Регенерация и дисрегенерация

    С глубокой древности людям были знакомы явления регенерации. Термин «регенерация» был предложен ещё в 1712 году французским учёным Р. Реомюром, изучавшим регенерацию конечностей речного рака. Регенерация (от лат. regeneratio – возрождение, возобновление) – это способность живых организмов со временем восстанавливать повреждённые ткани, а иногда и целые потерянные органы. Короткова Г.П. (1997) даёт такое определение данного явления: "... регенерация – это восстановительный морфогенез, имеющий всегда многоуровневый характер и варьирующий по своим механизмам в зависимости от специфики, степени и локализации повреждения, а также от стадии индивидуального развития и сложности организации особи...". Доподлинно известно, что обновление структур организма может осуществляться как в процессе жизнедеятельности (физиологическая регенерация), так и в результате их утраты при патологических процессах (репаративная регенерация) [16, 119-121, 212, 213]. При этом регенераторный процесс может наблюдаться как в естественных условиях, так и в эксперименте.

    В большей степени регенерация присуща растениям и беспозвоночным животным, в меньшей – позвоночным. Известно, что у многих беспозвоночных возможна регенерация целого организма из кусочка тела. У большинства видов губок, гидроидных полипов, многих видов плоских, ленточных и кольчатых червей, мшанок, иглокожих и оболочников из небольшого фрагмента тела может регенерировать целый организм. Так, например, губку можно измельчить на отдельные кусочки, даже клетки, пропустив через сито, затем поместить их в воду и тщательно перемешать, разрушив их межклеточные связи. Спустя некоторое время клетки воссоединяются друг с другом путём «узнавания», и губка при этом практически полностью восстанавливается [104, 105].

    Моллюски, членистоногие и позвоночные животные не способны регенерировать в целую особь из отдельного фрагмента, однако у многих из них происходит восстановление утраченного органа. Так, при изучении тритонов и аксолотля, установлено, что при регенерации у этих животных происходит «вспоминание» своего эмбрионального прошлого (рекапитуляция эмбриогенеза). Тритоны и аксолотль заново включают генетические программы, активизирующие так называемые Нох-гены, которые дают команду организму развиваться по определённому плану, при этом у животного отрастает утраченная часть тела – нога или хвост [57, 413, 439].

    Птицы и млекопитающие как эволюционно наиболее развитые животные менее других способны к регенерации органов. Однако и у них наблюдается регенерация тканей: у птиц возможно замещение перьев и некоторых частей клюва, а млекопитающие могут восстанавливать покров, когти и частично печень, и они способны к заживлению ран. У высокоорганизованных млекопитающих и у человека не регенерируют целые наружные органы, а внутренние органы, такие как мышцы, кости, кожа и другие ткани способны к регенерации, которую исследователи изучают на органном, тканевом, клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях [60, 99, 154, 210, 212, 213, 328, 338, 346, 362, 384, 389].

    У высокоорганизованных животных регенерация может происходить путём роста тканей на раневой поверхности, перестройки оставшейся части органа в новый или путём роста остатка органа без изменения его формы [119, 120, 182-184, 216, 322].

    Различают физиологическую и репаративную регенерацию. К физиологической регенерации относят непрерывное обновление структур на клеточном (смена клеток крови, эпидермиса и др.) и внутриклеточном уровнях (обновление клеточных органелл на молекулярном и ультраструктурном уровне), которым обеспечивается непрерывное функционирование тканей, органов и систем органов [44, 211, 212, 229, 230]. Физиологическая регенерация способствует структурному приспособлению организма к повседневным влияниям окружающей среды [44, 119, 120, 336, 470]. При повреждениях тканей в результате воспалительных процессов, травм и других патологических состояниях, которые сопровождаются массовой гибелью клеток, восстановление тканей происходит за счёт репаративной регенерации [211, 212, 214, 228, 461]. Репаративная регенерация – это процесс ликвидации структурных повреждений на всех уровнях организации после действия патогенных факторов.

    Оба вида регенерации не являются обособленными процессами: они параллельно протекают в организме, тесно взаимосвязаны. Так, репаративная регенерация формируется на базе физиологической, то есть на основе тех же, лежащих в основе последней, механизмов, и отличается 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. При этом в ходе репаративной регенерации включаются дополнительные механизмы, способствующие ускорению клеточного обновления [208-210].

    Восстановление исходной части органа после его повреждения осуществляется различными путями. Если в процессе репаративной регенерации утраченная часть замещается равноценной специализированной тканью, говорят о полной регенерации (реституции – restitutio ad integrum). Если на месте дефекта разрастается неспециализированная соединительная ткань, то есть заживление идет посредством рубцевания – о неполной регенерации (субституции – substitutio). В последнем случае иногда функция органа 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) [154, 155, 184, 212, 461].

    При всём полиморфизме репаративной регенераторной реакции высших животных и человека механизм репаративной регенерации эволюционно основан на механизме физиологической регенерации [99]. В одних и тех же органах как физиологическая, так и репаративная регенерация проявляется на всех уровнях: тканевая, клеточная (митоз, амитоз) и внутриклеточная. В тканях, где размножение клеток отсутствует (нервная ткань, миокард), структурной основой нормализации их функции служит исключительно внутриклеточная регенерация. Следовательно, последняя является универсальной формой регенерации, свойственной всем органам без исключения. Именно это звено регенераторной реакции представляет собой тот универсальный механизм, различные комбинации которого составляют структурную основу компенсаторных процессов, по-разному называемых, но имеющих одну сущность и направление – обеспечение постоянства внутренней среды организма и динамического равновесия с внешней средой.

    Считается, что репаративная регенерация развивается после наступления патологических процессов, таких как дистрофические, некротические и воспалительные изменения [310]. Однако такое бывает не всегда. Чаще, после воздействия патогенного фактора, запускаются механизмы восстановления, направленные на компенсацию убыли структур в связи с их внезапным ускоренным расходованием или гибелью, что представляет по существу репаративную регенерацию.

    Как физиологическая, так и репаративная регенерация в основе содержит две фазы восстановительного процесса: фазу пролиферации – размножения камбиальных клеток и фазу созревания, когда пролиферирующие камбиальные клетки дифференцируются в зрелые элементы. В отношении источников регенерации в настоящее время существует две точки зрения. Согласно одной из них, теории резервных клеток, происходит пролиферация камбиальных, незрелых клеточных элементов (стволовых клеток и клеток-предшественников), которые интенсивно размножаясь и дифференцируясь восполняют убыль высокодифференцированных клеток органа, обеспечивающих его специфическую функцию [49, 50, 51, 147]. Другая теория предполагает, что источником регенерации могут быть также высокодифференцированные клетки, которые в условиях патологического процесса могут перестраиваться, утрачивать часть своих специфических органелл и одновременно приобретать способность к пролиферации и дифференцировке [6, 220].

    По сути регенерация отражает собой главный процесс, лежащий в основе всего разнообразия структурно-функциональных изменений клеток, их непрерывный распад и синтез. В общем процессе восстановления организма – морфогенезе, ярко проявляется единство воспаления, регенерации и фиброза, которые по существу являются неразрывными компонентами целостной тканевой реакцией на повреждение. Весь процесс представляет динамическую саморегулирующую систему [212, 257, 258]. Срыв гомеостатических механизмов ауторегуляции (межклеточные и межтканевые взаимодействия, гуморальный, иммунный, нейротрофический) ведет к нарушению и извращению стереотипной динамики процесса, разобщению воспаления и регенерации, неадекватному фиброзу. Процесс теряет адаптивный характер и переходит в «дисрегенерацию». Это понятие близко понятию патологической регенерации (гипо- или гиперрегенерация), но не идентично ему. Понятие «дисрегенерация» шире патологической регенерации, главное в нём – появление нового качества в виде тканевой атипии. Дисрегенерацию следует рассматривать как результат срыва адаптивной воспалительно-репаративной реакции. Поэтому дисрегенерация, возможно, причастна к формированию как тканевой дисплазии, так и метаплазии.

    Проявления дисрегенерации Шехтер А.Б. и Серов В.В. (1991) условно разделили на несколько групп: 1) выраженное торможение репаративной регенерации с возможными рецидивами (длительно незаживающие кожные раны, трофические язвы, хроническая язва желудка и других слизистых оболочек, замедленное заживление очагов инфаркта и других очагов некроза органов и тканей и т.д.); 2) склеротические процессы в органах, если они имеют неадекватный и прогрессирующий характер и ведут к нарушению функции органа (цирроз печени, нефросклероз, кардиосклероз и т.д.); 3) хронические воспалительные процессы; 4) псевдоопухолевые процессы (фиброматозы, келоидные рубцы, контрактура Дюпюитрена, десмоид и т.д.).

    При дисрегенерации в связи с нарушением ауторегуляторных механизмов заживления извращаются взаимосвязи между повреждением, воспалением, регенерацией и фиброзом: перцистирующее повреждение (некроз) ведет к хроническому воспалению, оно в свою очередь – к незавершенной регенерации, которая в дальнейшем приводит к прогрессирующему склерозу, неполноценным грануляционной и фиброзной тканям, склонным к вторичной деструкции. По мнению Шехтера А.Б. и Серова В.В. (1991) «порочный круг замыкается, формируется патологическая самоподдерживающаяся система, выходящая в известной мере из-под регулирующего влияния организма, ведущая себя агрессивно». Эта схема относится к хроническому воспалению, незажившим дефектам, поствоспалительному склерозу и, в меньшей мере, к склерозу органов, в которых дистрофические изменения паренхимы превалируют над воспалением и не формируется грануляционная ткань. В исходе такого «извращенного» репаративного процесса наблюдается дисплазия соединительной ткани, формирование предопухолевого процесса при хроническом иммунном воспалении. На этом этапе дисрегенерация относится к пограничным состояниям и нередко является одним из звеньев канцерогенеза [294, 315, 425].

    Исходя из вышесказанного, становится понятным, что воздействия на процессы репаративной регенерации должны заключаться в стимуляции полной и предотвращении неполной, патологической регенерации и дисрегенерации. А возможность влиять на внутриклеточные механизмы регенерации – это ключ к регулированию универсального механизма обеспечения постоянства внутренней среды организма и динамического равновесия с внешней средой. В то же время процесс регенерации до настоящего времени является сложной, ещё до конца неосвещённой проблемой, особенно в вопросе контроля за ходом восстановления тканей после повреждения, и требует глубокого детального изучения.

    1.1.1 Методы стимуляции регенерации в биологии и медицине

    В настоящее время в мировой практике известно несколько способов стимуляции регенераторной активности в биологических тканях.

    Наиболее активно в последние годы используются культуры стволовых аутологических или эмбриональных стволовых клеток [21, 42, 58, 97, 124, 126, 129, 169, 177, 196, 198-203, 226, 268, 270, 271, 282, 283, 301, 309, 345, 369, 380, 395, 397, 427, 442, 459]. При алло- и аутологической клеточной трансплантации используются два принципиально разных методологических подхода к реализации плюрипотентного потенциала стволовых клеток – in vivo или in vitro. В первом случае введение стволовых клеток в больной организм проводится без их предварительной дифференцировки, во втором – после размножения в культуре, направленной дифференцировки и очистки от недифференцированных элементов. Среди многочисленных методических приемов заместительной клеточной терапии достаточно четко выделяются три группы методов: замещение клеток костного мозга и крови, замещение клеток органов и мягких тканей, замещение жестких и твердых элементов тела (хрящ, кость, сухожилия, клапаны сердца и сосуды емкостного типа).

    Так, например, известны способы стимуляции регенераторной активности (ревитализации) кожи [98, 109, 173, 237, 344], в основе которых лежит введение культуры аутологичных фибробластов человека. При использовании данного метода аутологичные фибробласты, полученные из кожи доноров, вводятся в виде взвеси живых клеток пациенту сразу после их получения.

    Рассматриваемый способ наряду с положительными моментами имеет некоторые особенности, затрудняющие их применение в широкой медицинской практике. Первый недостаток данного способа заключается в том, что аутологичные фибробласты обладают невысоким пролиферативным потенциалом, особенно у культур, выделенных из кожи пожилых доноров. Соответственно фибробласты у человека и животных в старческом возрасте в меньшей степени способны выполнять специализированную функцию по синтезу коллагена и гликозаминогликанов, что и объясняет невысокий эффект омоложения кожи. Использование же «молодых» фибробластов, выделенных их кожи молодых доноров или фетальной клеточной популяции стволовых клеток, повышают риски их безудержной пролиферативной активности и развития онкопатологии. Второй недостаток связан с тем, что вводимые клетки фибробластического ряда могут подавлять по механизму конкуренции способность к делению собственных клеток. К тому же сам метод весьма дорог и требует дорогостоящего специального оборудования, наличия специального персонала, что резко ограничивает использование данной технологии в медицине [306, 452, 468].

    Известно использование биологически активных веществ различной химической природы, являющихся тканевыми гормонами. Это ещё один из способов повышения интенсивности регенерационно-пластических процессов в поражённых тканях за счёт мобилизации собственных стволовых ресурсов организма больного. При этом разрыв стромальных связей приводит к увеличению выхода в общий кровоток гемопоэтических стволовых клеток, которые в зоне повреждения тканей обеспечивают процессы регенерации за счёт присущей им пластичности. Известно применение факторов роста [387, 469], таких как «эпидермальный фактор роста» (ЭФР, EGF) [366], «сосудисто-эндотелиальный фактор роста» (СЭФР, VEGF), «фактор роста гепатоцитов» (ФРГ, HGF) [331, 398], «фактор роста фибробластов» (ФРФ, FGF) [106, 290, 376, 429, 430, 442, 451, 467], митогенные факторы, цитокины [86, 96, 193, 370] и др. При неоспоримых преимуществах (контроль дозы введения, химическая чистота вводимого препарата) имеются недостатки, проявляющиеся в нередко возникающих обратных ответах организма, снижающих эффективность применения таких веществ, а также вследствие развития возможных побочных эффектов, например активации онкогенов. Стоимость полученного продукта также ограничивает его широкое применение.

    Известно также применение с целью активации регенеративных процессов комплексных гетероморфных экстрактов тканей, например экстрактов из гипофиза, гипоталамуса, плаценты, мясо-костного фарша для индукции размножения клеток, например гепатоцитов, в культуре [66, 67, 151, 169, 170, 233]. Однако применение экстрактов из тканей животных или человека в лаборатории или в клинике проблематично из-за возможности передачи вирусных заболеваний, например таких, как губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (ГЭКРС, BSE), вирусов свиней или овец [179], и подтверждает, скорее, недостаток знаний о процессах, которые участвуют в построении сложных структур органов, а также о действительно важных факторах возможности их использования и о механизме действия. Кроме того, трудно определить качество экстрактов, так как оно, среди прочего, зависит от источника и условий культивирования.

    Таким образом, известные способы стимуляции регенерации в биологии и медицине высокозатратны, требуют создания специализированных лабораторий, обученного персонала. Поэтому остается актуальным поиск более доступных методик активации репаративной регенерации в повреждённых и нормальных тканях, а также разработка относительно дешёвых веществ с выраженной биологической активностью, стимулирующих эндогенную регенерацию на клеточном уровне в частности, за счёт междисциплинарных разработок, объединяющих в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Что необходимо для последующего широкого применения в практической деятельности с целью повышения ревитализации тканей и органов человека и животных.

    1.1.2 Применение биоматериалов для ускорения регенерации тканей. Плацента, её состав, свойства, возможность применения в качестве биоматериала

    Помимо применения синтетических и полусинтетических материалов для укрепления наружной фиброзной оболочки глаза [62, 63, 140, 234, 235] в современной медицинской практике применяются и различные биологические материалы.

    Имплантация биологических материалов (клеточной взвеси, ткани, части органа, целого органа и т.д.) может выступать в качестве одного из инструментов регенераторной хирургии – биологического метода стимуляции репаративной регенерации [18, 19, 47, 91, 92, 141, 143, 144, 156, 172, 251, 274, 327].

    При этом в медицине известно применение ксенопересадок [111, 112, 260, 399, 407, 449], использование аллогенных [74, 75, 141, 156, 164, 165, 187, 236, 274, 287, 412, 448, 450, 457] и аутологических биологических материалов [45, 174, 305, 436, 464].

    Межвидовые (ксенологические) пересадки в последнее время практически не применяются в виду высокой степени риска реакций межвидовой несовместимости, протекающей по типу острого иммунного воспаления и приводящей к лизису имплантата [305], а также риска инфицирования вирусами [179] животных (губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, вирус свиней и овец и т.д.). Аллогенные биологические материалы активно используются в современной медицинской практике, как правило, консервированные [75, 157, 304, 305]. Такие консервированные биологические материалы не содержат в себе клеточных элементов, а имеют в своей основе соединительнотканный остов и при пересадке или замещаются клетками реципиента с развитием новых соединительнотканных структур зоны пересадки или инкапсулируются с формированием плотной соединительнотканной оболочки, окружающей имплантат [90, 416]. При этом известно, что измельчение биологического имплантата увеличивает площадь его соприкосновения с тканями реципиента и усиливает реакции в зоне имплантации при сохранённой возможности уменьшения объёма биологического материала, имплантация такого вида биологического материала не заканчивается формированием грубого рубца, а приводит к замещению новообразованной тканью с развитием всех дифференцированных элементов [103, 141, 157, 245, 249]. Это, в свою очередь, сопровождается полноценной репаративной регенерацией соединительной ткани и может рассматриваться как инструмент “управляемой тканевой регенерации”, а также уменьшает травматичность методики имплантации [145].

    В качестве биологического материала для имплантации в медицинской практике используются различные ткани: твёрдая мозговая оболочка, склера, перикард, аорта, широкая фасция бедра, рёберный хрящ и др. [70, 71, 73, 75, 91, 92, 152, 156, 206, 238]. Особый интерес в качестве биологического материала в современной медицинской практике представляет плацентарная ткань и пуповина [1, 37, 130, 133-135, 267, 299, 351].

    Плацента – это орган, осуществляющий связь и обмен веществ между организмом матери и зародышем в период внутриутробного развития. За счёт плаценты осуществляется ряд важных функций, таких как питание, кровоснабжение, обмен веществ, защита от агрессивных факторов внешней среды и различных инфекций. Она отличается от других органов по многим параметрам, являясь своего рода уникальным. Так в плаценте отсутствуют лимфатические сосуды и нервные волокна, что делает её уникальной в отношении механизмов регуляции и интеграции выполняемых функций. Она постоянно находится в развитии, за короткий период времени её строение и функции значительно меняются с учётом потребности плода, проходя стадии дифференцировки, роста, зрелости и старения. Имеет высокие метаболичекие процессы, лежащие в основе её функциональной деятельности.

    Несмотря на известность человечеству целительной силы плаценты с древнейших времён, использование её в медицине началось с 1934 года, когда советский офтальмолог, профессор Одесского медицинского института Филатов В.П. стал применять замороженные компоненты человеческой плаценты для лечения ран, ожогов, операционных спаек внутренних органов. Владимир Петрович установил, что при замораживании в тканях плаценты резко повышается концентрация биологически активных веществ, а их в свою очередь можно выделять и использовать в медицине. Такая тканевая терапия усиливает защитные силы, активизирует саморегуляцию организма и позволяет успешно противостоять болезням.

    Биологический материал плацентарного происхождения как объект для стимуляции репаративной регенерации соединительной ткани в современной медицинской практике рассматривают по причине его доступности (достаточного количества материала, простоты забора и методики приготовления к применению), отсутствия токсичности, наличия большого количества разнообразных биологически активных веществ, а также и стимуляции им выделения эндогенных факторов в зоне введения (индуцирование эндогенных механизмов репаративной регенерации).

    Однако плаценту, несмотря на все её положительные эффекты, нельзя использовать в необработанном, нативном виде для косметических и лечебных целей из-за возможности микробного и вирусного загрязнения, риска заражения ВИЧ-инфекцией, вирусами гепатита человека. Кроме того, присутствующие в большом количестве в ней высокомолекулярные белки могут вызывать сенсибилизацию организма и возникновение аллергических реакций различной локализации и степени выраженности.

    Поэтому в настоящее время в медицинской практике, косметологии применяется взвесь плаценты, экстракт плаценты, гидролизат плаценты, а также различные препараты на её основе [28, 37, 130, 133, 168, 188, 267, 299, 351]. Кроме того, существуют работы по применению лиофилизата плаценты [130], плазмы, либо сыворотки кордовой крови [102, 400].

    Препараты на основе плаценты содержат более 100 компонентов, ответственных за обмен веществ и состояние иммунной системы: липиды, сахара (глюкоза, сахароза, арабиноза, манноза, фукоза, ксилоза и др.), аминокислоты (гистидин, триптофан, лейцин, лизин, метионин, валин, треонин, фенилаланин, изолейцин, глицин, аланин, аргинин), белки (коллаген, эластин), нуклеиновые кислоты, ферменты (щелочная и кислотная фосфатаза и др.), витамины (A, D, C, B1, B2, B3, B6, B12, PP, холин, инозит, липоевая кислота, карнитин, убихинон и др.), минералы (кальций, натрий, калий, фосфор, магний, цинк, железо, марганец, медь, селен и др.), иммуностимуляторы, факторы роста (IFN-иммунный интерферон, TGF-трансформирующий фактор роста, EGF-эпидермальный фактор роста, NGF-фактор роста нервов, AGF-фактор ангиогенеза, aFGF-фактор роста фибробластов и др.), гормоны [142, 267]. Многогранное действие плацентарной терапии во многом обусловлено присутсвием в составе плаценты факторов роста клеток, которые повышают их функциональную активность за счёт активации метаболизма.

    Биологические эффекты применения плацентарной терапии многогранны [194]. Прежде всего, это благоприятное влияние на процессы репарации. Многочисленные исследования, проведённые в данном направлении, показали, что под действием тканевой плацентарной терапии ускорялись регенеративные процессы в эпителии, соединительной ткани (кожи, внутренних органов, трубчатых костей), нервах. При этом формирование рубцовой зоны происходило более нежно, с признаками ремоделирования повреждённой ткани. Ранозаживляющий эффект объяснялся как местным, так и общим улучшением обмена веществ, микроциркуляции, активизированием местного и общего иммунитета под влиянием различных компонентов плаценты (биологически активных веществ, цитокинов, факторов роста и др.). Изучено повышение устойчивости организма при применении тканевой плацентарной терапии к патогенным факторам: инфекционному процессу [262], токсическому воздействию различных веществ [162] и ионизирующей радиации [255, 263], опухолевому процессу [146]. Под влиянием плацентарной терапии происходит перестройка всех систем организма, сопровождающаяся активизацией ферментных реакций, улучшением гормональных функций и иммунологического состояния, регуляции тонуса нерной системы и повышением реактивных свойств [194].

    Таким образом, применение биологических материалов в качестве метода стимуляции репаративной регенерации, приводящее к их замещению новообразованной тканью с развитием всех дифференцированных элементов, может рассматриваться как инструмент управляемой тканевой регенерации. А использование определённых форм биологического материала с измельчением его макроскопической организации усиливает эффекты регенеративных процессов в зонах его введения без выраженного формирования плотной соединительнотканной капсулы (рубца), что может быть полезным в коррекции патологических состояний дистрофического и дегенеративного характера. Применение же биологического материала плацентарного происхождения имеет преимущества над остальными известными, применяемыми в восстановительной медицине тканями по причине его доступности, низких антигенных свойств, отсутствия токсичности, наличия большого количества разнообразных биологически активных веществ, а также и индуцирование им при имплантации эндогенных механизмов репаративных процессов.