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.