Informatie

13.1: Ontwikkeling en regeneratie van spierweefsel - Biologie


Leerdoelen

  • Beschrijf de functie van satellietcellen
  • Definieer fibrose
  • Leg uit welke spier het grootste regeneratievermogen heeft

Het meeste spierweefsel van het lichaam komt voort uit embryonaal mesoderm. Paraxiale mesodermale cellen grenzend aan de neurale buis vormen blokken cellen genaamd somieten. EEN myoblast is een spiervormende stamcel die migreert naar verschillende regio's in het lichaam en vervolgens versmelt (s) om een ​​syncytium te vormen, of myotube. Hart- en gladde spiercellen zijn echter niet multinucleair omdat de myoblasten die hun cellen vormen niet fuseren.

In de vroege stadia van ontwikkeling ontwikkelen zich gap junctions in de cardiale en single-unit gladde spier. In skeletspieren zijn ACh-receptoren aanvankelijk aanwezig langs het grootste deel van het oppervlak van de myoblasten, maar innervatie van de spinale zenuw veroorzaakt het vrijkomen van groeifactoren die de vorming van motorische eindplaten en NMJ's stimuleren. Naarmate neuronen actief worden, beïnvloeden elektrische signalen die door de spier worden gestuurd de verdeling van langzame en snelle vezels in de spier.

Hoewel het aantal spiercellen tijdens de ontwikkeling wordt bepaald, helpen satellietcellen skeletspiercellen te herstellen. EEN satelliet cel lijkt op een myoblast omdat het een soort stamcel is; satellietcellen worden echter ingebouwd in spiercellen en vergemakkelijken de eiwitsynthese die nodig is voor herstel en groei. Deze cellen bevinden zich buiten het sarcolemma en worden gestimuleerd om te groeien en te versmelten met spiercellen door groeifactoren die onder bepaalde vormen van stress door spiervezels worden vrijgegeven. Satellietcellen kunnen in zeer beperkte mate spiervezels regenereren, maar ze helpen vooral om schade in levende cellen te herstellen. Als een cel in grotere mate is beschadigd dan kan worden gerepareerd door satellietcellen, worden de spiervezels vervangen door littekenweefsel in een proces dat fibrose. Omdat littekenweefsel niet kan samentrekken, verliezen spieren die aanzienlijke schade hebben opgelopen aan kracht en kunnen ze niet dezelfde hoeveelheid kracht of uithoudingsvermogen produceren als voordat ze beschadigd raakten.

Glad spierweefsel kan regenereren uit een type stamcel genaamd a pericyte, die in sommige kleine bloedvaten wordt aangetroffen. Met pericyten kunnen gladde spiercellen veel gemakkelijker regenereren en repareren dan skelet- en hartspierweefsel. Net als skeletspierweefsel regenereert hartspier niet in grote mate. Dood hartspierweefsel wordt vervangen door littekenweefsel, dat niet kan samentrekken. Naarmate littekenweefsel zich ophoopt, verliest het hart zijn vermogen om te pompen vanwege het verlies van contractiele kracht. Er kan echter enige kleine regeneratie optreden als gevolg van stamcellen in het bloed die af en toe het hartweefsel binnendringen.

Carrière connecties: fysiotherapeut

Als spiercellen afsterven, worden ze niet geregenereerd, maar worden ze vervangen door bindweefsel en vetweefsel, die niet de contractiele eigenschappen van spierweefsel hebben. Spieren atrofiëren wanneer ze niet worden gebruikt, en na verloop van tijd als de atrofie aanhoudt, sterven spiercellen af. Het is daarom belangrijk dat degenen die vatbaar zijn voor spieratrofie, oefenen om de spierfunctie te behouden en het volledige verlies van spierweefsel te voorkomen. In extreme gevallen, wanneer beweging niet mogelijk is, kan elektrische stimulatie vanuit een externe bron in een spier worden geïntroduceerd. Dit fungeert als vervanging voor endogene neurale stimulatie, stimuleert de spier om samen te trekken en voorkomt het verlies van eiwitten dat optreedt bij een gebrek aan gebruik.

Fysiotherapeuten werken met patiënten om spieren te behouden. Ze zijn getraind om zich te richten op spieren die vatbaar zijn voor atrofie, en om oefeningen voor te schrijven en te volgen die zijn ontworpen om die spieren te stimuleren. Er zijn verschillende oorzaken van atrofie, waaronder mechanisch letsel, ziekte en leeftijd. Na het breken van een ledemaat of het ondergaan van een operatie, is het spiergebruik verminderd en kan dit leiden tot atrofie door onbruik. Als de spieren niet worden getraind, kan deze atrofie leiden tot langdurige spierzwakte. Een beroerte kan ook spierbeschadiging veroorzaken door de neurale stimulatie van bepaalde spieren te onderbreken. Zonder neurale inputs trekken deze spieren niet samen en beginnen ze dus structurele eiwitten te verliezen. Het trainen van deze spieren kan helpen om de spierfunctie te herstellen en functionele beperkingen te minimaliseren. Leeftijdsgerelateerd spierverlies is ook een doelwit van fysiotherapie, omdat lichaamsbeweging de effecten van leeftijdsgerelateerde atrofie kan verminderen en de spierfunctie kan verbeteren.

Het doel van een fysiotherapeut is het verbeteren van het lichamelijk functioneren en het verminderen van functiebeperkingen; dit wordt bereikt door de oorzaak van spierbeschadiging te begrijpen en de mogelijkheden van een patiënt te beoordelen, waarna een programma wordt ontworpen om deze mogelijkheden te verbeteren. Sommige factoren die worden beoordeeld, zijn onder meer kracht, balans en uithoudingsvermogen, die voortdurend worden gecontroleerd terwijl oefeningen worden geïntroduceerd om verbeteringen in de spierfunctie te volgen. Fysiotherapeuten kunnen patiënten ook instrueren over het juiste gebruik van apparatuur, zoals krukken, en beoordelen of iemand voldoende kracht heeft om de apparatuur te gebruiken en wanneer ze zonder kunnen functioneren.


13.1: Ontwikkeling en regeneratie van spierweefsel - Biologie

Myogenese is de vorming van spierweefsel tijdens de embryonale ontwikkeling uit stamcellen in het mesoderm.

Leerdoelen

Beschrijf het proces van myogenese, de vorming van spierweefsel

Belangrijkste leerpunten

Belangrijkste punten

  • Menselijke embryonale stamcellen zijn pluripotent, wat betekent dat ze differentiëren in alle celtypen, inclusief spiercellen.
  • Spierweefsel wordt gevormd in de mesodermlaag van het embryo als reactie op signalen van fibroblastgroeifactor, serumresponsfactor en calcium.
  • In aanwezigheid van fibroblastgroeifactor fuseren myoblasten tot multi-nucleaire mytotubes, die de basis vormen van spierweefsel.
  • Ongebruikte myoblasten dedifferentiëren in myosatellietcellen, die in de spiervezel blijven totdat ze nodig zijn om te differentiëren in nieuwe spiercellen wanneer een spier beschadigd of gestrest is.
  • Myocyten zijn buisvormige spiercellen of vezels die ontstaan ​​uit myoblasten.
  • Myocyten zijn gespecialiseerd als hart-, skelet- of gladde spiercellen.

Sleutelbegrippen

  • myogenese: De vorming van spierweefsel tijdens de ontwikkeling van een embryo.
  • mesoderm: Een van de drie weefsellagen in het embryo van een metazoa-dier. Door embryonale ontwikkeling produceert het veel interne organen van de volwassene, waaronder de spieren, de wervelkolom en de bloedsomloop.
  • myoblasten: Een type embryonale stamcel waaruit spiercellen ontstaan.

Voorbeelden

Bodybuilders versterken de natuurlijke ontwikkelingsprocessen van spierfusie en dedifferentiatie van myoblasten tot myosatelliten, waardoor de massa van myosatellieten en daarmee de spieromvang en -gewicht dramatisch toenemen.

embryogenese is het proces waarbij het embryo wordt gevormd en zich ontwikkelt, totdat het een foetus wordt.

Kenmerken van embryoblasten

Skeletachtige satellietspiercel: Satellietcellen bevinden zich tussen het basaalmembraan en het sarcolemma (celmembraan) van individuele spiervezels. Ze kunnen differentiëren en fuseren om bestaande spiervezels te vergroten en nieuwe te vormen. Deze cellen vertegenwoordigen de oudst bekende niche van volwassen stamcellen en zijn betrokken bij de normale groei van spieren, evenals bij regeneratie na verwonding of ziekte.

De cellen van de binnenste celmassa (embryoblast), bekend als menselijke embryonale stamcellen (hESC's), differentiëren om vier structuren te vormen: het amnion, de dooierzak, de allantois en het embryo zelf. Menselijke embryonale stamcellen zijn pluripotent, dat wil zeggen dat ze kunnen differentiëren in elk van de celtypen die aanwezig zijn in de volwassen mens, en in elk van de intermediaire voorloperceltypen die uiteindelijk veranderen in de volwassen cellijnen. hESC's zijn ook onsterfelijk, ze kunnen onbeperkt in aantal delen en groeien, zonder differentiatie of celveroudering (cellulaire veroudering).

De eerste differentiatie van de hESC's die het eigenlijke embryo vormen, is in drie celtypen die bekend staan ​​als de kiemlagen: de ectoderm, de mesoderm, en de endoderm. Het ectoderm vormt uiteindelijk de huid (inclusief haar en nagels), slijmvliezen en het zenuwstelsel. Het mesoderm vormt het skelet en de spieren, het hart en de bloedsomloop, de urinewegen en de voortplantingsorganen en het bindweefsel in het lichaam. Het endoderm vormt het maag-darmkanaal (maag en darmen), de luchtwegen en het endocriene systeem (lever en endocriene klieren).

Het proces van myogenese

Myogenese is de vorming van spierweefsel, vooral tijdens de embryonale ontwikkeling. Spiervezels worden gevormd door de fusie van myoblasten tot multi-nucleaire vezels die myotubes worden genoemd. In de vroege embryonale ontwikkeling prolifereren deze myoblasten als er voldoende fibroblastgroeifactor (FGF) aanwezig is. Wanneer de FGF opraakt, stoppen de myoblasten met delen en scheiden fibronectine af op hun extracellulaire matrix. De tweede fase omvat de uitlijning van de myoblasten in de myotubes. De derde fase is de eigenlijke celfusie zelf. In deze fase zijn calciumionen van cruciaal belang voor de ontwikkeling. Myocytenversterkende factoren (MEF's) bevorderen de myogenese. Serumresponsfactor (SRF) speelt een centrale rol tijdens myogenese, die nodig is voor de expressie van gestreepte alfa-actinegenen. Expressie van skeletalfa-actine wordt ook gereguleerd door de androgeenreceptor, wat betekent dat steroïden de myogenese kunnen reguleren.

Kenmerken van myoblasten

Een myoblast is een type embryonale voorlopercel die differentieert om spiercellen te vormen. Skeletspiervezels worden gemaakt wanneer myoblasten samensmelten, zodat spiervezels meerdere kernen hebben. De fusie van myoblasten is specifiek voor skeletspieren (bijv. biceps brachii), niet voor hart- of gladde spieren.

mesoderm: De embryonale laag waaruit spierweefsel zich ontwikkelt, inclusief hartspier, skeletspiercellen, tubuluscel van de nier, rode bloedcellen en gladde spieren in de darm.

Myoblasten die geen spiervezels vormen, dedifferentiëren terug in satellietcellen (myosatellietcellen). Deze cellen blijven aangrenzend aan een spiervezel, gelegen tussen het sarcolemma en het endomysium (het bindweefsel dat de spierbundels in afzonderlijke vezels verdeelt). Satellietcellen kunnen differentiëren en samensmelten om bestaande spiervezels te vergroten en nieuwe te vormen. In onbeschadigde spieren zijn de meeste satellietcellen in rust, ze differentiëren niet en ondergaan geen celdeling. Als reactie op mechanische belasting worden satellietcellen geactiveerd en prolifereren ze aanvankelijk als skeletmyoblasten voordat ze myogene differentiatie ondergaan.

Een myocyt (ook bekend als een spiercel of spiervezel) is het type cel dat in spierweefsel wordt aangetroffen. Deze lange, buisvormige cellen ontstaan ​​in de ontwikkeling van myoblasten om spieren te vormen. Er zijn verschillende gespecialiseerde vormen van myocyten met verschillende eigenschappen, waaronder hart-, skelet- en gladde spiercellen. Cardiale myocyten genereren de elektrische impulsen die de hartslag en andere functies regelen.


Polariteits- en gradiënttheorie

Elk levend wezen vertoont polariteit, een voorbeeld hiervan is de differentiatie van een organisme in een kop of voorste deel en een staart of achterste deel. Regenererende delen zijn geen uitzondering, ze vertonen polariteit door altijd in een distale richting te groeien (weg van het hoofddeel van het lichaam). Bij de lagere ongewervelde dieren is het onderscheid tussen proximaal (nabij of naar het lichaam) en distaal echter niet altijd duidelijk. Het is bijvoorbeeld niet moeilijk om de polariteit van "stengels" in koloniale hydroïden om te keren. Normaal gesproken zal een stuk van de stengel een hoofdeinde of hydranth laten groeien aan het vrije of distale uiteinde als dat wordt afgebonden, maar het regenereert een hydrant aan het uiteinde dat oorspronkelijk proximaal was. De polariteit in dit systeem wordt blijkbaar bepaald door een activiteitsgradiënt zodanig dat een hydrant regenereert waar de stofwisseling het hoogst is. Zodra een hydrant zich begint te ontwikkelen, remt deze de productie van andere proximaal ervan door de diffusie van een remmende stof naar beneden langs de stengel.

Wanneer vlakke platwormen doormidden worden gesneden, groeit elk stuk het ontbrekende uiteinde terug. Cellen in in wezen identieke delen van het lichaam waar de snede werd gemaakt, vormen blastema's, die in het ene geval aanleiding geven tot een kop en in het andere geval tot een staart. Wat elke blastema regenereert, hangt volledig af van of het op een voorstuk of een achterste stuk platworm is: het echte verschil tussen de twee stukken kan worden vastgesteld door metabolische verschillen. Als een dwarsstuk van een platworm erg dun wordt gesneden - te smal om een ​​effectieve metabolische gradiënt op te zetten - kan het twee koppen regenereren, één aan elk uiteinde. Als de metabolische activiteit aan het voorste uiteinde van een platworm kunstmatig wordt verminderd door blootstelling aan bepaalde medicijnen, kan het voormalige achterste uiteinde van de worm een ​​kop ontwikkelen.

Aanhangselregeneratie vormt een ander probleem dan dat van hele organismen. De vin van een vis en de ledemaat van een salamander hebben proximale en distale uiteinden. Door verschillende manipulaties is het echter mogelijk om ze in een proximale richting te laten regenereren. Als een vierkant gat in de vin van een vis wordt gesneden, vindt regeneratie plaats zoals verwacht vanaf de binnenrand, maar kan ook plaatsvinden vanaf de distale rand. In het laatste geval is de regenererende vin eigenlijk een distale structuur, behalve dat deze toevallig in een proximale richting groeit.

Amfibische ledematen reageren op een vergelijkbare manier. Het is mogelijk om de hand van een salamander te enten op de nabijgelegen lichaamswand, en als er eenmaal voldoende bloedstroom is, om de arm tussen de schouder en de elleboog door te snijden. Hierdoor ontstaan ​​twee stompen, een korte die bestaat uit een deel van de bovenarm en een langere die bestaat uit de rest van de arm die in de verkeerde richting uitsteekt vanaf de zijkant van het dier. Beide stompen regenereren hetzelfde, namelijk alles wat normaal distaal ligt ten opzichte van het amputatieniveau, ongeacht de kant van de stomp. De omgekeerde arm regenereert daarom een ​​spiegelbeeld van zichzelf.

Het is duidelijk dat wanneer een structuur regenereert deze alleen delen kan produceren die normaal distaal van het amputatieniveau liggen. De deelnemende cellen bevatten informatie die nodig is om alles 'stroomafwaarts' te ontwikkelen, maar kunnen nooit meer proximale structuren worden. Regeneratie vindt, net als embryonale ontwikkeling, plaats in een bepaalde volgorde.


Regeneratie

Morphoallaxis: Hydra groeit door het verlies van cellen aan de uiteinden en door te ontluiken.
Hydra heeft een hol buisvormig lichaam (0,5 cm lang), met tentakels rond de mond (hypostoom) en aan het andere uiteinde een basale schijf (voet).
Hydra heeft slechts twee kiemlagen, het ectoderm en het endoderm, gescheiden door het basaalmembraan.
Hydra ondergaan continue groei en patroonvorming en cellen gaan verloren aan de tentakelpunten en van de basale schijf.
De cellen veranderen voortdurend van positie en vormen nieuwe structuren terwijl ze op en neer gaan in de lichaamskolom.
Ontluiken vindt plaats, 2/3 langs de lichaamsas die een hoofd ontwikkelt en vervolgens loskomt als een kleine nieuwe Hydra.

Regeneratie in Hydra is gepolariseerd en is niet afhankelijk van groei.
Wanneer het in tweeën wordt gesneden, zal het onderste stuk een hoofd ontwikkelen en zal het bovenste een voet ontwikkelen.
Een stuk dat uit het Hydra-lichaam wordt gesneden, regenereert zowel een hoofd als een basale schijf in dezelfde polariteit.
Een klein fragment zal een kleine Hydra produceren die na het voeden zal groeien.
Zwaar bestraalde Hydra, die geen celdeling kan ondergaan (groei), zal regenereren.

Het hoofdgebied remt de vorming van nabijgelegen hoofden
Het hoofdgebied van Hydra fungeert als een organiserend gebied en als een remmer van ongepaste hoofdvorming.
De hypostoom en de basale schijven fungeren als organiserende centra om polariteit te geven en om kop- en staartvorming te induceren.
Transplantaten van de hypostoom naar het maaggebied zullen een 2e kop induceren (en uiteindelijk een nieuw lichaam).
Transplantaten van het gebied naast het hoofd naar het maaggebied zullen geen nieuwe kop genereren tenzij de oorspronkelijke kop wordt verwijderd, maar zullen een nieuwe kop in het voetgebied genereren.

Hoofdregeneratie in Hydra kan worden verklaard in termen van twee gradiënten:
1) een hoofdinhibitorgradiënt en
2) positionele informatiegradiënt (langs de lichaamsas).
Diacylglycerol, een krachtige 2e boodschapper (d.w.z. fosfatidylinositol-signalering) veroorzaakt ectopische kopvorming, terwijl lithium ectopische voeten induceert.
Homologen van Hox-genen en forkhead-transcriptiefactoren werken in de organiserende regio's van Hydra.

epimorfose: regeneratie van gewervelde ledematen omvat celdedifferentiatie en groei.
Bij postamputatie salamanders bedekken epidermale cellen de wond om een ​​blastema te vormen.
De cellen van het blastema komen van onder de wondepidermis, dedifferentiëren en beginnen zich te delen.
In de loop van weken worden deze cellen kraakbeen, spieren en bindweefsel.
Transdeterminatie kan worden gezien door (multinucleaire) spiercellen te labelen met rhodamine-dextran (een grote markerkleurstof).
Gelabelde mononucleaire cellen ontstaan ​​die zowel kraakbeen als spieren veroorzaken.
Bij het regenereren van newt-cellen wordt het Rb-eiwit geïnactiveerd door fosforylering.
Regeneratie van ledematen is ook afhankelijk van de aanwezigheid van zenuwcellen.

Het blastema geeft aanleiding tot structuren met positionele distale waarden.
Regeneratie verloopt altijd in een richting distaal van het snijvlak.
Een geamputeerd ledemaat herstelt de bloedtoevoer wanneer deze aan de romp is gefuseerd.
Als de humerus vervolgens wordt doorgesneden, zullen beide oppervlakken distale structuren regenereren.
Het enten van een distaal blastema op een proximale stomp zal ervoor zorgen dat de stomp (meestal) een normaal ledemaat vormt en het distale blastema vormt de pols en hand.
Dit wordt bereikt door positionele waarden te herstellen door intercalaire groei te induceren.
Terwijl zoogdieren ledematen niet kunnen regenereren, kunnen velen (inclusief jonge kinderen) de uiteinden van hun cijfers regenereren.

Retinoïnezuur kan proximo-distale waarden in regenererende ledematen veranderen.
Retinezuur is aanwezig in zich ontwikkelende ledematen van gewervelde dieren en kan de positiewaarden in de ledematen van het kuiken veranderen.
Blootstelling aan retinoïnezuur verandert de positionele waarde van een blastema naar meer proximale, zodat zowel elementen proximaal van de snede als die distaal zullen worden gegenereerd.
Gewonde epidermis is een sterke bron van retinoïnezuur.
In regenererende ledematen is retinoïnezuur in een duidelijk patroon aanwezig en is de concentratie hoger in meer distale blastema's.

Insect ledematen intercaleren positionele waarden.
Wanneer weefsels met een sterk verschillende positionele waarde in samenhang worden geplaatst, treedt intercalaire groei op om de ontbrekende waarden te vervangen.
Het enten van geamputeerde kakkerlakkenpoten toont intercalatie aan.
Een distaal gesneden scheenbeen geënt op een proximale snede zal groeien om de ontbrekende stukken te intercaleren.
Een proximaal gesneden scheenbeen, geënt op een distaal gesneden gastheer, zal echter ook groeien door intercalatie.
In het laatste geval bevindt het geregenereerde drankje zich in de omgekeerde richting (in de richting van de haren).
Omtrekwaarden kunnen ook worden geregenereerd door intercalatie.

Plantenstekken kunnen complete planten produceren door alle positiewaarden te regenereren.


Strategieën van regeneratieve geneeskunde

2 satellietcellen van skeletspieren

Spierregeneratie is verminderd bij oude muizen en ratten. Het aantal SC's neemt niet af met de leeftijd, maar hun vermogen om te prolifereren neemt aanzienlijk af vanwege een tekort dat resulteert in de activering van slechts 25% van het aantal SC's dat in jonge spieren wordt geactiveerd (Conboy et al., 2003). Het tekort is te wijten aan de onvoldoende opregulatie van de Notch-liganddelta en dus verminderde activering van Notch. Het blokkeren van Notch-activering in jonge spieren met een remmer veroorzaakte een duidelijke remming van de regeneratie (Conboy et al., 2003). Het regeneratieve vermogen van verouderde spieren die naar jonge gastheren worden getransplanteerd, wordt verhoogd en dat van jonge spieren neemt af wanneer ze worden getransplanteerd naar oude gastheren (Carlson en Faulkner, 1989 Carlson et al., 2001). Door Notch direct te activeren met een antilichaam tegen zijn extracellulaire domein, wordt het regeneratieve vermogen van oude spieren hersteld tot het niveau van jonge muizen (Conboy et al., 2003). Bovendien was het aantal geactiveerde SC's en spierregeneratie in de oude muizen hersteld tot bijna het niveau van jonge muizen, terwijl het aantal geactiveerde SC's en spierregeneratie in de jonge muizen van de paren slechts licht was verminderd (Conboy et al., 2005) (Fig. 9.7).

Afbeelding 9.7 . Heterochrone parabiose herstelt spierregeneratie en activering van satellietcellen bij oude ratten, een effect dat wordt gemedieerd door jong serum. (EEN) Jonge en oude muizen werden isochronisch of heterochronisch gepaard en de tibialis-spier werd lokaal beschadigd door bevriezing. De spieren werden 5 dagen na verwonding histologisch geanalyseerd. Bovenkant, hematoxyline en eosinekleuring. Onderkant, immunokleuring voor embryonale myosine zware keten (eMHC, rood). Kernen gekleurd met Hoechst (blauw). Regeneratie van verouderde spieren wordt aanzienlijk verbeterd door heterochrone parabiose. (B, C) Staafdiagrammen die de regeneratie-index (aantal embryonale MHC-spiervezels op de plaats van de verwonding/totaal aantal kernen in het veld) en percentage Delta+ (actieve) satellietcellen meten. De gegevens tonen aan dat heterochronische parabiose de regeneratie-index en het aantal actieve SC's in verouderde spieren aanzienlijk verbetert. (NS, E) Dit effect is van invloed op de omgeving, zoals blijkt uit de significante toename van het aantal Delta + en Notch + SC's wanneer verouderde SC's gedurende 24 uur in jong serum werden gekweekt.

Gereproduceerd met toestemming van Conboy et al., Verjonging van verouderde voorlopercellen door blootstelling aan een jonge systemische omgeving. Natuur 433:760-764. Copyright 2005, Nature Publishing Group.

Deze waarnemingen impliceren opnieuw het verlies van bepaalde systemische nichefactoren, wat resulteert in de afname van het regeneratieve vermogen in spieren en lever met de leeftijd. In overeenstemming met deze hypothese is de blootstelling van SC's van de spieren van oude muizen aan het serum van jonge muizen in vitro resulteert in verhoogde expressie van Delta, verhoogde Notch-activering en verhoogde proliferatie (Conboy et al., 2005) (Fig. 9.7). Bovendien is gemeld dat de spieren van oude ratten en mensen een tekort hebben aan de productie van mechano-groeifactor (MGH), een splitsingsvariant van IGF-I (Owino et al., 2001 Hameed et al., 2004). Krachttraining vertraagt ​​het ontstaan ​​van sarcopenie bij mensen (Clarke, 2004) en verhoogt de MGF-productie aanzienlijk, vooral in combinatie met toediening van groeihormoon (Goldspink, 2004), wat opnieuw suggereert dat nichefactoren een significant effect hebben op het vermogen van SC's bij het verouderen van spieren om een ​​onverminderd regeneratief potentieel tot uitdrukking te brengen (Aagaard, 2004).


Eugene Bell Centrum voor Regeneratieve Biologie en Tissue Engineering

Het Eugene Bell Center for Regenerative Biology and Tissue Engineering werd in 2010 opgericht door de buitengewone leiderschapsgaven van Millicent Bell en John en Valerie Rowe. Onderzoek in het Bell Center is bedoeld om de moleculaire, genetische en cellulaire mechanismen op te helderen die ten grondslag liggen aan de groei en vervanging van sterk gedifferentieerde weefsels tijdens ontwikkeling, fysiologische omzet en herstel na een blessure. Deze processen zijn van cruciaal belang voor de menselijke gezondheid en biologie en zijn de focus geweest van elegante studies in een groot aantal modelorganismen in het laboratorium sinds het baanbrekende werk van MBL-wetenschappers Thomas Hunt Morgan en Jacques Loeb.

Gebruikmakend van unieke en zeer handelbare mariene en aquatische modelorganismen, hoge doorvoer en vergelijkende genetische benaderingen, nieuwe beeldvormingstechnologieën en de nieuwste ontwikkelingen in data-intensieve computationele analyse, wetenschappers in het Bell Center, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Chicago en de Argonne National Laboratory, geven antwoorden op enkele van de meest fundamentele en intrigerende vragen in de biologie. Van de controle van cellulaire energie tot de processen van orgaanontwikkeling en regeneratie van het ruggenmerg, deze transformatieve ontdekkingen maken nieuwe inzichten mogelijk in de basismechanismen van weefselgroei, herstel en regeneratie in alle metazoën en zullen nieuwe benaderingen mogelijk maken voor het begrijpen, behandelen en voorkomen van menselijke ziekte.


Abstract

Stamcellen en hun lokale micro-omgeving, of niche, communiceren via mechanische signalen om het lot van de cel en het celgedrag te reguleren en om ontwikkelingsprocessen te sturen. Tijdens de embryonale ontwikkeling zijn mechanische krachten betrokken bij patroonvorming en organogenese. De fysieke omgeving van pluripotente stamcellen regelt hun zelfvernieuwing en differentiatie. Mechanische en fysieke signalen zijn ook belangrijk in volwassen weefsels, waar volwassen stamcellen fysieke interacties met de extracellulaire matrix nodig hebben om hun potentie te behouden. In vitro, kunnen synthetische modellen van de stamcelniche worden gebruikt om de biofysische en biochemische eigenschappen van de stamcelmicro-omgeving nauwkeurig te controleren en te manipuleren en om te onderzoeken hoe de modus en omvang van mechanische signalen, zoals matrixstijfheid of uitgeoefende krachten, directe stamceldifferentiatie en functie. Fundamentele inzichten in de mechanobiologie van stamcellen vormen ook de basis voor het ontwerp van kunstmatige niches om stamcellen te ondersteunen voor regeneratieve therapieën.


Bioengineered hybride spiervezel voor regeneratieve geneeskunde

Spier is het grootste orgaan dat goed is voor 40% van de lichaamsmassa en speelt een essentiële rol bij het in stand houden van ons leven. Spierweefsel staat bekend om zijn unieke vermogen tot spontane regeneratie. Bij ernstige verwondingen zoals die opgelopen bij auto-ongelukken of tumorresectie die resulteert in een volumetrisch spierverlies (VML), is het herstelvermogen van de spier echter sterk verminderd. Momenteel omvatten VML-behandelingen chirurgische ingrepen met autologe spierflappen of -transplantaten vergezeld van fysiotherapie. Chirurgische ingrepen leiden echter vaak tot een verminderde spierfunctie en in sommige gevallen tot een volledig falen van het transplantaat. Er is dus vraag naar aanvullende therapeutische opties om het herstel van spierverlies te verbeteren.

Een veelbelovende strategie om de functionele capaciteit van de beschadigde spier te verbeteren is om de novo regeneratie van skeletspieren te induceren via de integratie van getransplanteerde cellen. Verschillende soorten cellen, waaronder satellietcellen (spierstamcellen), myoblasten en mesenchymale stamcellen, zijn gebruikt om spierverlies te behandelen. Invasieve spierbiopten, slechte celbeschikbaarheid en beperkt onderhoud op lange termijn belemmeren echter klinische translatie, waarbij miljoenen tot miljarden rijpe cellen nodig kunnen zijn om therapeutische voordelen te bieden.

Een ander belangrijk punt is het beheersen van de driedimensionale micro-omgeving op de plaats van de verwonding om ervoor te zorgen dat de getransplanteerde cellen goed differentiëren tot spierweefsel met gewenste structuren. Een verscheidenheid aan natuurlijke en synthetische biomaterialen is gebruikt om de overleving en rijping van getransplanteerde cellen te verbeteren, terwijl gastheercellen worden gerekruteerd voor spierregeneratie. Er zijn echter onopgeloste, langdurige dilemma's bij de ontwikkeling van weefselsteigers. Natuurlijke steigers vertonen een hoge celherkenning en celbindingsaffiniteit, maar bieden vaak geen mechanische robuustheid in grote laesies of dragende weefsels die langdurige mechanische ondersteuning vereisen. Daarentegen bieden synthetische steigers een nauwkeurig ontworpen alternatief met afstembare mechanische en fysieke eigenschappen, evenals op maat gemaakte structuren en biochemische samenstellingen, maar worden vaak gehinderd door een gebrek aan celrekrutering en slechte integratie met gastheerweefsel.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, heeft een onderzoeksteam van het Center for Nanomedicine binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea, de Yonsei University en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een nieuw protocol ontwikkeld voor kunstmatige spierregeneratie. Het team bereikte een effectieve behandeling van VML in een muismodel door gebruik te maken van directe celherprogrammeringstechnologie in combinatie met een natuurlijk-synthetische hybride scaffold.

Directe celherprogrammering, ook wel directe conversie genoemd, is een efficiënte strategie die effectieve celtherapie biedt omdat het de snelle generatie van patiëntspecifieke doelcellen mogelijk maakt met behulp van autologe cellen uit de weefselbiopsie. Fibroblasten zijn de cellen die vaak worden aangetroffen in het bindweefsel en zijn op grote schaal betrokken bij wondgenezing. Omdat de fibroblasten geen terminaal gedifferentieerde cellen zijn, is het mogelijk om ze om te zetten in geïnduceerde myogene progenitorcellen (iMPC's) met behulp van verschillende transcriptiefactoren. Hierin werd deze strategie toegepast om iMPC te leveren voor spierweefselengineering.

Om structurele ondersteuning te bieden aan de prolifererende spiercellen, werd polycaprolacton (PCL) gekozen als materiaal voor de fabricage van een poreuze steiger vanwege de hoge biocompatibiliteit. Hoewel uitlogen een veelgebruikte methode is om poreuze materialen te maken, is het meestal beperkt tot het produceren van gesloten poreuze structuren. Om deze beperking te overwinnen, hebben de onderzoekers de conventionele zoutuitloogmethode uitgebreid met thermisch trekken om aangepaste PCL-vezelsteigers te produceren. Deze techniek vergemakkelijkte fabricage met hoge doorvoer van poreuze vezels met gecontroleerde stijfheid, porositeit en afmetingen die nauwkeurige afstemming van de steigers op de letselplaatsen mogelijk maken.

De scaffolds van synthetische PCL-vezels alleen bieden echter geen optimale biochemische en lokale mechanische aanwijzingen die spierspecifieke micro-omgeving nabootsen. Vandaar dat de constructie van een hybride scaffold werd voltooid door de opname van gedecellulariseerde spier-extracellulaire matrix (MEM) hydrogel in de PCL-structuur. Momenteel is MEM een van de meest gebruikte natuurlijke biomaterialen voor de behandeling van VML in de klinische praktijk. De onderzoekers zijn dus van mening dat hybride steigers die zijn ontworpen met MEM een enorm potentieel hebben in klinische toepassingen.

De resulterende bioengineered spiervezelconstructies vertoonden mechanische stijfheid vergelijkbaar met die van spierweefsels en vertoonden verbeterde spierdifferentiatie en langwerpige spieruitlijning in vitro. Bovendien bevorderde implantatie van bioengineered spierconstructies in het VML-muismodel niet alleen spierregeneratie met verhoogde innervatie en angiogenese, maar vergemakkelijkte ook het functionele herstel van beschadigde spieren. Het onderzoeksteam merkt op: "Het hybride spierconstruct heeft mogelijk geleid tot de reacties van exogeen toegevoegde geherprogrammeerde spiercellen en infiltrerende gastheercelpopulaties om functionele spierregeneratie te verbeteren door differentiatie, paracriene effecten en constructieve weefselremodellering te orkestreren."

Prof. CHO Seung-Woo from the IBS Center for Nanomedicine and Yonsei University College of Life Science and Biotechnology who led this study notes: "Further studies are required to elucidate the mechanisms of muscle regeneration by our hybrid constructs and to empower the clinical translation of cell-instructive delivery platforms."


Inhoud

Ecosystems can be regenerative. Following a disturbance, such as a fire or pest outbreak in a forest, pioneering species will occupy, compete for space, and establish themselves in the newly opened habitat. The new growth of seedlings and community assembly process is known as regeneration in ecology. [17] [18]

Pattern formation in the morphogenesis of an animal is regulated by genetic induction factors that put cells to work after damage has occurred. Neural cells, for example, express growth-associated proteins, such as GAP-43, tubulin, actin, an array of novel neuropeptides, and cytokines that induce a cellular physiological response to regenerate from the damage. [19] Many of the genes that are involved in the original development of tissues are reinitialized during the regenerative process. Cells in the primordia of zebrafish fins, for example, express four genes from the homeobox msx family during development and regeneration. [20]

"Strategies include the rearrangement of pre-existing tissue, the use of adult somatic stem cells and the dedifferentiation and/or transdifferentiation of cells, and more than one mode can operate in different tissues of the same animal. [1] All these strategies result in the re-establishment of appropriate tissue polarity, structure and form." [21] : 873 During the developmental process, genes are activated that serve to modify the properties of cell as they differentiate into different tissues. Development and regeneration involves the coordination and organization of populations cells into a blastema, which is "a mound of stem cells from which regeneration begins". [22] Dedifferentiation of cells means that they lose their tissue-specific characteristics as tissues remodel during the regeneration process. This should not be confused with the transdifferentiation of cells which is when they lose their tissue-specific characteristics during the regeneration process, and then re-differentiate to a different kind of cell. [21]

Arthropods Edit

Arthropods are known to regenerate appendages following loss or autotomy. [23] Regeneration among arthropods is restricted by molting such that hemimetabolous insects are capable of regeneration only until their final molt whereas most crustaceans can regenerate throughout their lifetimes. [24] Molting cycles are hormonally regulated in arthropods, [25] although premature molting can be induced by autotomy. [23] Mechanisms underlying appendage regeneration in hemimetabolous insects and crustaceans is highly conserved. [26] During limb regeneration species in both taxa form a blastema [27] following autotomy with regeneration of the excised limb occurring during proecdysis. [25] Limb regeneration is also present in insects that undergo metamorphosis, such as beetles, although the cost of said regeneration is a delayed pupal stage. [28] Arachnids, including scorpions, are known to regenerate their venom, although the content of the regenerated venom is different than the original venom during its regeneration, as the venom volume is replaced before the active proteins are all replenished. [29]

Annelids Edit

Many annelids (segmented worms) are capable of regeneration. [30] For example, Chaetopterus variopedatus en Branchiomma nigromaculata can regenerate both anterior and posterior body parts after latitudinal bisection. [31] The relationship between somatic and germline stem cell regeneration has been studied at the molecular level in the annelid Capitella teleta. [32] Leeches, however, appear incapable of segmental regeneration. [33] Furthermore, their close relatives, the branchiobdellids, are also incapable of segmental regeneration. [33] [30] However, certain individuals, like the lumbriculids, can regenerate from only a few segments. [33] Segmental regeneration in these animals is epimorphic and occurs through blastema formation. [33] Segmental regeneration has been gained and lost during annelid evolution, as seen in oligochaetes, where head regeneration has been lost three separate times. [33]

Along with epimorphosis, some polychaetes like Sabella pavonina experience morphallactic regeneration. [33] [34] Morphallaxis involves the de-differentiation, transformation, and re-differentation of cells to regenerate tissues. How prominent morphallactic regeneration is in oligochaetes is currently not well understood. Although relatively under-reported, it is possible that morphallaxis is a common mode of inter-segment regeneration in annelids. Following regeneration in L. variegatus, past posterior segments sometimes become anterior in the new body orientation, consistent with morphallaxis.

Following amputation, most annelids are capable of sealing their body via rapid muscular contraction. Constriction of body muscle can lead to infection prevention. In certain species, such as Limnodrilus, autolysis can be seen within hours after amputation in the ectoderm and mesoderm. Amputation is also thought to cause a large migration of cells to the injury site, and these form a wound plug.

Echinoderms Edit

Tissue regeneration is widespread among echinoderms and has been well documented in starfish (Asteroidea), sea cucumbers (Holothuroidea), and sea urchins (Echinoidea). Appendage regeneration in echinoderms has been studied since at least the 19th century. [35] In addition to appendages, some species can regenerate internal organs and parts of their central nervous system. [36] In response to injury starfish can autotomize damaged appendages. Autotomy is the self-amputation of a body part, usually an appendage. Depending on severity, starfish will then go through a four-week process where the appendage will be regenerated. [37] Some species must retain mouth cells to regenerate an appendage, due to the need for energy. [38] The first organs to regenerate, in all species documented to date, are associated with the digestive tract. Thus, most knowledge about visceral regeneration in holothurians concerns this system. [39]

Planaria (Platyhelminthes) Edit

Regeneration research using Planarians began in the late 1800s and was popularized by T.H. Morgan at the beginning of the 20th century. [38] Alejandro Sanchez-Alvarado and Philip Newmark transformed planarians into a model genetic organism in the beginning of the 20th century to study the molecular mechanisms underlying regeneration in these animals. [40] Planarians exhibit an extraordinary ability to regenerate lost body parts. For example, a planarian split lengthwise or crosswise will regenerate into two separate individuals. In one experiment, T.H. Morgan found that a piece corresponding to 1/279th of a planarian [38] or a fragment with as few as 10,000 cells can successfully regenerate into a new worm within one to two weeks. [41] After amputation, stump cells form a blastema formed from neoblasts, pluripotent cells found throughout the planarian body. [42] New tissue grows from neoblasts with neoblasts comprising between 20 and 30% of all planarian cells. [41] Recent work has confirmed that neoblasts are totipotent since one single neoblast can regenerate an entire irradiated animal that has been rendered incapable of regeneration. [43] In order to prevent starvation a planarian will use their own cells for energy, this phenomenon is known as de-growth. [10]

Amphibians Edit

Limb regeneration in the axolotl and newt has been extensively studied and researched. Urodele amphibians, such as salamanders and newts, display the highest regenerative ability among tetrapods. [44] As such, they can fully regenerate their limbs, tail, jaws, and retina via epimorphic regeneration leading to functional replacement with new tissue. [45] Salamander limb regeneration occurs in two main steps. First, the local cells dedifferentiate at the wound site into progenitor to form a blastema. [46] Second, the blastemal cells will undergo cell proliferation, patterning, cell differentiation and tissue growth using similar genetic mechanisms that deployed during embryonic development. [47] Ultimately, blastemal cells will generate all the cells for the new structure. [44]

After amputation, the epidermis migrates to cover the stump in 1–2 hours, forming a structure called the wound epithelium (WE). [48] Epidermal cells continue to migrate over the WE, resulting in a thickened, specialized signaling center called the apical epithelial cap (AEC). [49] Over the next several days there are changes in the underlying stump tissues that result in the formation of a blastema (a mass of dedifferentiated proliferating cells). As the blastema forms, pattern formation genes – such as HoxA and HoxD – are activated as they were when the limb was formed in the embryo. [50] [51] The positional identity of the distal tip of the limb (i.e. the autopod, which is the hand or foot) is formed first in the blastema. Intermediate positional identities between the stump and the distal tip are then filled in through a process called intercalation. [50] Motor neurons, muscle, and blood vessels grow with the regenerated limb, and reestablish the connections that were present prior to amputation. The time that this entire process takes varies according to the age of the animal, ranging from about a month to around three months in the adult and then the limb becomes fully functional. Researchers at Australian Regenerative Medicine Institute at Monash University have published that when macrophages, which eat up material debris, [52] were removed, salamanders lost their ability to regenerate and formed scarred tissue instead. [53]

In spite of the historically few researchers studying limb regeneration, remarkable progress has been made recently in establishing the neotenous amphibian the axolotl (Ambystoma mexicanum) as a model genetic organism. This progress has been facilitated by advances in genomics, bioinformatics, and somatic cell transgenesis in other fields, that have created the opportunity to investigate the mechanisms of important biological properties, such as limb regeneration, in the axolotl. [47] The Ambystoma Genetic Stock Center (AGSC) is a self-sustaining, breeding colony of the axolotl supported by the National Science Foundation as a Living Stock Collection. Located at the University of Kentucky, the AGSC is dedicated to supplying genetically well-characterized axolotl embryos, larvae, and adults to laboratories throughout the United States and abroad. An NIH-funded NCRR grant has led to the establishment of the Ambystoma EST database, the Salamander Genome Project (SGP) that has led to the creation of the first amphibian gene map and several annotated molecular data bases, and the creation of the research community web portal. [54]

Anurans can only regenerate their limbs during embryonic development. [55] Once the limb skeleton has developed regeneration does not occur (Xenopus can grow a cartilaginous spike after amputation). [55] Reactive oxygen species (ROS) appear to be required for a regeneration response in the anuran larvae. [56] ROS production is essential to activate the Wnt signaling pathway, which has been associated with regeneration in other systems. [56] Limb regeneration in salamanders occurs in two major steps. First, adult cells de-differentiate into progenitor cells which will replace the tissues they are derived from. [57] [58] Second, these progenitor cells then proliferate and differentiate until they have completely replaced the missing structure. [59]

Hydra Edit

Hydra is a genus of freshwater polyp in the phylum Cnidaria with highly proliferative stem cells that gives them the ability to regenerate their entire body. [60] Any fragment larger than a few hundred epithelial cells that is isolated from the body has the ability to regenerate into a smaller version of itself. [60] The high proportion of stem cells in the hydra supports its efficient regenerative ability. [61]

Regeneration among hydra occurs as foot regeneration arising from the basal part of the body, and head regeneration, arising from the apical region. [60] Regeneration tissues that are cut from the gastric region contain polarity, which allows them to distinguish between regenerating a head in the apical end and a foot in the basal end so that both regions are present in the newly regenerated organism. [60] Head regeneration requires complex reconstruction of the area, while foot regeneration is much simpler, similar to tissue repair. [62] In both foot and head regeneration, however, there are two distinct molecular cascades that occur once the tissue is wounded: early injury response and a subsequent, signal-driven pathway of the regenerating tissue that leads to cellular differentiation. [61] This early-injury response includes epithelial cell stretching for wound closure, the migration of interstitial progenitors towards the wound, cell death, phagocytosis of cell debris, and reconstruction of the extracellular matrix. [61]

Regeneration in hydra has been defined as morphallaxis, the process where regeneration results from remodeling of existing material without cellular proliferation. [63] [64] If a hydra is cut into two pieces, the remaining severed sections form two fully functional and independent hydra, approximately the same size as the two smaller severed sections. [60] This occurs through the exchange and rearrangement of soft tissues without the formation of new material. [61]

Aves (birds) Edit

Owing to a limited literature on the subject, birds are believed to have very limited regenerative abilities as adults. Some studies [65] on roosters have suggested that birds can adequately regenerate some parts of the limbs and depending on the conditions in which regeneration takes place, such as age of the animal, the inter-relationship of the injured tissue with other muscles, and the type of operation, can involve complete regeneration of some musculoskeletal structure. Werber and Goldschmidt (1909) found that the goose and duck were capable of regenerating their beaks after partial amputation [65] and Sidorova (1962) observed liver regeneration via hypertrophy in roosters. [66] Birds are also capable of regenerating the hair cells in their cochlea following noise damage or ototoxic drug damage. [67] Despite this evidence, contemporary studies suggest reparative regeneration in avian species is limited to periods during embryonic development. An array of molecular biology techniques have been successful in manipulating cellular pathways known to contribute to spontaneous regeneration in chick embryos. [68] For instance, removing a portion of the elbow joint in a chick embryo via window excision or slice excision and comparing joint tissue specific markers and cartilage markers showed that window excision allowed 10 out of 20 limbs to regenerate and expressed joint genes similarly to a developing embryo. In contrast, slice excision did not allow the joint to regenerate due to the fusion of the skeletal elements seen by an expression of cartilage markers. [69]

Similar to the physiological regeneration of hair in mammals, birds can regenerate their feathers in order to repair damaged feathers or to attract mates with their plumage. Typically, seasonal changes that are associated with breeding seasons will prompt a hormonal signal for birds to begin regenerating feathers. This has been experimentally induced using thyroid hormones in the Rhode Island Red Fowls. [70]

Mammals Edit

Mammals are capable of cellular and physiological regeneration, but have generally poor reparative regenerative ability across the group. [1] [24] Examples of physiological regeneration in mammals include epithelial renewal (e.g., skin and intestinal tract), red blood cell replacement, antler regeneration and hair cycling. [71] [72] Male deer lose their antlers annually during the months of January to April then through regeneration are able to regrow them as an example of physiological regeneration. A deer antler is the only appendage of a mammal that can be regrown every year. [73] While reparative regeneration is a rare phenomenon in mammals, it does occur. A well-documented example is regeneration of the digit tip distal to the nail bed. [74] Reparative regeneration has also been observed in rabbits, pikas and African spiny mice. In 2012, researchers discovered that two species of African Spiny Mice, Acomys kempi en Acomys percivali, were capable of completely regenerating the autotomically released or otherwise damaged tissue. These species can regrow hair follicles, skin, sweat glands, fur and cartilage. [75] In addition to these two species, subsequent studies demonstrated that Acomys cahirinus could regenerate skin and excised tissue in the ear pinna. [76] [77]

Despite these examples, it is generally accepted that adult mammals have limited regenerative capacity compared to most vertebrate embryos/larvae, adult salamanders and fish. [78] But the regeneration therapy approach of Robert O. Becker, using electrical stimulation, has shown promising results for rats [79] and mammals in general. [80]

Some researchers have also claimed that the MRL mouse strain exhibits enhanced regenerative abilities. Work comparing the differential gene expression of scarless healing MRL mice and a poorly-healing C57BL/6 mouse strain, identified 36 genes differentiating the healing process between MRL mice and other mice. [81] [82] Study of the regenerative process in these animals is aimed at discovering how to duplicate them in humans, such as deactivation of the p21 gene. [83] [84] However, recent work has shown that MRL mice actually close small ear holes with scar tissue, rather than regeneration as originally claimed. [76]

MRL mice are not protected against myocardial infarction heart regeneration in adult mammals (neocardiogenesis) is limited, because heart muscle cells are nearly all terminally differentiated. MRL mice show the same amount of cardiac injury and scar formation as normal mice after a heart attack. [85] However, recent studies provide evidence that this may not always be the case, and that MRL mice can regenerate after heart damage. [86]

Mensen Bewerken

The regrowth of lost tissues or organs in the human body is being researched. Some tissues such as skin regrow quite readily others have been thought to have little or no capacity for regeneration, but ongoing research suggests that there is some hope for a variety of tissues and organs. [1] [87] Human organs that have been regenerated include the bladder, vagina and the penis. [88]

As are all metazoans, humans are capable of physiological regeneration (i.e. the replacement of cells during homeostatic maintenance that does not necessitate injury). For example, the regeneration of red blood cells via erythropoiesis occurs through the maturation of erythrocytes from hematopoietic stem cells in the bone marrow, their subsequent circulation for around 90 days in the blood stream, and their eventual cell-death in the spleen. [89] Another example of physiological regeneration is the sloughing and rebuilding of a functional endometrium during each menstrual cycle in females in response to varying levels of circulating estrogen and progesterone. [90]

However, humans are limited in their capacity for reparative regeneration, which occurs in response to injury. One of the most studied regenerative responses in humans is the hypertrophy of the liver following liver injury. [91] [92] For example, the original mass of the liver is re-established in direct proportion to the amount of liver removed following partial hepatectomy, [93] which indicates that signals from the body regulate liver mass precisely, both positively and negatively, until the desired mass is reached. This response is considered cellular regeneration (a form of compensatory hypertrophy) where the function and mass of the liver is regenerated through the proliferation of existing mature hepatic cells (mainly hepatocytes), but the exact morphology of the liver is not regained. [92] This process is driven by growth factor and cytokine regulated pathways. [91] The normal sequence of inflammation and regeneration does not function accurately in cancer. Specifically, cytokine stimulation of cells leads to expression of genes that change cellular functions and suppress the immune response. [94]

Adult neurogenesis is also a form of cellular regeneration. For example, hippocampal neuron renewal occurs in normal adult humans at an annual turnover rate of 1.75% of neurons. [95] Cardiac myocyte renewal has been found to occur in normal adult humans, [96] and at a higher rate in adults following acute heart injury such as infarction. [97] Even in adult myocardium following infarction, proliferation is only found in around 1% of myocytes around the area of injury, which is not enough to restore function of cardiac muscle. However, this may be an important target for regenerative medicine as it implies that regeneration of cardiomyocytes, and consequently of myocardium, can be induced.

Another example of reparative regeneration in humans is fingertip regeneration, which occurs after phalange amputation distal to the nail bed (especially in children) [98] [99] and rib regeneration, which occurs following osteotomy for scoliosis treatment (though usually regeneration is only partial and may take up to 1 year). [100]

Yet another example of regeneration in humans is vas deferens regeneration, which occurs after a vasectomy and which results in vasectomy failure. [101]

Reptiles Edit

The ability and degree of regeneration in reptiles differs among the various species, but the most notable and well-studied occurrence is tail-regeneration in lizards. [102] [103] [104] In addition to lizards, regeneration has been observed in the tails and maxillary bone of crocodiles and adult neurogenesis has also been noted. [102] [105] [106] Tail regeneration has never been observed in snakes. [102] Lizards possess the highest regenerative capacity as a group. [102] [103] [104] [107] Following autotomous tail loss, epimorphic regeneration of a new tail proceeds through a blastema-mediated process that results in a functionally and morphologically similar structure. [102] [103]

Chondrichthyes Edit

Studies have shown that some chondrichthyans can regenerate rhodopsin by cellular regeneration, [108] micro RNA organ regeneration, [109] teeth physiological teeth regeneration, [65] and reparative skin regeneration. [110] Rhodopsin regeneration has been studied in skates and rays. [108] After complete photo-bleaching, rhodopsin can completely regenerate within 2 hours in the retina. [108] White bamboo sharks can regenerate at least two-thirds of their liver and this has been linked to three micro RNAs, xtr-miR-125b, fru-miR-204, and has-miR-142-3p_R-. [109] In one study two thirds of the liver was removed and within 24 hours more than half of the liver had undergone hypertrophy. [109] Leopard sharks routinely replace their teeth every 9–12 days [65] and this is an example of physiological regeneration. This can occur because shark teeth are not attached to a bone, but instead are developed within a bony cavity. [65] It has been estimated that the average shark loses about 30,000 to 40,000 teeth in a lifetime. [65] Some sharks can regenerate scales and even skin following damage. [110] Within two weeks of skin wounding the mucus is secreted into the wound and this initiates the healing process. [110] One study showed that the majority of the wounded area was regenerated within 4 months, but the regenerated area also showed a high degree of variability. [110]


Stem cells in skeletal muscle growth and regeneration in amniotes and teleosts: Emerging themes

Peter D. Currie, Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, 18 Innovation Walk, Clayton, VIC 3800, Australia.

Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

EMBL Australia, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

EMBL Australia, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

EMBL Australia, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia

Peter D. Currie, Australian Regenerative Medicine Institute, Monash University, 18 Innovation Walk, Clayton, VIC 3800, Australia.

Funding information: National Health and Medical Research Council, Grant/Award Numbers: APP1041885, APP1136567, APP1104190, APP1159278

Abstract

Skeletal muscle is a contractile, postmitotic tissue that retains the capacity to grow and regenerate throughout life in amniotes and teleost. Both muscle growth and regeneration are regulated by obligate tissue resident muscle stem cells. Given that considerable knowledge exists on the myogenic process, recent studies have focused on examining the molecular markers of muscle stem cells, and on the intrinsic and extrinsic signals regulating their function. From this, two themes emerge: firstly, muscle stem cells display remarkable heterogeneity not only with regards to their gene expression profile, but also with respect to their behavior and function and secondly, the stem cell niche is a critical regulator of muscle stem cell function during growth and regeneration. Here, we will address the current understanding of these emerging themes with emphasis on the distinct processes used by amniotes and teleost, and discuss the challenges and opportunities in the muscle growth and regeneration fields.

  • Adult Stem Cells, Tissue Renewal, and Regeneration > Tissue Stem Cells and Niches
  • Early Embryonic Development > Development to the Basic Body Plan
  • Vertebrate Organogenesis > Musculoskeletal and Vascular

Abstract

Muscle growth and regeneration is regulated by obligate tissue resident muscle stem cells. Here, we review the current understanding of the role of muscle stem cells in muscle growth, specifically discussing the distinct processes used by amniotes and teleosts, and in muscle regeneration, addressing the importance of muscle stem cell heterogeneity, and the niche.


Bekijk de video: Basisstof 4 spieren (December 2021).