Danio pręgowany to członkowie rzadkiej grupy kręgowców, którzy są w stanie całkowicie wyleczyć przecięty rdzeń kręgowy. Dokładne zrozumienie, w jaki sposób zachodzi ta regeneracja, może dostarczyć wskazówek dotyczących strategii leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi. Takie urazy mogą być wyniszczające, powodując trwałą utratę czucia i ruchu.
Nowe badanie przeprowadzone przez Washington University School of Medicine w St. Louis przedstawia szczegółowy atlas wszystkich komórek zaangażowanych w regenerację rdzenia kręgowego danio pręgowanego i sposób, w jaki ze sobą współpracują. W nieoczekiwanym odkryciu naukowcy wykazali, że przeżycie i zdolność adaptacji samych odciętych neuronów są niezbędne do pełnej regeneracji rdzenia kręgowego. Co zaskakujące, badanie wykazało, że komórki macierzyste zdolne do tworzenia nowych neuronów — i zazwyczaj uważane za kluczowe dla regeneracji — odgrywają uzupełniającą rolę, ale nie kierują procesem.
Wyniki badania opublikowano w czwartek 15 sierpnia w czasopiśmie Nature Communications.
W przeciwieństwie do urazów rdzenia kręgowego u ludzi i innych ssaków, w których uszkodzone neurony zawsze umierają, uszkodzone neurony danio pręgowanego dramatycznie zmieniają swoje funkcje komórkowe w odpowiedzi na uraz, najpierw aby przetrwać, a następnie przyjąć nowe i centralne role w organizowaniu precyzyjnych zdarzeń, które rządzą gojeniem, odkryli badacze. Naukowcy wiedzieli, że neurony danio pręgowanego przeżywają urazy rdzenia kręgowego, a to nowe badanie ujawnia, jak to robią.
„Odkryliśmy, że większość, jeśli nie wszystkie aspekty naprawy neuronów, które próbujemy osiągnąć u ludzi, występują naturalnie u danio pręgowanego” — powiedziała starsza autorka Mayssa Mokalled, dr, adiunkt biologii rozwojowej. „Zaskakującym spostrzeżeniem, którego dokonaliśmy, jest to, że istnieją silne mechanizmy ochrony i naprawy neuronów zachodzące zaraz po urazie. Uważamy, że te mechanizmy ochronne pozwalają neuronom przetrwać uraz, a następnie przyjąć rodzaj spontanicznej plastyczności — lub elastyczności w ich funkcjach — która daje rybom czas na regenerację nowych neuronów w celu osiągnięcia pełnego powrotu do zdrowia. Nasze badanie zidentyfikowało cele genetyczne, które pomogą nam promować ten typ plastyczności w komórkach ludzi i innych ssaków”.
Mapując ewoluujące role różnych typów komórek zaangażowanych w regenerację, Mokalled i jej współpracownicy odkryli, że elastyczność ocalałych uszkodzonych neuronów i ich zdolność do natychmiastowego przeprogramowania po urazie prowadzą łańcuch zdarzeń, które są wymagane do regeneracji rdzenia kręgowego. Jeśli te ocalałe po urazie neurony zostaną wyłączone, danio pręgowany nie odzyska swojej normalnej zdolności pływania, mimo że regeneracyjne komórki macierzyste pozostają obecne.
Gdy długie okablowanie rdzenia kręgowego zostanie zmiażdżone lub przecięte u ludzi i innych ssaków, uruchamia to łańcuch zdarzeń toksycznych, które zabijają neurony i sprawiają, że środowisko rdzenia kręgowego staje się wrogie mechanizmom naprawczym. Ta toksyczność neuronalna może stanowić pewne wyjaśnienie niepowodzenia prób wykorzystania komórek macierzystych do leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi. Zamiast skupiać się na regeneracji za pomocą komórek macierzystych, nowe badanie sugeruje, że każda skuteczna metoda leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi musi zaczynać się od ratowania uszkodzonych neuronów przed śmiercią.
„Neurony same w sobie, bez połączeń z innymi komórkami, nie przeżywają” – powiedział Mokalled. „U danio pręgowanego uważamy, że przecięte neurony mogą przezwyciężyć stres związany z urazem, ponieważ ich elastyczność pomaga im nawiązać nowe lokalne połączenia natychmiast po urazie. Nasze badania sugerują, że jest to tymczasowy mechanizm, który kupuje czas, chroniąc neurony przed śmiercią i pozwalając systemowi zachować obwody neuronowe podczas budowania i regeneracji głównego rdzenia kręgowego”.
Istnieją pewne dowody na to, że taka zdolność występuje, lecz pozostaje uśpiona w neuronach ssaków, co zdaniem naukowców może być drogą do opracowania nowych terapii.
„Mamy nadzieję, że zidentyfikowanie genów, które odpowiadają za ten proces ochronny u danio pręgowanego – a których wersje występują również w ludzkim genomie – pomoże nam znaleźć sposoby na ochronę neuronów u ludzi przed falami obumierania komórek, które obserwujemy po urazach rdzenia kręgowego” – powiedziała.
Chociaż badanie to koncentruje się na neuronach, Mokalled powiedziała, że regeneracja rdzenia kręgowego jest niezwykle złożona, a przyszłe prace jej zespołu będą polegać na zagłębieniu się w nowy atlas komórek, aby zrozumieć wkład innych typów komórek w regenerację rdzenia kręgowego, w tym komórek nieneuronalnych, zwanych glejami, w ośrodkowym układzie nerwowym, a także komórek układu odpornościowego i naczyń krwionośnych. Prowadzą również trwające badania porównujące wyniki u danio pręgowanego z tym, co dzieje się w komórkach ssaków, w tym w tkance nerwowej myszy i człowieka.