Регенерация (от лат. regeneratio — возрождение) — процесс восстановления биологических структур в ходе жизнедеятельности организма. Регенерация поддерживает строение и функции организма, его целостность.Регенерационные процессы реализуются на разных уровнях организации — молекулярно-генетическом, субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном.На молекулярно-генетическом уровне осуществляется репликация ДНК, ее репарация, синтез новых ферментов, молекул АТФ и т.д. Все эти процессы входят в обмен веществ клетки.На субклеточном уровне происходит восстановление структур клетки за счет образования новых структурных единиц и сборки органелл или деления сохранившихся органелл. Например, подвижные образования клеточной мембраны — рецепторы, ионные каналы и насосы — могут перемещаться, концентрироваться или распределяться в составе мембраны. Помимо этого они выходят из мембраны, разрушаются и заменяются новыми. Так, в миобластах каждую минуту деградирует и заменяется новыми молекулами примерно 1 мкм2 поверхности. В фоторецептор-ных клетках — палочках (рис. 8.73) есть наружный сегмент, состоящий примерно из тысячи так называемых фоторецепторных дисков — плотно уложенных участков клеточной мембраны, в которые погружены светочувствительные белки, связанные со зрительным пигментом. Эти диски непрерывно обновляются — деградируют на наружном конце и вновь возникают на внутреннем со скоростью 3-4 диска в час. Аналогично осуществляются процессы восстановления после повреждений. Воздействие митохондриальных ядов вызывает утрату крист митохондрий. После прекращения действия яда в печеночной клетке митохондрии восстанавливают свою структуру за 2-3 сут.Клеточный уровень регенерации подразумевает восстановление структуры и, в некоторых случаях, функций клетки. К примерам такого рода относится восстановление отростка нервной клетки нейрона. У млекопитающих этот процесс идет со скоростью 1 мм в сутки. Восстановление функций клетки может осуществляться за счет гиперплазии — увеличения количества внутриклеточных органелл (внутриклеточная регенерация).На следующем уровне — тканевом или клеточно-популяционном — происходит восполнение теряемых клеток определенного направления дифференцировки. Происходят перестройки в пределах клеточных по-пуляций, и их результатом становится восстановление функций ткани. Так, у человека время жизни клеток кишечного эпителия — 4-5 сут, тромбоцитов — 5-7 сут, эритроцитов — 120-125 сут. Ежесекундно разрушается порядка 1 млн эритроцитов и столько же образуется в красном костном мозге вновь. Возможность восстановления утраченных клеток обеспечивается благодаря тому, что в тканях существует два клеточных компартмента. Один — дифференцированные рабочие клетки, а другой — камбиальные клетки, способные к делению и последующей дифференцировке. Эти последние в настоящее время называют региональными стволовыми клетками (см. пп. 3.1.2, 3.2). Они коммити-рованы, т.е. судьба их предопределена (см. п. 8.3.1), поэтому они способны дать начало одному или нескольким определенным клеточным типам. Их дальнейшая дифференцировка определяется сигналами, поступающими извне: от окружения (межклеточными взаимодействиями) и дистантными (например, гормонами), в зависимости от которых в клетках избирательно активируются конкретные гены. Так, в эпителии тонкой кишки камбиальные клетки находятся в придонных зонах крипт (рис. 8.74). При определенных воздействиях они способны дать начало клеткам «каемчатого» всасывающего эпителия и некоторым одноклеточным железам.Органный уровень регенерации предполагает восстановление функции или структуры органа. На этом уровне наблюдаются не только преобразования клеточных популяций, но также и морфогенетические процессы. При этом реализуются те же механизмы, что и при формировании органов в эмбриогенезе. Та- Рис. 8.73. Схематическое изображение фоторецептора сетчатки — палочки: 1 — синаптическое тельце, примыкающее к нейральному слою сетчатки, 2 — ядро, 3 — аппарат Гольджи, 4 — внутренний сегмент с митохондриями, 5 — соединительная ресничка, 6 — наружный сегмент с фото-рецепторными дискамикая регенерация может осуществляться путем эпиморфоза, морфолаксиса, регенерационной гипертрофии. Эти способы и механизмы регенерации обсуждаются далее. На организменном уровне возможно в отдельных случаях воссоздание целостного организма из одной или группы клеток. Различают два вида регенерации: физиологическую и репаративную. Физиологическая (гомеостати-ческая) регенерация представляет собой процесс восстановления структур, которые снашиваются в процессе нормальной жизнедеятельности. Благодаря ей поддерживается структурный гомеостаз и обеспечивается возможность постоянного выполнения органами их функций. С общебиологической точки зрения физиологическая регенерация, как и обмен веществ, является проявлением такого важнейшего свойства жизни, как самообновление. Самообновление обеспечивает существование организма во времени и пространстве. В его основе лежит биогенная миграция атомов. На внутриклеточном уровне значение физиологической регенерации особенно велико для так называемых «вечных» тканей, утративших способность к регенерации путем деления клеток. В первую очередь это относится к нервной ткани, сетчатке глаза. На клеточном и тканевом уровнях осуществляется физиологическая регенерация в «лабильных» тканях, где Рис. 8.74. Локализация региональных стволовых клеток в эпителии тонкой кишки: 1 — неде-лящиеся клетки; 2 — делящиеся стволовые клетки; 3 — быстро делящиеся клетки; 4 — неделящиеся дифференцированные клетки; 5 — направление перемещения клеток; 6 — клетки, слущенные с поверхности кишечной ворсиныинтенсивность клеточного обновления очень велика, и в «растущих» тканях, клетки которых обновляются значительно медленнее. К первой группе относятся, например, роговица глаза, эпителий слизистой оболочки кишечника, клетки периферической крови, эпидермис кожи и его производные — волосы и ногти. Клетки таких органов, как печень, почка, надпочечник составляют вторую из указанных групп.Об интенсивности пролиферации судят по числу митозов, приходящихся на 1000 подсчитанных клеток. Если учесть, что сам митоз в среднем длится около 1 ч, а весь митотический цикл в соматических клетках в среднем протекает 22-24 ч, становится ясно, что для определения интенсивности обновления клеточного состава тканей необходимо подсчитать число митозов в течение одних или нескольких суток. Оказалось, что число делящихся клеток не одинаково в разные часы суток. Так был открыт суточный ритм клеточных делений, пример которого изображен на рис. 8.75.Суточный ритм числа митозов обнаружен не только в нормальных, но и в опухолевых тканях. Он отражает более общую закономерность, Рис. 8.75. Суточные изменения митотиче-ского индекса (МИ) в эпителии пищевода (1) и роговицы (2) мышей. Митотический индекс выражен в промилле (0/00), отражающем число митозов в тысяче подсчитанных клетока именно, ритмичность всех функций организма. Одна из современных областей биологии — хронобиология — изучает, в частности, механизмы регуляции суточных ритмов митотической активности, что имеет весьма большое значение для медицины. Существование самой суточной периодичности числа митозов указывает на регулируемость физиологической регенерации организмом. Кроме суточных, существуют лунные и годичные циклы обновления тканей и органов. Физиологическая регенерация присуща организмам всех видов, но особенно интенсивно она протекает у теплокровных позвоночных, так как у них вообще очень высока интенсивность функционирования всех органов по сравнению с другими животными. Репаративная регенерация (от лат. reparatio — восстановление) — восстановление биологических структур после травм и действия других повреждающих факторов. К таким факторам могут быть отнесены ядовитые вещества, болезнетворные агенты, высокие и низкие температуры (ожоги и обморожения), лучевые воздействия, голодание и т.д. Способность к регенерации не имеет однозначной зависимости от уровня организации, хотя давно уже было замечено, что более низко организованные животные обладают лучшей способностью к регенерации наружных органов. Это подтверждается удивительными примерами регенерации гидры, планарий, кольчатых червей, членистоногих, иглокожих, низших хордовых, например асцидий. Из позвоночных наилучшей регенерационной способностью обладают хвостатые земноводные. Известно, что разные виды одного и того же класса могут сильно отличаться по способности к регенерации. Кроме того, при изучении способности к регенерации внутренних органов оказалось, что она значительно выше у теплокровных животных, например у млекопитающих, по сравнению с земноводными. Регенерация у млекопитающих отличается своеобразием. Для регенерации некоторых наружных органов нужны особые условия. Язык, ухо, например, не регенерируют при краевом повреждении (фактически речь идет об ампутации краевой части структуры). Если же нанести сквозной дефект через всю толщу органа, восстановление идет хорошо. Регенерация внутренних органов может идти очень активно. Из небольшого фрагмента яичника восстанавливается целый орган. Есть предположение, что невозможность регенерации конечностей и других наружных органов у млекопитающих носит приспособительный характер и обусловлена отбором, поскольку при активном образе жизни требующие сложной регуляции морфогенетические процессы затрудняли бы существование. Ряд исследователей полагает, что организмы первоначально имели два способа исцеления от ран — действие иммунной системы и регенерацию. Но в ходе эволюции они стали несовместимы друг с другом. Хотя регенерация может показаться лучшим выбором, для нас более важны Т-клетки иммунной системы — основное оружие против опухолей. Регенерация конечности становится бессмысленной, если одновременно в организме бурно развиваются раковые клетки. Получается, что иммунная система, защищая нас от инфекций и рака, одновременно подавляет наши способности к восстановлению.Объем репаративной регенерации может быть очень разным.Крайний вариант — восстановление целого организма из отдельной малой его части, фактически из группы соматических клеток. Среди животных такое восстановление возможно у губок и кишечнополостных. Регенерацию гидры можно осуществить из группы клеток, полученных при продавливании ее через сито. Среди растений возможно развитие целого нового растения даже из одной соматической клетки, как это получено на примере моркови и табака. Такой вид восстановительных процессов сопровождается возникновением новой морфогенетической оси организма и назван Б.П. Токиным «соматическим эмбриогенезом», так как во многом напоминает эмбриональное развитие. В качестве подобного варианта регенерации может рассматриваться клонирование в эксперименте целого организма из одной соматической клетки у млекопитающих.Следующий по объему вариант — восстановление больших участков организма, состоящих из комплекса органов. Примером служит регенерация у гидры, ресничного червя (планарии), морской звезды (рис. 8.76). При удалении части животного из оставшегося фрагмента, даже очень небольшого, возможно восстановление полноценного организма. Например, восстановление морской звезды из сохранившегося луча.Далее в этом ряду следует регенерация отдельных органов, которая широко распространена в животном царстве, например, хвоста у ящерицы, глаз у членистоногих, глаза, конечности, хвоста у тритона.Заживление кожных покровов, ран, повреждений костей и других внутренних органов — наименее объемный процесс, но не менее важный для восстановления структурно-функциональной целостности организма.Существует несколько способов репаративной регенерации. К ним относят эпиморфоз, морфаллаксис, регенерационную гипертрофию, компенсаторную гипертрофию, заживление эпителиальных ран, тканевую регенерацию. Рис. 8.76. Регенерация комплекса органов у некоторых видов беспозвоночных животных: а — гидра; б — плоский червь; в — морская звезда; г — восстановление морской звезды из лучаЭпиморфоз представляет собой наиболее очевидный способ регенерации, заключающийся в отрастании нового органа от ампутационной поверхности. Иллюстрацией может служить регенерация хрусталика или конечности у хвостатых амфибий (рис. 8.77). Рассмотрим более детально процесс регенерации на примере эпиморфоза конечности тритона. В процессе восстановления выделяют регрессивную и прогрессивную фазы регенерации. Регрессивная фаза начинается с заживления раны, во время которого происходят следующие основные события: остановка Рис. 8.77. Регенерация хрусталика (1) из дорзальной радужки (2) у тритонакровотечения, сокращение мягких тканей культи конечности, образование над раневой поверхностью сгустка фибрина и миграция эпидермиса, покрывающего ампутационную поверхность.Затем начинается разрушение тканей непосредственно проксималь-нее места ампутации. Одновременно в разрушенные мягкие ткани проникают клетки, участвующие в воспалительном процессе, наблюдается фагоцитоз и местный отек. Вслед за этим в области под раневым эпидермисом начинается дедифференцировка специализированных клеток: мышечных, костных, хрящевых и т.д. Клетки приобретают черты мезенхимных, образуют скопление и формируют регенерационную бластему (рис. 8.78). В это же время раневой эпидермис быстро утолщается и образует апикальную эктодермальную шапочку. На этом этапе в регенерационную бластему и эктодермальную шапочку врастают сосуды и нервные волокна.Далее начинается прогрессивная фаза, для которой наиболее характерны процессы роста и морфогенеза. Длина и масса регенерационной бластемы быстро увеличиваются. Она приобретает коническую форму. Мезенхимные клетки бластемы дедифференцируются, давая начало всем специализированным клеточным типам, которые необходимы для формирования структур конечности. Осуществляется рост конечности и ее морфогенез (формообразование). Когда форма конечности в общих чертах уже сложилась, регенерат все еще меньше нормальной конечности. Чем крупнее животное, тем больше эта разница в размерах. Для завершения морфогенеза требуется время, по истечении которого регенерат достигает размеров нормальной конечности.Некоторые стадии восстановления передней конечности у тритона после ампутации на уровне плеча показаны на рис. 8.79. Рис. 8.78. Регенерация конечности у тритона: а — нормальная конечность, б — ампутация; в — формирование апикальной шапочки и бластемы; г — редиф-ференцировка клеток; д — вновь сформированная конечность. 1 — бластема; 2 — апикальная эктодермальная шапочка; 3 — редифференцировка клеток бластемы (пояснения в тексте)У молодых личинок аксолотлей конечность может регенерировать за 3 нед, у взрослых тритонов и аксолотлей — за 1-2 мес, а у наземных амбистом для этого требуется около 1 года.Морфаллаксис — регенерация путем перестройки регенерирующего участка. Примером служит регенерация гидры из кольца, вырезанного из середины ее тела, или восстановление планарии из одной десятой или двадцатой ее части. На раневой поверхности в этом случае не происходит значительных формообразовательных процессов. Отрезанный кусочек сжимается, клетки внутри него перестраиваются, и возникает целая особь уменьшенных размеров, которая затем растет. Этот способ регенерации впервые описал Т. Морган в 1900 г. В соответствии с его описанием, морфаллаксис осуществляется без митозов. Нередко имеет место сочетание эпиморфного роста наместе ампутации с реорганизацией путем морфаллаксиса в прилежащих частях тела.Регенерационная гипертрофия (эндоморфоз) относится к внутренним органам. Этот способ регенерации заключается в увеличении размеров остатка органа без восстановления исходной формы. Иллюстрацией служит регенерация печени позвоночных, в том числе млекопитающих. При краевом ранении печени удаленная часть органа никогда не восстанавливается. Раневая поверхность заживает. В то же время вну- Рис. 8.79. Регенерация передней конечности у тритона в эксперименте Рис. 8.80. Влияние возраста на увеличение числа клубочков нефронов после удаления одной почки у крыс вскоре после рождения: 1 — кривая прироста числа клубочков в нормальном постнатальном развитии в одной почке; 2 — кривые увеличения числа вновь образуемых клубочков после удаления почки на разных сроках онтогенезатри оставшейся части усиливается размножение клеток (гиперплазия) и даже после удаления 2/3 печени восстанавливаются исходные масса и объем, но не форма. Внутренняя структура печени оказывается нормальной, дольки имеют типичную для них величину. Функция печени также возвращается к норме.Компенсаторная (викарная) гипертрофия заключается в изменениях в одном из органов при нарушении в другом, относящемся к той же системе органов. Пример — гипертрофия в одной из почек при удалении другой или увеличение лимфатических узлов при удалении селезенки. Изменения способности к такого типа регенерации в зависимости от возраста показаны на рис. 8.80.Последние два способа отличаются местом регенерации, но механизмы их одинаковы: гиперплазия и гипертрофия (рис. 8.81)1.1 Гипертрофия (греч. hyper- + trophe — пища, питание) — увеличение объема и массы органа тела или отдельной его части. Гиперплазия (греч. hyper- + plasis — образование, формирование) — увеличение числа структурных элементов тканей путем их избыточного новообразования. Это не только размножение клеток, но и увеличение цитоплазма-тических ультраструктур (изменяются в первую очередь митохондрии, миофиламенты, эндоплазматический ретикулум, рибосомы). Рис. 8.81. Схема, иллюстрирующая механизмы гипертрофии и гиперплазии: а — норма; б — гиперплазия; в — гипертрофия; г — комбинированное изменениеЭпителизация при заживлении ран с нарушенным эпителиальным покровом идет примерно одинаково, независимо от того, будет далее происходить регенерация органа путем эпиморфоза или нет. Эпидер-мальное заживление раны у млекопитающих в том случае, когда раневая поверхность высыхает с образованием корки, проходит следующим образом (рис. 8.82). Эпителий на краю раны утолщается вследствие увеличения объема клеток и расширения межклеточных пространств. Сгусток фибрина играет роль субстрата для миграции эпидермиса в глубь раны. В мигрирующих эпителиальных клетках нет митозов, одна- Рис. 8.82. Схема некоторых событий, происходящих при эпителизации кожной раны у млекопитающих: а — начало врастания эпидермиса под некротическую ткань, б — срастание эпидермиса и отделение струпа; 1 — соединительная ткань; 2 — эпидермис; 3 — струп; 4 — некротическая тканько они обладают фагоцитарной активностью. Клетки с противоположных краев вступают в контакт. Затем наступает кератинизация раневого эпидермиса и отделение корки, покрывающей рану. К моменту встречи эпидермиса противоположных краев в клетках, расположенных непосредственно вокруг края раны, наблюдается вспышка митозов, которая затем постепенно угасает.Восстановление отдельных мезодермальных тканей, таких как мышечная и скелетная, называют тканевой регенерацией. Для регенерации мышцы важно сохранение хотя бы небольших ее культей на обоих концах, а для регенерации кости необходима надкостница.Таким образом, существует множество различных способов или типов морфогенетических явлений при восстановлении утраченных и поврежденных частей организма. Различия между ними не всегда очевидны, и требуется более глубокое понимание этих процессов.При регенерации не всегда образуется точная копия удаленной структуры. В случае типичной регенерации восстанавливается утраченная часть правильной структуры (гомоморфоз), чего не происходит при атипичной регенерации. Примером последней является появление иной структуры на месте утраченной — гетероморфоз. Она может проявляться в виде гомеозисной регенерации, заключающейся в появлении антенны или конечности на месте глаза у членистоногих. Еще один вариант — гипоморфоз, регенерация с частичным замещением ампутированной структуры. Например, у ящерицы возникает шиловидная структура вместо конечности (рис. 8.83).К атипичной регенерации могут быть отнесены случаи изменения полярности структуры. Так, из короткого фрагмента планарии можно стабильно получать биполярную планарию. Встречается образование дополнительных структур, или избыточная регенерация. После надреза культи при ампутации головного отдела планарии возникает регенерация двух голов или более (рис. 8.84).Изучение регенерации касается не только внешних проявлений. Существует целый ряд аспектов, носящих проблемный и теоретический характер. К ним относятся вопросы регуляции и условий, в которых протекают восстановительные процессы, вопросы происхождения клеток, участвующих в регенерации, способности к регенерации у различных групп животных и особенностей восстановительных процессов у млекопитающих.Установлено, что при регенерации происходят такие процессы, как детерминация, дифференцировка и дифференциация, рост, морфоге- Рис. 8.83. Примеры атипичной регенерации: а — нормальная голова рака; б — формирование антенны вместо глаза; в — образование шиловидной структуры вместо конечности у саламандры. 1 — глаз; 2 — антенна; 3 — место ампутации; 4 — нервный ганглий Рис. 8.84. Примеры атипичной регенерации: а — биполярная планария; б — многоголовая планария, полученная после ампутации головы и нанесения насечек на культюнез, сходные с процессами, имеющими место в эмбриональном развитии. Данные, полученные к настоящему времени, указывают на то, что восстановление утраченных структур, по сути дела, осуществляется на основе той же самой программы развития, которая руководит формированием их у эмбриона, и на основе клеточных и системных механизмов развития. Однако при регенерации все процессы развития идут уже вторично, т.е. в сформированном организме, поэтому восстановление структур имеет ряд отличий и специфичных черт. Несомненно, что в ходе регенерации большое значение принадлежит системным механизмам — межклеточным и межзачатковым взаимодействиям, нервной и гуморальной регуляции. Так, при эпиморфозе конечности тритона сформированный в ходе эпителизации эпидермис стимулирует лизис подлежащих мезодермальных тканей. В его отсутствие или при образовании шрама регенерации не происходит. Клетки под сформированным эпидермисом дедифференцируются и формируют бластему. На этом этапе наблюдаются реципрокные индуктивные влияния между эпидермисом, который формирует апикальную эктодермальную шапочку, и мезодер-мальной бластемой. В ходе эмбрионального развития при формировании конечности осуществлялись сходные взаимодействия между мезодермаль-ной почкой конечности и апикальным эктодермальным гребнем. В ходе дедифференцировки в клетках подавляется активность типо-специфических генов, определяющих специализацию клетки, например генов MRF и Mif5 в мышечных волокнах. Затем активируются гены, необходимые для пролиферации клеток. Один из них msx1. На этой стадии врастающие в бластему нервные отростки и эпидермис продуцируют трофические и ростовые факторы, необходимые для пролиферации и выживания клеток бластемы. Среди них фактор роста фибробластов FGF-10. Этот же фактор необходим для пролиферации самого эпидермиса. Бластема, в свою очередь, синтезирует в ответ нейротрофические факторы, стимулирующие врастание нервов. Нервы нужны для формирования апикальной эктодермальной шапочки. Помимо этого бластема, так же как и апикальная эпидермальная шапочка, продуцирует FGF-8, который стимулирует врастание капилляров. Следует отметить наблюдаемые на этой стадии различия между регенерацией и эмбриональным развитием. Для реализации регенерации необходима иннервация. Без нее может проходить дедифференцировка клеток, но последующее развитие отсутствует. В период эмбрионального морфогенеза конечности (в ходе клеточных дифференцировок) нервы еще не сформированы. Помимо иннервации на ранней стадии регенерации требуется действие ферментов металлопротеиназ. Они разрушают компоненты ма-трикса, что позволяет клеткам разделиться (диссоциировать) и активно пролиферировать. Контактирующие между собой клетки не могут продолжать регенерацию и отвечать на действие ростовых факторов. Таким образом, в ходе регенерации наблюдаются все варианты межклеточных взаимодействий: путем выделения паракринных факторов, диффундирующих от одной клетки к другой, взаимодействия через матрикс и при непосредственном контакте клеточных поверхностей. В стадии дедифференцировки в клетках культи экспрессируются гомеозисные гены HoxD8 и HoxDlO, а с началом дифференцировки — гены HoxD9 и HoxD13. Как было показано в п. 8.3.4, эти же гены активно транскрибируются и в эмбриональном морфогенезе конечности. Важно отметить, что в ходе регенерации утрачивается дифферен-цировка клеток, а их детерминация сохраняется. Уже на стадии недифференцированной бластемы закладываются основные черты регенерирующей конечности. При этом не требуется активация генов, обеспечивающих спецификацию конечности (Tbx-5 для передней и Tbx-4 для задней). Конечность формируется в зависимости от локализации бластемы. Ее развитие происходит так же, как и в эмбриогенезе: сначала проксимальные отделы, а затем дистальные. Проксимально-дистальный градиент, от которого зависит, какие части растущего зачатка станут плечом, какие — предплечьем, а какие — кистью, задается градиентом белка Prod 1. Он локализован на поверхности клеток бластемы и его концентрация выше у основания конечности. Этот белок играет роль рецептора, а сигнальной молекулой (лигандом) для него является белок nAG. Он синтезируется шванновскими клетками, окружающими регенерирующий нерв. При отсутствии этого белка, который через лиганд-рецепторное взаимодействие запускает активацию необходимого для развития каскада генов, регенерации не происходит. Это объясняет феномен отсутствия восстановления конечности при перерезке нерва, а также и при врастании в бластему недостаточного количества нервных волокон. Интересно, что если нерв конечности тритона отвести под кожу основания конечности, то образуется дополнительная конечность. Если его отвести к основанию хвоста — стимулируется образование дополнительного хвоста. Отведение нерва на боковую область никаких дополнительных структур не вызывает. Все это привело к созданию концепции регене-рационных полей. Рис. 8.85. Эксперимент с поворотом бластемы конечности (пояснения в тексте)Аналогично процессу эмбриогенеза формируется и передне-задняя ось в поле развивающейся конечности. В формирующемся зачатке появляется зона поляризующей активности, определяющая асимметрию конечности. Повернув конец культи конечности на 180°, можно получить конечность с зеркальным удвоением пальцев (рис. 8.85).Таким образом, справедливо утверждение, что формирование конечности происходит в поле органа, а бластема является саморегулирующейся системой. Наряду с вышесказанным, доказательством этому служат результаты, полученные в серии экспериментов по пересадке бластемы передней конечности на бластему середины бедра (рис. 8.86). При пересадке в регене-рационное поле другой конечности трансплантат располагается в соответствии с полученной позиционной информацией (градиенты веществ): бластема плеча смещается к середине бедра, предплечья — к голени, запястья — к лапке. Развитие трансплантированной бластемы в соответствующую часть передней конечности происходит в соответствии с ее детерминацией, которая определяется уровнем ампутации.Помимо межклеточных и индукционных взаимодействий, которые оказываются менее разнообразными, чем в ходе эмбрионального морфогенеза, на регенерациюзначительное влияние оказывает нервная и гуморальная регуляция. Это вполне объяснимо тем, что регенерация осуществляется в уже сформированном организме, где основными регулирующими механизмами являются именно последние. Среди гуморальных влияний следует остановиться на действии гормонов. Альдостерон, гормоны щитовидной железы и гипофиза оказывают стимулирующее влияние на восстановление утраченных Рис. 8.86. Опыты по пересадке бластемы передней конечности в поле задней (пояснения в тексте)структур. Сходное действие имеют и метаболиты, выделяемые поврежденной тканью и транспортируемые плазмой крови или передающиеся через межклеточную жидкость. Именно поэтому дополнительное повреждение в некоторых случаях ускоряет процесс регенерации. Помимо перечисленного на регенерацию оказывают влияние и другие факторы, среди которых температура, при которой происходит восстановление, возраст животного, функционирование органа, стимулирующее регенерацию, и в определенных ситуациях изменение электрического заряда в регенерате. Установлено, что в конечности амфибий после ампутации и в процессе регенерации происходят реальные изменения электрической ак- тивности. При проведении электрического тока через ампутированную конечность у взрослых шпорцевых лягушек наблюдается усиление регенерации передних конечностей. В регенератах увеличивается количество нервной ткани, из чего делается вывод, что электрический ток стимулирует врастание нервов в края конечностей, в норме не регенерирующих. Попытки стимулировать подобным образом восстановление конечностей у млекопитающих оказались безуспешными. Под действием электрического тока или при сочетании действия электрического тока с фактором роста нервов удавалось получить у крысы только разрастание скелетной ткани в виде хрящевых и костных мозолей, которые не походили на нормальные элементы скелета конечностей. Один из наиболее интригующих в теории регенерации — вопрос об ее клеточных источниках. Откуда берутся или как возникают недифференцированные клетки бластемы, морфологически сходные с мезен-химными? В настоящее время говорят о трех возможных источниках регенерации. Первый — это дедифференцированные клетки, второй — региональные стволовые клетки и третий — стволовые клетки из других структур, мигрировавшие к месту регенерации. Большинство исследователей признают дедифференцировку и метаплазию при регенерации хрусталика у амфибий. Теоретическое значение этой проблемы заключается в допущении возможности или невозможности изменений клеткой ее программы до такой степени, что она возвращается в состояние, когда снова способна делиться и репро-граммировать свой синтетический аппарат. Наличие региональных стволовых клеток установлено к настоящему времени во многих тканях: в мышцах, кости, эпидермисе кожи, печени, сетчатке и других. Такие клетки обнаружены даже в нервной ткани — в определенных зонах головного мозга. Во многих случаях считают, что источником, из которого образуются дифференцированные клетки в ходе регенерации, являются именно они (регенеративная медицина, регенеративная ветеринария). Предполагается, что по мере увеличения возраста особи численность популяций региональных стволовых клеток сокращается. Если же в органе не хватает своих региональных стволовых клеток, то в него могут мигрировать клетки из других и дать начало нужной ткани. Недавно показано, что стволовые клетки, изолированные из одной взрослой ткани, могут дать начало зрелым клеткам других клеточных линий, независимо от назначения классического зародышевого слоя. Так, эндотелий крупных магистральных артерий не имеет собственных запасов стволовых клеток. Его обновление происходит за счет стволовых клеток костного мозга, поступающих в кровоток. Однако сравнительная неэффективность подобных преобразований in vivo (в организме), даже при наличии повреждения ткани, ставит вопрос о том, имеет ли этот механизм физиологическое значение.Интересно, что среди взрослых стволовых клеток способность к перемене линий наиболее велика у стволовых клеток, которые могут быть культивируемы в среде в течение длительного времени.Если удастся решить вопрос трансформации клеточных линий, то вполне возможным станет использование этих технологий в репаратив-ной медицине для лечения широкого круга болезней. Однако, несмотря на достижения биологии последних лет, в проблеме регенерации еще остается очень много нерешенных вопросов.
Различают два вида регенерации - физиологическую и репаративную.
Физиологическая регенерация - непрерывное обновление структур на
клеточном (смена клеток крови, эпидермиса и др.) и внутриклеточном (обновление
клеточных органелл) уровнях, которым обеспечивается функционирование органов и
Репаративная регенерация - процесс ликвидации структурных повреждений
после действия патогенных факторов.
Оба вида регенерации не являются обособленными, не зависимыми друг от друга.
Значение регенерации для организма определяется тем, что на основе клеточного
и внутриклеточного обновления органов обеспечивается широкий диапазон
приспособительных колебаний их функциональной активности в меняющихся
условиях окружающей среды, а также восстановление и компенсация нарушенных
под воздействием различных патогенных факторов функций.
Процесс регенерации развертывается на разных уровнях организации -
системном, органном, тканевом, клеточном, внутриклеточном. Осуществляется
он путем прямого и непрямого деления клеток, обновления внутриклеточных
органелл и их размножения. Обновление внутриклеточных структур и их
гиперплазия являются универсальной формой регенерации, присущей всем без
исключения органам млекопитающих и человека. Она выражается либо в форме
собственно внутриклеточной регенерации, когда после гибели части клетки ее
строение восстанавливается за счет размножения сохранившихся органелл, либо
в виде увеличения числа органелл (компенсаторная гиперплазия органелл) в
одной клетке при гибели другой.
Восстановление исходной массы органа после его повреждения осуществляется
различными путями. В одних случаях сохранившаяся часть органа остается
неизмененной или малоизмененной, а недостающая его часть отрастает от раневой
поверхности в виде четко отграниченного регенерата. Такой способ
восстановления утраченной части органа называют эпиморфозом . В других
случаях происходит перестройка оставшейся части органа, в процессе которой
он постепенно приобретает исходные форму и размеры. Этот вариант процесса
регенерации называют морфаллаксисом. Чаще эпиморфоз и морфаллаксис
встречаются в различных сочетаниях. Наблюдая увеличение размеров органа
после его повреждения, прежде говорили о его компенсаторной гипертрофии.
Цитологический анализ этого процесса показал, что в его основе лежит
размножение клеток, т. е. регенераторная реакция. В связи с этим процесс
получил название «регенерацнонная гипертрофия».
Эффективность процесса регенерации в большой мере определяется условиями, в
которых он протекает. Важное значение в этом отношении имеет общее состояние
организма. Истощение гиповитаминоз, нарушения иннервации и др. оказывают
значительное влияние на ход репаративной регенерации, затормаживая ее и
способствуя переходу в патологическую. Существенное влияние на интенсивность
репаративной регенерации оказывает степень функциональной нагрузки,
правильное дозирование котоpoй благоприятствует этому процессу. Скорость
репаративной регенерации в известной мере определяется и возрастом, что
приобретает особое значение в связи с увеличением продолжительности жизни и
соответственно числа оперативных вмешательств у лиц старших возрастных групп.
Обычно существенных отклонений процесса регенерации при этом не отмечается и
большее значение, по-видимому, имеют тяжесть заболевания и его осложнения, чем
возрастное ослабление регенерационной способности
Изменение общих и местных условий, в которых протекает процесс регенерации,
может приводить как к количественным, так и качественным его изменениям.
В регуляции процессов регенерации участвуют многочисленные факторы эндо- и
экзогенной природы. Установлены антагонистические влияния различных факторов
на течение внутриклеточных регенераторных и гиперпластических процессов.
Наиболее изучено влияние на регенерацию различных гормонов. Регуляция
митотической активности клеток различных органов осуществляется гормонами
коры надпочечников, щитовидной железы, половых желез и др. Важную роль в
этом отношении играют так наз. гастроинтестинальные гормоны. Известны мощные
эндогенные регуляторы митотической активности - кейлоны, простландины, их
антагонисты и другие биологически активные вещества.
ВОЛГОГРАДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ
Реферат
по биологии
на тему:
«Регенерация, ее виды и уровни. Условия, влияющие на течение восстановительных процессов»
Выполнил: студент группы 108
Тимофеев Д. М
Волгоград 2003
Введение
1. Понятие регенерации
2. Виды регенерации
3. Условия, влияющие на течение восстановительных процессов
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Регенерация - обновление структур организма в процессе жизнедеятельности и восстановление тех структур, которые были утрачены в результате патологических процессов. В большей степени регенерация присуща растениям и беспозвоночным животным, в меньшей - позвоночным. Регенерация - в медицине - полное восстановление утраченных частей.
Явления регенерации были знакомы людям еще в глубокой древности. К концу 19 в. был накоплен материал,раскрывающий закономерности регенераторной реакции у человека и животных, но особенно интенсивно проблема регенрации разрабатывается с 40-х гг. 20 в.
Ученые давно пытаются понять, каким образом земноводные - например, тритоны и саламандры -- регенерируют оторванные хвосты, конечности, челюсти. Более того, у них восстанавливаются и поврежденное сердце, и глазные ткани, и спинной мозг. Способ, применяемый земноводными для саморемонта, стал понятен, когда ученые сравнили регенерацию зрелых особей и эмбрионов. Оказывается, на ранних стадиях развития клетки будущего существа незрелы, их участь вполне может измениться.
В данном реферате будут дано понятие и рассмотрены виды регенерации, а также особенности течения восстановительных процессов.
1. Понятие регенерации
РЕГЕНЕРАЦИЯ (от позднелат. regenera-tio -возрождение, возобновление) в биологии, восстановление организмом утраченных или повреждённых органов и тканей, а также восстановление целого организма из его части. Регенерация наблюдается в естественных условиях, а также может быть вызвана экспериментально.
Р егенерация у животных и человека - образование новых структур взамен удалённых либо погибших в результате повреждения (репаратинпая регенерация) или утраченных в процессе нормальной жизнедеятельности (физиологнческая регенерация); вторичное развитие, вызванное утратой развившегося ранее органа. Регенерировавший орган может иметь такое же строение, как удалённый, отличаться от него или совсем не походить на него (атипичная регенерация) .
Термин « регенерация» предложен в 1712 франц. учёным Р. Реомюром, изучавшим регенерацию ног речного рака. У многих беспозвоночных возможна регенерация целого организма из кусочка тела. У высокоорганизонанных животных это невозможно - регенерируют лишь отдельные органы или их части. Регенерация может происходить путём роста тканей на раневой поверхности, перестройки оставшейся части органа в новый или путём роста остатка органа без изменения его формы. Представление об ослаблении способности к регенерации по мере повышения организации животных ошибочно, т. к. процесс регенерации зависит не только от уровня организации животного, но и от многих других факторов и характеризуется значит, изменчивостью. Неправильно также утверждение, что способность к регенерации закономерно падает с возрастом; она может и повышаться в процессе онтогенеза, но в период старости часто наблюдают её снижение. За последнюю четверть века показано, что, хотя у млекопитающих и человека целые наружные органы не регенерируют, внутренние их органы, а также мышцы, скелет, кожа способны к регенерации, которую изучают на органном, тканевом, клеточном и субклеточном уровнях. Разработка методов усиления (стимуляции) слабой и восстановления утраченной способности к регенерации приблизит учение о регенерации к медицине.
Регенерация в медицине. Различают физиологическую, репаративную и патологическую регенерацию. При травмах и др. патологических состояниях, которые сопровождаются массовой гибелью клеток, восстановление тканей осуществляется за счёт репаративнои (восстановительной) регенерации. Если в процессе репаративной регенерации утраченная часть замещается равноценной, специализированной тканью, говорят о полной регенерации (реституции); если на месте дефекта разрастается неспециализированная соединительная ткань,- о неполной регенерации (заживлении посредством рубцевания). В ряде случаев при субституции функция восстанавливается за счёт интенсивного новообразования ткани (аналогичной погибшей) в неповреждённой части органа. Это новообразование происходит путём либо усиленного размножения клеток, либо за счёт внутриклеточной регенерации- восстановления субклеточных структур при неизменённом числе клеток (сердечная мышца, нервная ткань). Возраст, особенности обмена веществ, состояние нервной и эндокринной систем, питание, интенсивность кровообращения в повреждённой ткани, сопутствующие заболевания могут ослабить, усилить или качественно изменить процесс регенерации. В некоторых случаях это приводит к патологической регенерации. Её проявления: длительно незаживающие язвы, нарушения срастания переломов костей, избыточные разрастания тканей или переход одного типа ткани в другой. Лечебные воздействия на процесс регенерации заключаются в стимуляции полной и предотвращении патологической регенерации.
Р егенерация у растений может происходить на месте утраченной части (реституция) или на другом месте тела (репродукция). Весеннее восстановление листьев вместо опавших осенью - естественная регенерация типа репродукции. Обычно, однако, под регенерацией понимают лишь восстановление насильственно отторженных частей. При такой регенерации организм прежде всего использует основные пути нормального развития. Поэтому регенерация органов у растений происходит преимущественно путём репродукции: отнятые органы компенсируются развитием существующих или образующихся вновь метамерных заложений. Так, при отрезании верхушки побега усиленно развиваются боковые побеги. Растения или их части, развивающиеся не метамерно, легче регенерируют путём реституции, как и участки тканей. Например, поверхность ранения может покрыться так называемой раневой перидермой; рана на стволе или ветке может зарубцеваться наплывами (каллюсами). Размножение растений черенками - простейший случай регенерации, когда из небольшой вегетативной части восстанавливается целое растение.
Широко распространена регенерация и из отрезков корня, корневища или слоевища. Можно вырастить растения из листовых черенков, кусочков листа (например, у бегоний). У некоторых растений удавалась регенерация из изолированных клеток и даже из отдельных изолированных протопластов, а у некоторых видов сифоновых водорослей - из небольших участков их многоядерной протоплазмы. Молодой возраст растения обычно способствует регенерации, но на слишком ранних стадиях онтогенеза орган может оказаться неспособным к регенерации. Как биологическое приспособление, обеспечивающее зарастание ран, восстановление случайно утраченных органов, а нередко и вегетативное размножение, регенерация имеет большое значение для растениеводства, плодоводства, лесоводства, декоративного садоводства и др. Она даёт материал и для решения ряда теоретических проблем, в т. ч. и проблем развития организма. Большую роль в процессах регенерации играют ростовые вещества.
2. Виды регенерации
Различают два вида регенерации - физиологическую и репаративную.
Физиологическая регенерация - непрерывное обновление структур на клеточном (смена клеток крови, эпидермиса и др.) и внутриклеточном (обновление клеточных органелл) уровнях, которым обеспечивается функционирование органов и тканей.
Репаративная регенерация - процесс ликвидации структурных повреждений после действия патогенных факторов.
Оба вида регенерации не являются обособленными, не зависимыми друг от друга. Так, репаративная регенерация развертывается на базе физиологической, т. е. на основе тех же механизмов, и отличается лишь большей интенсивностью проявлений. Поэтому репаративную регенерацию следует рассматривать как нормальную реакцию организма на повреждение, характеризующуюся резким усилением физиологических механизмов воспроизведения специфических тканевых элементов того или иного органа.
Значение регенерации для организма определяется тем, что на основе клеточного и внутриклеточного обновления органов обеспечивается широкий диапазон приспособительных колебаний их функциональной активности в меняющихся условиях окружающей среды, а также восстановление и компенсация нарушенных под воздействием различных патогенных факторов функций .
Физиологическая и репаративная регенерации являются структурной основой всего разнообразия проявлений жизнедеятельности организма в норме и патологии.
Процесс регенерации развертывается на разных уровнях организации - системном, органном, тканевом, клеточном, внутриклеточном. Осуществляется он путем прямого и непрямого деления клеток, обновления внутриклеточных органелл и их размножения. Обновление внутриклеточных структур и их гиперплазия являются универсальной формой регенерации, присущей всем без исключения органам млекопитающих и человека. Она выражается либо в форме собственно внутриклеточной регенерации, когда после гибели части клетки ее строение восстанавливается за счет размножения сохранившихся органелл, либо в виде увеличения числа органелл (компенсаторная гиперплазия органелл) в одной клетке при гибели другой.
Регенерация – процесс вторичного развития органа или ткани, вызванный повреждениями какого – либо рода.
Регенерация происходит на всех уровнях материи
По способности к регенерации выделяют 3 группы тканей и органов:
1. Регенераторная реакция в форме новообразования клеток: эпителий кожи, костный мозг, костная ткань, эпителий тонкой кишки, лимфатическая система.
2. Промежуточная форма. Происходит деление клеток и внутриклеточная регенерация. Печень, легкие, почки, надпочечники, скелетная мускулатура.
3. Преобладает внутриклеточная регенерация. Клетки центральной нервной системы, миокарда.
Физиологическая регенерация – восстановление частей организма, износившихся в процессе жизнедеятельности. Действует на протяжении всего онтогенеза, поддерживает постоянство структур, несмотря на гибель клеток. Интенсивные процессы физиологической регенерации при восстановлении клеток крови, эпидермиса, слизистых оболочек. Примерами могут быть линька птиц, рост зубов у грызунов. Физиологическая регенерация происходит не только в тканях с интенсивно делящимися клетками, но и там, где клетки делятся незначительно. 25 гепатоцитов из 1000 погибают и столько же восстанавливаются. Физиологическая регенерация – динамический процесс, который включает в себя клеточное деление и другие процессы. Обеспечение функций лежит в основе нормального функционирования организма.
Физиологическая регенерация представляет собой процесс обновления функционирующих структур организма. Благодаря физиологической регенерации поддерживается структурный гомеостаз и обеспечивается возможность постоянного выполнения органами их функций. С общебиологической точки зрения, физиологическая регенерация, как и обмен веществ, является проявлением такого важнейшего свойства жизни, как самообновление.
Примерами физиологической регенерации на клеточном и тканевом уровнях являются обновление эпидермиса кожи, роговицы глаза, эпителия слизистой кишечника, клеток периферической крови и др.
Обновляются производные эпидермиса - волосы и ногти. Это так называемая пролиферативная регенерация, т.е. восполнение численности клеток за счет их деления.
В физиологической регенерации выделяют две фазы: разрушительную и восстановительную. Полагают, что продукты распада части клеток стимулируют пролиферацию других. Большую роль в регуляции клеточного обновления играют гормоны.
Репаратиная регенерация,ее значение.Способы репаративной регенерации. Проявление регенерационной способности в филогенезе. Молекулярно- генетические, клеточные и системные механизмы регенерации. Особенности восстановительных процессов у млекопитающих.
Репаративная (восстановительная) регенерация – восстановление поврежденных тканей и органов после чрезвычайных воздействий. При полной регенерации восстанавливается полное исходное строение ткани после ее повреждения, её архитектура остается неизменной. Распространена у организмов, способных к бесполому размножению. Например, белая планария, гидра, моллюски (если удалить голову, но оставить нервно – узловую структуру). Типичная репаративная регенерация возможна у высших организмов, в т.ч. и человека. Например, при устранении некротических клеток органов. В острой стадии пневмонии происходит деструкция альвеол и бронхов, затем происходит восстановление. При действии гепатотропных ядов возникают диффузные некротические изменения печени. После прекращения действия ядов восстанавливается архитектоника за счет деления гепатоцитов – клеток печеночной паренхимы. Восстанавливается исходная структура.Гомоморфоз – восстановление структуры в том виде, в котором она существовала до разрушения. Неполная репаративная регенерация – регенерированный орган отличается от удаленного - гетероморфоз . Исходная структура не восстанавливается, а иногда вместо одного органа развивается другой орган. Например, глаз у рака. При удалении в некоторых случаях развивается антенна. У человека печень при удалении части печеночной доли аналогично регенерирует. Возникает рубец и через 2 - 3 месяца после операции масса печени восстанавливается, а восстановления формы органа не происходит. Это происходит из-за удаления и повреждения соединительной ткани во время операции.
Избыточная регенерация - образование дополнительных структур. После надреза культи при ампутации головного отдела планарии возникает регенерация двух голов или более.
У млекопитающих могут регенерировать все 4 вида ткани:
1. Соединительная ткань . Рыхлая соединительная ткань обладает высокой способностью к регенерации. Лучше всего регенерируют интерстициальные компоненты – образуется рубец, замещающийся тканью. Костная ткань – аналогично. Основные элементы, восстанавливающие ткань – остеобласты (малодифференцированные камбиальные клетки костной ткани);
2. Эпителиальная ткань . Обладает выраженной регенерационной реакцией. Эпителий кожи, роговая оболочка глаза, слизистые оболочки полости рта, губ, носа, желудочно-кишечного тракта, мочевого пузыря, слюнные железы, паренхима почек. При наличии раздражающих факторов могут происходить патологические процессы, приводящие к разрастанию тканей, что приводит к раковым опухолям.
3. Мышечная ткань . Значительно меньше регенерирует, чем эпителиальная и соединительная ткани. Поперечная мускулатура – амитоз, гладкая – митоз. Регенерирует за счет недифференцированных клеток – сателлитов. Могут разрастаться и регенерировать отдельные волокна, и даже целые мышцы.
4. Нервная ткань . Обладает плохой способностью к регенерации. В эксперименте показано, что клетки периферической и вегетативной нервной системы, двигательные и чувствительные нейроны в спинном мозге мало регенерируют. Аксоны хорошо регенерируют за счет Шванновских клеток. В головном мозге вместо них - глия, поэтому регенерация не происходит.
способы репаративной регенерации :
· Эпителизация -заживление эпителиальных ран.
· Эпиморфоз - отрастание нового органа от ампутационной поверхности
· Морфоллаксис – регенерация путём перестройки регенерирующего участка (Примером служит регенерация гидры из кольца, вырезанного из середины ее тела, или восстановление планарии из одной десятой или двадцатой ее части.)
· Регенерационная гипертрофия - к внутренним органам. Этот способ регенерации заключается в увеличении размеров остатка органа без восстановления исходной формы.(регенерация печени(гипеоплазия), восстанавливаются исходные функция, масса и объем, но не форма)
· Компенсаторная гипертрофия -заключается в изменениях в одном из органов при нарушении в другом, относящемся к той же системе органов. (гипертрофия в одной из почек при удалении другой или увеличение лимфатических узлов при удалении селезенки.)
Биологическое и медицинское значение проблемы регенерации. Проявление регенерационной способности у человека.Ренерация патологически измененных органов и обратимость патологически изменённых органов.Регенерационная терапия.
При разрезе в рану устремляется кровь, лейкоциты которой запускают воспалительный процесс. Клетки прилежащей эпителиальной ткани делятся и образуют «струп» (рубец). Потом начинается процесс заживления.
В настоящее время интенсивно изучаются проблемы регенерации, особенно связанные с медициной. Стволовые клетки обладают свойствами :
Стволовая клетка не является окончательно дифференцированной (она скорее детерминирована);
Стволовая клетка способна к неограниченному делению;
При делении часть клеток остается стволовыми, другая часть подвергается процессу дифференцировки.
Центров по применению стволовых клеток очень мало, в России существует только 2 таких центра. Однако стволовые клетки есть везде. Для лечения и экспериментов берется пуповинная кровь с целью получения стволовых клеток.
Кости черепа в норме не регенерируют. Под руководством И.И.Полежаева происходило удаление участка 10х10 см черепа собаки. Из кости получали путем измельчения костные опилки, которые помещали на рану. В другом эксперименте использовали костные опилки донора и кровь реципиента. Через неделю происходило рассасывание опилок, а к концу 1 года рана зарастала.
Большое значение имеет регенерация после радиоактивного облучения. Малые дозы стимулируют, а большие, наоборот ингибируют данный процесс.
Если провести механическое раздавливание культи или помещение ее в кислоту – регенерация идет в 50% случаев.
Елизаров проводил ломку и удлинение костей. Им были созданы уникальные аппараты, благодаря которым было возможно раздвижение костей скелета и коррекция их формы.
Остро стоит проблема регенерации печени. При циррозе печени приходится проводить ее частичное удаление. Иногда подобная операция проводится несколько раз, печень быстро регенерирует без сохранения формы, сохраняя функцию и общую массу.
Регенерацию можно стимулировать антикейлоном, витамином В12, АТФ, РНК.
Выделяют типы регенерации в патологически измененных органах.
Регенерация после воздействия токсических веществ.
Регенерация после воздействия вредных физических факторов.
Регенерация после заболеваний, вызываемых микроорганизмами и вирусами.
Регенерация после нарушения кровоснабжения.
Регенерация после голода, гипокинезии (обездвиживании), атрофии.
Регенерация после повреждений, вызываемых в организме нарушением функции органов.
78.Понятие о гомеостазе. Общие закономерности гомеостаза живых систем. Генетические, клеточные и системные основы гомеостатических реакций организма. Роль эндокринной, нервной и иммунной систем в обеспечении гомеостаза и адаптивных изменений.
Термин «гомеостаз» был предложен для понимания постоянства состава лимфы, крови и тканевой жидкости. Гомеостаз характерен для любой системы, это своего рода обобщение множества частных проявлений стабильности системы.
Гомеостаз – поддержание постоянства внутренней среды организма в непрерывно изменяющихся условиях внешней среды. Т.к. организм – многоуровневый саморегулирующийся объект, его можно рассматривать с точки зрения кибернетики. Тогда, организм – сложная многоуровневая саморегулирующаяся система с множеством переменных.
Переменные входа:
Причина;
Раздражение.
Переменные выхода:
Реакция;
Следствие.
Причина – отклонение от нормы реакции в организме. Решающая роль принадлежит обратной связи. Существует положительная и отрицательная обратная связь.
Отрицательная обратная связь уменьшает действие входного сигнала на выходной. Положительная обратная связь увеличивает действие входного сигнала на выходной эффект действия.
Живой организм – ультрастабильная система, осуществляющая поиск наиболее оптимального устойчивого состояния, которое обеспечивается адаптациями.
Адаптация – поддержание переменных показателей на поведенческом, анатомическом, биохимическом и других уровнях.
Этология – наука, изучающая поведение животных и человека. Типы поведения животных и человека ограничены их морфологическими и физиологическими особенностями. У человека есть зависимость поведения от типа сложения. Существуют 3 типа сложения:
эндоморфный;
эктоморфный;
мезоморфный.
Животные могут совершенствовать свои движения за счет информации, кроме того, они имеют возможность регулировать их. Животные должны различать объекты внешней среды, получать информацию при помощи органов чувств. Полученная информация подвергается переработке нервной и эндокринной системами. Многие типы поведения могут вызывать гормональные изменения.
Морфологические и физиологические признаки подвержены естественному отбору, поведение в свою очередь, зависит от этих признаков, а значит, зависит и от естественного отбора. Поведение передается по наследству, повышает приспособляемость, увеличивает продолжительность жизни, количество потомков. Различные поведенческие реакции позволяют использовать благоприятные условия среды, защищают организм от неблагоприятных условий. Например, у пчел поддержание чистоты в улье. За гигиеническое поведение отвечают как минимум 2 гена. Поддержание чистоты защищает пчел от болезней. Поведение ящерицы, отбрасывающей хвост, если это необходимо, - тоже приспособительная реакция. Другие типы поведенческих реакций наблюдаются при защите от хищников, при поиске пищи, партнера, защите потомства и многих других случаях. Некоторые насекомые выделяют особые химические вещества – феромоны для привлечения потомства. В брачный период лягушки квакают и их «песня» видоспецифична.
Поведенческие признаки обладают не только адаптивными свойствами, но могут также и наследоваться, что обусловливает естественный отбор. Не все типы поведения получаются при передаче с генами, они могут приобретаться – благоприобретенные. Резкую границу между теми и другими провести нельзя, т.к. гены и среда тесно взаимодействуют друг с другом, поэтому выделить отдельно генетические и благоприобретенные свойства нельзя.
Можно привести следующие примеры генетических свойств. Хорея Гентингтона – наследственное заболевание, «танец», поражает ЦНС, у больных также нарушена пространственная ориентация. Другой пример, дауны бывают благожелательными, ласковыми, подражают действиям здоровых людей
Итак, важные свойства поведенческих реакций :
Поведение подвержено действию естественного отбора;
Поведенческие признак возникают из анатомии, морфологии и физиологии животного неотделимы о них;
Формы поведения обычно адаптивны и часто могут передаваться либо генетически, либо в результате обучения;
У многих биологических видов существуют определенные формы поведения.
Если организм не смог адаптироваться на поведенческом уровне, он делает это на биохимическом уровне. Биохимическая адаптация очень сложна, наиболее характерна для растений, т.к. животному проще мигрировать.
Процесс адаптации бывает по времени:
Эволюционная адаптация;
Акклиматизация;
Немедленная адаптация.
Эволюционная адаптация – длительный процесс, приобретение новой генетической информации, изменяется генотип, следовательно, изменяется и фенотип. Для своего завершения подобная адаптация требует многих поколений.
Акклиматизация – адаптации, которые происходят в процессе жизни в естественных условиях.
Акклимация – адаптации, происходящие в искусственных условиях.
Происходит в течение нескольких часов – лет (зима – лето). Смена часовых поясов, перевод времени.
Немедленная адаптация сопровождается почти мгновенной адаптивной реакцией (психогенное воздействие, переход из тепла в холод). Кратковременная реакция.
Любая адаптация возникает в результате взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды.
Генетический аспект гомеостаза рассматривают с 3 позиций:
Гомеостаз генотипа;
Гомеостаз организма как целого. Контроль за единством генотипа всего организма. Поддержание гомеостаза осуществляется при гибели видоизмененных клеток.
Гомеостаз популяции. Закон генетической стабильности в популяции.
В поддержании гомеостаза участвуют различные системы.
Нервная сигнализация – основной инструмент передачи и оценки сигналов из внутренней и внешней среды.
Гормоны принимают участие в регуляции гомеостаза. Регулируют обмен веществ, воды, белков, липидов, углеводов, энергии, электролитов. Контролируют работу всех органов, в том числе почек, печени, ЦНС.
Иммунная система защищает постоянство внутренней среды организма от факторов 2-х групп:
Микроорганизмов и экзогенных факторов с признаками чужеродной генетической информацией;
Соматических мутаций. Достаточно изменений в 1-2 генах, чтобы сработала иммунная система.
79.Проблемы трансплантации органов и тканей. Ауто-, алло- и ксенотрансплантация, трансплантация жизненно важных органов. Иммунитет. Тканевая несовместимость и пути ее преодоления. Искусственные органы.
Из-за бурного развития трансплантологии остро встал вопрос о трансплантационном иммунитете.
Трансплантология – медико-биологическая наука, изучающая вопросы заготовки, консервирования и пересадки органов и тканей.
Трансплантационный иммунитет – своеобразная реакция организма на трансплантацию, проявляющаяся в отторжении пересаженных органов и тканей.
Классификация терминов (Вена, 1967 год).
Трансплантат – пересаживаемая ткань или орган.
Реципиент – тот, кому пересаживается орган или ткань.
Донор – тот, от кого берут трансплантат.
Аутотрансплантация – пересадка тканей и органов в пределах одного организма (в таком случае говорят об аутотрансплантате)
Изотрансплантация (изотрансплантат) - пересадка тканей и органов между организмами, идентичными по генетическим признакам.
Аллотранспланация (аллотрансплантат) - пересадка тканей и органов между организмами одного биологического вида.
Ксенотрансплантация (ксенотрансплантат) – пересадка тканей и органов между организмами разных биологических видов.
Эксплантация (эксплантат) – пересадка небиологического материала.
Комбинированная пересадка (комбинированный трансплантат).
Остро стоят 2 проблемы: сохранение органов и тканей с их неизмененными свойствами. Другая проблема – преодоление трансплантационного иммунитета.
Разные методы консервации .
1) Охлаждение (недолговременное).
2) Замораживание.
3) Лиофилизации.
Заморозка может разорвать ткань, что приводит к гибели ткани. Но сперматозоиды способны жить. Состояние анабиоза некоторых животных. Кровь заменяют криопротекторами, после разморозки производят обратную замену. Метод лиофилизации – заморозка высушиванием в воздухе. Хранение замороженных людей. Существуют банки тканей, банки органов на научной основе.
Преодоление тканевой несовместимости – работа хирургов, иммунологов, физиологов и других специалистов. Целое медицинское направление - иммунодепрессивная терапия – направлено на решение этой проблемы. Используют химические, физические и биологические факторы воздействия на организм реципиента.
Физические методы – радиоактивное излучение, рентгеновские лучи.
Химические методы – введение препаратов, снижающих иммунитет. Они сильно влияют на жизненно важные органы.
Биологические методы – введение антитоксических сывороток, антибиотиков. Принцип действия - нейтрализация трансплантационных антител. Наиболее перспективный метод.
В настоящее время пересаживают практически все: и органы, и ткани.
История трансплантологии в России.
1933 – Ю.воронов – первая в мире пересадка почки.
1937 год – Демихов - первая в СССР пересадка сердца собаке.
1946 – Демихов – пересадил сердце и легкие собаке.
1948 – Демихов, Швековский – пересадка печени собаке.
1954 – Демихов пересадил вторую голову собаке.
1965 – Петровский – первая успешная пересадка почки.
1986 – Шумаков – первая в СССР пересадка сердца человеку.(1967 – Кристиан Бернард – ЮАР – успешная пересадка сердца человеку).
1990 – Ерамишанцев – первая в СССР пересадка печени человеку.
В Воронеже существует центр по пересадке почек. В клинике Шарите в Германии ежегодно делаются 60-100 операций по пересадке печени.
В 2005 году в Англии произведена успешная операция по пересадки печени от одного донора – ребенку и взрослому человеку.
Несмотря на заслуги, трансплантология ограничена законодательством, кроме того, многие органы являются «дефицитными».
80.Биологические ритмы. Хронобиология и хрономедицина.
Наука, изучающая биоритмы – биоритмология .
Биологический ритм - колебание ритма или скорости какого-либо биологического процесса, наступающее примерно через равные промежутки времени. Биологические ритмы присущи всем живым организмам.
С точки зрения взаимодействия организма и среды выделяют:
- адаптивные ритмы (экологические). Колебания с периодами, близкими основным геофизическим ритмам. (лунные, годовые, сезонные, приливно-отливные ритмы).
- физиологические (рабочие) ритмы.
Колебания, отражающие деятельности рабочих систем органов организма.
Классификация биоритмов.
1. Ритмы высокой частоты.
Колебания совершаются с периодом от долей секунды до 30 минут. Ритмы ЭКГ, сокращения сердца, дыхания, перистальтики ЖКТ.
Ритмы средней частоты.
От 30 минут до 28 часов.
· ультрадианные -до 20 часов. (чередование быстрого и медленного сна.Оральное поведение.)
· циркадные 20-28 часов. Это видоизмененные суточные ритмы. Они врожденные, эндогенные, обусловленные свойствами организма и его генотипа. Обнаружены у всех организмов. (кровяное давление, пульс, изменение температуры тела)
Мезоритмы.
· инфрадианные -28 часов-6 суток. (рост бороды, сокращения сердца)
· циркасептальные -около 7 суток.(комары откладывают яйца через 7 дней, активность гормонов эпифиза, смертность от неинфекционных заболеваний, отторжение и приживание трансплантата.)
Макроритмы
20 дней – год
Мегаритмы.
Периоды в десятки лет.
Из всего разнообразия ритмических процессов основное внимание сосредоточено на суточных и сезонных ритмах. Суточная и сезонная ритмичность происходит на всех уровнях биологических реакций. Ритмы служат 2-м целям: приспособление организмов к ожидаемым условиям среды, составление уникальной системы времени, интеграция всех ритмов воедино.
Понятие цикла подразумевает периодичность процесса. Время между одинаковыми состояниями соседних ритмов – период Т . Число циклов в единицу времени – частота . Величина, которая соответствует среднему значению полезного сигнала – мезер. Наибольшее отклонение от мезера - амплитуда . Момент времени, когда регистрируется конкретная величина – фаза. Момент наибольшего поднятия – акрофаза , момент наименьшего поднятия – батифаза.
Заболевания, связанные с нарушениями биологических ритмов – десинхронозы .
Могут быть явные и скрытые.
Явный десинхроноз отличается присутствием упадка сил, быстрой утомляемостью, учащением пульса, артериального давления, дыхания.
Скрытый десинхроноз приводит к дискомфорту, нарушениям сна и аппетита. Это предболезненноле состояние.
тотальный десинхроноз . При этом происходят общие изменения всех систем органов.
частичный десинхроноз , в этом случае имеют место сбои отдельных органов и их функций.
Хронический десинхроноз происходит из-за частого отступления от привычного режима жизни.
Острый – возникает из-за сильного, грубого нарушения режима труда и отдыха, сна, питания. Самый резкий наблюдается у детей и стариков.
Ритмичность первоначально возникает в результате периодического воздействия окружающей среды, затем закрепляются генетически.
Из биоритмологии выделились:
Хронобиология;
Хронопатология;
Хронодиагностика;
Хронотерапия;
Хронофармакология (прием препаратов в определенное время);
Хроногигиена (соблюдение режима труда отдыха).
Хронобиология - раздел биологии, изучающий биологические ритмы, протекание различных биологических процессов (преимущественно циклических) во времени.
Хрономедицина – использование закономерностей биоритмов для улучшения профилактики,диагностики и лечения болезней человека.
81.Биологическая эволюция. Современные теории эволюции.
Принципы эволюции (по Ламарку)
В основе биологической эволюции лежат процессы самовоспроизведения макромолекул и организмов.
Биологическая эволюция – необратимое и направленное историческое развитие живой природы, она сопровождается:
Изменением генетического состава популяции;
Формированием адаптаций;
Образованием и вымиранием видов;
Преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Регенера́ция (восстановление) - способность живых организмов со временем восстанавливать повреждённые ткани, а иногда и целые потерянные органы. Регенерацией также называется восстановление целого организма из его искусственно отделённого фрагмента (например, восстановление гидры из небольшого фрагмента тела или диссоциированных клеток). У протистов регенерация может проявляться в восстановлении утраченных органоидов или частей клетки.
Бывает физиологическая и репаративная. Регенерацию в процессе нормальной жизнедеятельности организма, обычно не связанную с повреждениями или утратой, называют физиологической. В каждом организме на протяжении всей его жизни постоянно идут процессы восстановления и обновления. У человека, например, постоянно обновляется наружный слой кожи. Птицыпериодически сбрасывают перья и отращивают новые, а млекопитающие сменяют шерстный покров. У листопадных деревьев листья ежегодно опадают и заменяются свежими.
Примеромфизиологическойрегенерациинавнутриклеточномуровнеявляютсяпроцессывосстановлениясубклеточныхструктурвклеткахвсехтканейиорганов. Значениеееособенновеликодлятакназываемых «вечных» тканей, утратившихспособностькрегенерациипутемделенияклеток. Впервуюочередьэтоотноситсякнервнойткани.
Примерамифизиологическойрегенерациинаклеточномитканевомуровняхявляютсяобновлениеэпидермисакожи, роговицыглаза, эпителияслизистойкишечника, клетокпериферическойкровиидр. Обновляютсяпроизводныеэпидермиса - волосыиногти. Этотакназываемая пролиферативная регенерация, т.е. восполнениечисленностиклетокзасчетихделения.
Регенерация. Виды регенерации. Репаративная регенерация, ее значение. Способы репаративной регенерации (эпиморфоз, морфолаксис). Гомоморфоз, гипоморфоз, гетероморфоз, гиперморфоз. Примеры.
Репаративной называют регенерацию, происходящую после повреждения или утраты какой-либо части тела. Выделяют типичную и атипичную репаративную регенерацию.
При типичной регенерации утраченная часть замещается путём развития точно такой же части. Причиной утраты может быть внешнее воздействие (например, ампутация), или же животное намеренно отрывает часть своего тела (автотомия), как ящерица, обламывающая часть своего хвоста, спасаясь от врага.
При атипичной регенерации утраченная часть замещается структурой, отличающейся от первоначальной количественно или качественно. У регенерировавшей конечности головастика число пальцев может оказаться меньше исходного, а у креветки вместо ампутированного глаза может вырасти антенна.
Эпиморфо́з - вариант процесса регенерации органа при потере части органа, характеризующийся, в отличие от морфаллаксиса, отрастанием недостающей части органа без изменения формы и размера оставшейся части органа.
Морфаллаксис (от греч. morphe - вид, форма и allaxis - изменение), один из способов регенерации у животных, при котором образование целого организма или его органа из оставшегося после повреждения участка тела или органа происходит путём перестройки этого участка (ср. Эпиморфоз). М. наблюдается у многих кишечнополостных, плоских и кольчатых червей, членистоногих, а также у оболочников.
Гомоморфоз (полная регенерация, реституция) - завершение процесса регенерации удаленного органа восстановлением идентичного по форме, размерам и функциональности органа.
Гетероморфо́з (неполная регенерация, реституция) - завершение процесса регенерации удаленного органа восстановлением органа, отличающегося от исходного функциональностью (образование другого органа).
Гиперморфоз (от гипер... и греч. morphe - вид, форма), гипертелия, сверхспециализация, тип филогенетического развития, ведущий к нарушению отношений организма со средой вследствие гипертрофииотдельных органов (например, клыков у ископаемого саблезубого тигра - махайрода, рогов у гигантского оленя, клыков у современного кабана - бабируссы и т.п.). Частный случай Г. - общее увеличение размеров тела, ведущее к нарушению корреляций отдельных органов
Регенерация. Виды регенерации. Репаративная регенерация. Морфолаксис. Эндоморфоз (регенерационная гипертрофия, компенсаторная гипертрофия). Примеры. Проявление регенерационной способности в филогенезе. Применение в медицине. Факторы, влияющие на процесс регенерации.
Эндоморфоз – этовосстановление, идущеевнутриоргана.Приэтомвосстанавливаетсянеформа, а массаоргана.Регенерацияпотипуэндоморфозаначинается с заживленияраны, а затемпроисходитувеличениеоставшейсячастиорганазасчетразмноженияклеток и ихгипертрофии.
Регенерационная гипертрофия относится к внутренним органам. Этот способ регенерации заключается в увеличении размеров остатка органа без восстановления исходной формы. Иллюстрацией служит регенерация печени позвоночных, в том числе млекопитающих. При краевом ранении печени удаленная часть органа никогда не восстанавливается. Раневая поверхность заживает. В то же время внутри оставшейся части усиливается размножение клеток (гиперплазия) и в течение двух недель после удаления 2/3 печени восстанавливаются исходные масса и объем, но не форма. Внутренняя структура печени оказывается нормальной, дольки имеют типичную для них величину. Функция печени также возвращается к норме.
Компенсаторная гипертрофия заключается в изменениях в одном из органов при нарушении в другом, относящемся к той же системе органов. Примером является гипертрофия в одной из почек при удалении другой или увеличение лимфатических узлов при удалении селезенки.
Регенерация в медицине. Различают физиологическую, репаративную и патологическую регенерацию. При травмах и др. патологических состояниях, которые сопровождаются массовой гибелью клеток, восстановление тканей осуществляется за счёт репаративнои (восстановительной) регенерации. Если в процессе репаративной регенерации утраченная часть замещается равноценной, специализированной тканью, говорят о полной регенерации (реституции); если на месте дефекта разрастается неспециализированная соединительная ткань,- о неполной регенерации (заживлении посредством рубцевания). В ряде случаев при субституции функция восстанавливается за счёт интенсивного новообразования ткани (аналогичной погибшей) в неповреждённой части органа. Это новообразование происходит путём либо усиленного размножения клеток, либо за счёт внутриклеточной регенерации- восстановления субклеточных структур при неизменённом числе клеток (сердечная мышца, нервная ткань). Возраст, особенности обмена веществ, состояние нервной и эндокринной систем, питание, интенсивность кровообращения в повреждённой ткани, сопутствующие заболевания могут ослабить, усилить или качественно изменить процесс регенерации. В некоторых случаях это приводит к патологической регенерации. Её проявления: длительно незаживающие язвы, нарушения срастания переломов костей, избыточные разрастания тканей или переход одного типа ткани в другой. Лечебные воздействия на процесс регенерации заключаются в стимуляции полной и предотвращении патологической регенерации.
процесс регенерации зависит не только от уровня организации животного, но и от многих других факторов и характеризуется значит, изменчивостью. Неправильно также утверждение, что способность к регенерации закономерно падает с возрастом; она может и повышаться в процессе онтогенеза, но в период старости часто наблюдают её снижение. За последнюю четверть века показано, что, хотя у млекопитающих и человека целые наружные органы не регенерируют, внутренние их органы, а также мышцы, скелет, кожа способны к регенерации, которую изучают на органном, тканевом, клеточном и субклеточном уровнях
. 71. Характеристика трансплантации. Виды трансплантации- аутотрансплантация, аллотрансплантация, ксенотрансплантация. Пути преодоления тканевой несовместимости. Значение для медицины.
Трансплантациейназываетсяпересадкаилиприживлениеорганов и тканей.Пересаживаемыйучастокоргананазываетсятрансплантатом.Организм, откоторогоберуттканьдляпересадки, являетсядонором; организм, которомупересаживаюттрансплантат - реципиентом.
Различаютаутотрансплантацию, когдапересадкаосуществляется на другуючастьтелатогожеорганизма, аллотрансплантацию, когдапроизводятпересадкуотоднойособидругой, принадлежащейтомужевиду, и ксенотрансплантацию, когдадонор и реципиентотносятся к разнымвидам.
Трансплантация в медицинскойпрактике.
В техслучаях, когдаорганнеможетрегенерировать, нооннеобходим, остаетсяодинметод – заменитьеготакимжеестественнымилиискусственныморганом.
Припластическихоперациях, проводимых с цельювосстановленияформы и функциикакого-либоорганаилидеформированнойповерхноститела, распространенапересадкакожи, хряща, мышц, сухожилий, кровеносныхсосудов, нервов, сальника.Значительнуючастьпластическихоперацийсоставляюткосметические, направленные на восстановлениедеформированныхчастейлица.Пластическимиоперациямиустраняютсяуродствалица, например «заячьягуба», «волчьяпасть».Операцииповосстановлениюгортани, пищевода, половыхорганов, дефектов в брюшной и груднойстенках, черепе, такжеявляютсяпластическими.
Припластическихоперацияхпользуютсяпреимущественноаутотрансплантацией.Длятогочтобытрансплантатприжился, необходимообеспечитьегопитанием на новомместе.С этойцельюдляпересадкикожибылразработанметодкруглогостебля, обеспечивающийпитаниекожноголоскута на старомместе.Такжебылсозданметодпересадкироговицы, взятойоттрупа, с цельюлеченияслепоты, вызваннойповреждениями и язвами на роговице.Благодаряоперациям, проведеннымпоэтомуметоду, возвращенозрениемногимтысячамлюдей.Пересадкароговицыпротекаетбезосложнений, которыесопровождаютпересадкудругихорганов, таккакроговицанесодержиткровеносныхкапилляров и, следовательно, в неёнепопадаютклеткииммуннойсистемыкрови.
Посколькуабсолютноточноподобратьдонора и реципиентаповсемантигенамневозможно, возникаетпроблемаподавленияиммуннойреакцииотторжения.Большоезначение в этомимеетявлениеиммунологическойтолерантности к чужероднымклеткам.Этоявлениебылооткрыто на разныхорганизмахнезависимодруготдруга.Иммуннаясистема, направленнаяпротивлюбыхгенетическичужеродныхвеществ и клеток, защищаеторганизмотмикробов и вирусов.Однакоэтосвойство, выработанное в процесседлительнойэволюции, обращаетсяпротив интереса человека в случаепересадкиорганов и тканей.В этомслучае, а такжеприаутоиммунныхзаболеваниях, передученымивсталазадачаподавленияиммунитета – иммунодепрессии.Этодостигаетсяразличнымиспособами: подавлениемактивностииммуннойсистемы, облучением, введениемспециальнойантилимфатическойсыворотки, гормоновкорынадпочечников.
Применяюттакжеразличныехимическиепрепараты – антидепрессанты.
72. Эксплантация. Современные направления (использование стволовых клеток, клонирование)
Эксплантация – культивированиеизолированныхорганов и тканей.
Культивированиеизолированныхоргановвнеорганизмабазируется на том, что в органах, отделенныхотцелогоорганизма, приопределенныхусловияхмогутосуществлятьсяпроцессыжизнедеятельности.