Желание понять постичь процессы регенерации тканей вдохновило американских ученых на разработку революционно нового метода, который поможет восстановить кожу после повреждений.
Рассмотрев процессы регенерации у плодовых мушек – дрозофил – ученые из Калифорнийского университета (University of California) теперь могут предложить концепцию инновационных ранозаживляющих препаратов. «Результаты нашей работы могут быть использованы для создания уникальной повязки, содержащей соединения для ускоренного заживления ран. Возможно, этими соединениями станут конкретные фермены или пептиды», – поделились планами ученые.
Кожа человека и экзоскелет плодовой мушки, называемый кутикулой, возможно, и не похожи друг на друга, но оба выполняют одни и те же функции – защищают от травм, инфекций и обезвоживания. Верхние слои кожи млекопитающих и кутикула насекомых являют собой сетки из огромных молекул – макромолекул. У млекопитающих они состоят в основном из белка кератина, а у насекомых – из углеводного соединения хитина. Тем не менее, у нас с дрозофилами имеется одно общее свойство: клетки на поверхности обоих организмов реагируют на одни и те же сигналы. И это сходство позволило дрозофилам послужить моделью восстановления кожи на клеточном и молекулярном уровне – для создания средства для заживления ран.
Во время лечения, молекулярные сигналы связываются с рецепторами на клетках, выстилающих рану – они влияют на деление клеток, их рост и миграцию, что в итоге позволяет восстановить кожный барьер.
Для изучения процессов заживления ран, исследователи повредили поверхность зародышей мух, не допуская при этом бактериальной инфекции, которая бы осложнила эксперимент. Исследователи взяли зародыши, а не взрослых мух, потому что они статичны и позволяют воспроизвести больше генетических мутаций, чем взрослые дрозофилы. Ученые собрали яйца, которые содержали развивающиеся эмбрионы, и сняли с них «скорлупу». Затем они повредили зародыши микроиглами. Как прообраз лекарства ученые использовали энзим трипсин, член семейства ферментов сериновых протеаз, которые контролируют систему клеточной сигнализации. «Трипсин активирует гены, участвующие в заживлении ран по всему эмбриону, что усиливает ответ в пораженных клетках, необходимый для исцеления. Мы воспользовались трипсином в качестве мощного инструмента, чтобы точно определить последовательность экспрессии генов в ответ на ранение», – объяснили исследователи. При помощи микрочипов они рассмотрели, что за гены «включаются» и «выключаются» на 30, 60 и 120 минуте после прокола. Оказалось, иммунный ответ начинается моментально после повреждения, передавая сигналы которые готовили зародышей к вторжению бактерий и грибков. В целом при ранении «включалось» 84 гена и «выключалось» 78 генов.
Все три периода времени зародыши синтезировали одни те же типы антимикробных пептидов (коротких белков), что и взрослые дрозофилы, которые используют их для борьбы с инфекцией. На 120 минуте гены запустили синтез белков, которые помогли восстановить кутикулу с новым хитином. Человеческая версия этого процесса осуществляется в течение нескольких дней, так как порезы больше. В конце регенерации эмбрион активировал гены, которые отвечали за цвет кутикулы.
В то же время на месте раны «выключились» гены, участвующие в репликации ДНК, поддержании структуры хромосом, задействованные в росте и делении клеток. В целом, отслеживание экспрессии 162 генов показало, что зародыш временно останавливает развитие, чтобы восстановить рану и держать инфекцию под контролем. Совершенно очевидно, что организм сосредотачивает свою деятельность на решении насущных проблем – заживлении раны.
Как и многие биологические процессы, заживление ран – точно настроенный механизм. «Баланс активации одного гена и торможения другого необходим для эффективного заживления. В противном случае, такое повреждение, как язва, хронические раны или утолщение кутикулы у дрозофилы будут упорно сохраняться – комментируют авторы исследования.
Эксперименты также показали, что 8 генов не принимают видимое участие в заживлении ран. Эти гены экспрессируются на очень низком уровне или не в большинстве клеток, но вступают в действие, когда травма нарушает целостность кутикулы. Они активируются в клетках рядом с повреждением. Исследователи теперь планируют найти аналогичные гены в организме человека.
Также дальнейшее изучение роли сериновых протеаз в заживлении ран сделать прорыв в лечении хронических заболеваний кожи, включая псориаз и экзему, где уровни этих ферментов далеки от нормы.
Около 177 миллионов человек в год страдают от ран, охватывающих кожу и подлежащие ткани. Они возникают вследствие разных причин – хирургических операций, мехнаических травм, термических и химических ожогов. Это может быть и рваная рана, а может быть хроническим заболеванием. Проблемы с заживлением ран возникают у многих, особенно страдают от этого пациенты с диабетом или лица с заболеваниями иммунной системы.