és egy hasíték jelenik meg a külső és belső íriszlamellák között.

2. Amőboid sejtek vándorolnak be a hasítékba, megemelkedik az RNS és DNS szintézis ill. a mitotikus sejtosztódás.

3. A dorzális régió pigment sejtjeit bekebelezik a bevándorló amőboid sejtek.

4. A létrehozott nem pigmentált kubikális sejtek egy epitél alapú üreges hólyagot hoznak létre, ami kiterjed a belső és külső lamellákra.

5. A hólyag belső fala meghosszabbodik az üreg felé és létrehozza az elsődleges lencserost sejteket.

6. A lencse specifikus crytallin fehérje termelődni kezd.7. Az elsődleges lencserostok a hólyag elülső felébe kerülnek, ahol

középső magot formáznak a lencse epitélium mögött, mely létrehozza a másodlagos lencserostokat.

8. A másodlagos lencserostok körbeveszik az elsődleges rostokat.9. A közbülső részen a magi lencserostok degenerálódnak.

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Az idegi őssejtek differenciálódási kapacitása

Differenciáció

NogginLow-RA FGF-2 FGF-2

Passzázs (6 nap)

in vitro

in vivo

Testi sejtek

Neurogenezis

Neurogenezis

Korai neurogenezisProjektáló neuronCholinerg neuron

Dopaminerg neuronMotor neuron

Neuron

Gliogenezis

Gliogenezis

Késői neurogenezisInterneuron

GABAerg neuron

NeuronAsztrocita

Oligodendrocita

Differenciáció

iPS sejtekES sejtek

Embrioidtestecske

Primérneuroszféra

Embrió

Másodlagosneuroszféra

Újszülött Felnőtt

Blasztociszta

Blasztociszta

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

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

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Összefoglalás• Minden élő organizmus képes valamilyen szintű

regenerációra szövetsérülés után.

• Az evolúció korai fokán az állatok képesek a teljes szervezetet regenerálni, fejlettebb evolúciós stádiumokban ez a regenerációs képesség csak bizonyos szövetekre jellemző.

• Neoblasztok, hemoblasztok, progenitor alakok és őssejtek vesznek részt ebben a folyamatban.