Биология развития

Закономерность утраты и восстановления регенерационной способности конечностей у позвоночных

Доктор биологических наук, профессор Л. В. Полежаев (Институт биологии развития АН СССР) установил неизвестную ранее закономерность утраты и восстановления регенерационной способности конечностей у позвоночных. Открытие сделано в результате многолетних экспериментальных исследований.

Прежде было известно, что у одних групп позвоночных, например у хвостатых амфибий (тритонов, аксолотлей, саламандр), конечности после ампутации регенерируют. У других групп позвоночных, например у всех млекопитающих, птиц, рептилий, конечности после ампутации не восстанавливаются. Была известна и третья, промежуточная группа животных - бесхвостые амфибии (лягушки, жабы, жерлянки), у которых конечности после ампутации восстанавливаются только до определенной стадии индивидуального развития (онтогенеза), а на более поздних стадиях утрачивают способность к регенерации. Причины утраты регенерационной способности конечностей в онтогенезе и эволюционном развитии (филогенезе) позвоночных животных не были известны.

Все живое вышло из воды, развивалось от простого к сложному. И чем больше оно совершенствовалось в развитии, тем более утрачивало способность к регенерации, которая как бы засыпала. А что, если эту способность "разбудить"?

"В результате многочисленных экспериментов, - рассказывает Л. В. Полежаев, - было установлено, что после ампутации конечностей у позвоночных животных, способных к регенерации, основные ткани остатка органа сильно разрушаются и дедифференцируются, т. е. утрачивают свою специфическую морфологическую структуру. Организация их упрощается, клетки выходят из тканевых связей и в основном без размножения мигрируют под эпителий поверхности раны, где накапливаются и образуют регенерационный зачаток, или бластему. Последняя растет благодаря размножению клеток, дифференцируется и превращается в развитую конечность.

У позвоночных, не способных к регенерации конечностей, основные ткани остатка органа практически не дедифференцируются и в целом сохраняют свою структуру. Если с помощью физических, химических или биологических методов резко усилить разрушение и дедифференцировку тканей в остатках органов после ампутации конечностей у этих животных, то конечности полностью или не полностью регенерируют.

В процессе разрушения тканей освобождаются определенные вещества, являющиеся, по-видимому, продуктами распада, главным образом белков, нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот, которые вызывают освобождение клеток из тканевых связей, их миграцию, накопление в области раны и активацию формообразовательных потенций. При этом ускоряются процессы биосинтеза в клетках бластемы".

Открытие знаменовало создание нового направления в учении о регенерации. Удалось разработать методы, при помощи которых можно вызывать регенерацию органов, нерегенерирующих при обычных условиях: костей свода черепа и тканей зубов у собак, конечностей у аксолотлей. Появилась возможность начать работу по стимуляции регенерации мышцы сердца и нервной ткани головного мозга у млекопитающих, полностью замещать дефекты человеческого черепа регенерирующей костью. Найдены препараты, которые вдвое ускоряют заживление очагов повреждения мышцы сердца.

На проходившем в Ленинграде в 1970 г. Всемирном конгрессе анатомов, гистологов и эмбриологов было отмечено, что работы по регенерации вошли в золотой фонд мировой науки. Советские ученые Л. В. Полежаев, А. Н. Студитский, М. А. Воронцова, Л. Д. Лиознер и другие разработали приемы, позволяющие восстанавливать утраченную способность к регенерации у ряда организмов.

Открытие Л. В. Полежаевым внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 144 с приоритетом от июля 1948 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность изменения регенерационной способности конечностей у позвоночных (на примере бесхвостых амфибий), заключающаяся в том, что способность к реперативной регенерации указанных органов закономерно утрачивается в онто- и филогенезе животных в зависимости от уменьшения способности к разрушению и дедифференцировке основных тканей, составляющих эти органы, и восстанавливается при усилении разрушения и дедифференцировки".

Свойства реимплантационной активности мышц

Доктор биологических наук, профессор А. Н. Студитский (Институт эволюционной морфологии и экологии животных имени А. Н. Северцова АН СССР) открыл неизвестное ранее свойство трансплантационной активности мышечной ткани.

Пересадка органов и тканей широко используется в хирургии для восстановления поврежденных или недоразвитых частей организма. Пересаживают кожу, хрящи, кости, сухожилия, нервные стволы и части сосудов. Однако до середины нашего века считалось невозможным пересаживать мышцы, которые составляют более 40% веса нашего тела. Это объяснялось высокой чувствительностью мышц к недостатку кислорода, наступающему в результате нарушения их связи с кровеносными сосудами после пересадки. Кроме того, бытовало мнение, что мышцы обладают слабыми воспроизводительными свойствами.

А. Н. Студитский экспериментально доказал возможность восстановления мышц после полного нарушения их структуры и функций. Было установлено, что степень ре-генерационной активности мышц зависит от интенсивности метаболизма подопытного животного и от глубины повреждения.

"Первые эксперименты были проведены на животных с очень высоким уровнем метаболизма - курах, голубях, крысах, - рассказывает А. Н. Студитский.- У подопытного животного полностью удаляли целую мышцу. Часть измельчали до состояния мышечной кашицы или фарша и пересаживали на место какой-нибудь другой мышцы, чаще всего одноименной мышцы противоположной конечности, вдоль нервно-сосудистого пучка, оставшегося на месте мышцы. После пересадки из фрагментов измельченной мышечной ткани образуются миобласты, из которых развивается мышечный орган с типичной мышечно-волокнистой структурой, обладающей способностью к сокращению. Исследования показали, что в трансплантатах повышается содержание кодирующих полимеров - РНК и ДНК, накапливаются рибосомы. Наблюдается выще-пление специфических клеток - предшественников миобластов, так называемых клеток-сателлитов.

Было выяснено, что любая форма нарушения рабочей активности (например, посредством предварительных денервации или травмирования) вызывает развитие трансплантационной активности в мышце. В дальнейшем была выявлена роль метаболического звена в механизме трансплантационной активности: при введении в пищевой рацион крыс метилтиоурацила, снижающего основной обмен, не происходит приживления и развития трансплантированных мышц, тогда как, напротив, введение в пищевой рацион морских свинок тироксина, повышающего основной обмен, обеспечивает возможность трансплантации мышц".

Автор открытия доказал, что в мышечной ткани скрываются возможности повторной строительной деятельности, ведущей к воспроизведению удаленного органа не в эмбриональном, а во взрослом состоянии.

Разработанные на основе открытия методы трансплантации измельченной мышечной ткани используются в практике пластической хирургии, в частности для лечения остеомиелита. Свойство измельченной мышечной ткани стимулировать восстановительные процессы в смежных тканях используется для противолучевой защиты тканей и лечения послелучевых травм у животных. На базе открытия разработан метод свободной пересадки мышечной ткани от одного органа к другому (аутопластика). Открытие может найти применение в мясной промышленности. Работы в этом направлении начинают проводиться в лаборатории профессора А. Н. Студитского.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 157 с приоритетом от 26 августа 1952 г. Формула его такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее свойство реимплантационной активности мышц, заключающееся в способности мышечной ткани развивать в результате сильного травматизирующего воздействия (например, измельчения) высокую строительную активность, обеспечивающую повторное развитие функционирующего мышечного органа на месте удаленной мышцы".

Явление возникновения собственных напряжений в костях человека и животных

Доктор технических наук В. И. Лощилов, член-корреспондент АН СССР Г. А. Николаев и кандидат технических наук Э. П. Бабаев (Московское высшее техническое училище имени Н. Э. Баумана) открыли явление возникновения, собственных напряжений в костях человека и животных.

"Открытие сделано в области биомеханики в результате многолетних исследований совместно с хирургами по разработке проблемы ультразвуковых методов разделения костей организма, - рассказывает В. И. Лощилов. - Мы впервые установили присутствие в костных тканях человека и животных сложных полей собственных напряжений, первого рода, уравновешиваемых в макрообъемах, зависящих от отдела скелета и возраста организма. Эксперименты показали, что трубчатые кости в наружных слоях имеют напряжение характера сжатия, а во внутренних - растяжения. Собственное напряжение в трубчатой кости непостоянно по длине. Отмечается рост внутренних напряжений по мере приближения к средней части кости.

Исследования полей собственных напряжений в черепных костных тканях показали: на наружной поверхности черепа имеют место собственные напряжения растяжения, на внутренней - напряжения сжатия. Установлено, что значительное влияние на уровень собственных напряжений оказывает возраст. С 21 до 71 года собственные напряжения в черепной ткани человека уменьшаются от 250 кг/см2 до 120 кг/см². Экспериментальные исследования собственных напряжений в костях нижней челюсти человека привели к выводу, что на их наружной поверхности присутствуют собственные напряжения сжатия. Величина их составляет 100-200 кг/см². Возможно прогнозирование формирования костных тканей с учетом полей собственных напряжений".

Открытие расширило наши представления о несущей способности скелета, подвергаемого воздействию не только внешних сил, но и собственной напряженности. Теперь во время хирургических операций и при лечении костных переломов можно учитывать деформирование костных тканей под влиянием собственной напряженности.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 181 с приоритетом от декабря 1970 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление наличия собственных, напряжений в костях человека и животных, заключающееся в том, что в костных тканях возникают собственные нормальные напряжения, величина которых зависит от отдела кости и элементов скелета и изменяется с возрастом костной ткани".

Закономерность гаметогенеза и подового цикла у рыб

Доктор биологических наук Б. Н. Казанский (Дальневосточный государственный университет) обнаружил закономерность в гаметогенезе, т. е. в образовании половых клеток у рыб. Оказалось, что на определенных стадиях при отсутствии внешних условий, благоприятствующих воспроизводству потомства, гаметогенез рыб может надолго задерживаться.

Открытие объясняет действие одного из существенных механизмов внутривидовой биологической дифференциации у проходных рыб, устанавливает принципи-йльную возможность управления их сезонным половым циклом, разрешает задачу смещения и согласования половых циклов у географически отдаленных рас и видов рыб с целью их гибридизации и акклиматизации.

На основе своего открытия Б. Н. Казанский изобрел способ разведения рыб осетровых и других пород. С внедрением этого изобретения станет возможным разносезонное получение потомства рыб от исходно однородных по времени нереста производителей. Это обеспечит непрерывность снабжения осетровых рыбоводных заводов посадочным материалом с весны и до конца лета, в значительной степени независимо от динамики хода и характера нерестовой популяции рыб в естественном состоянии.

Разпосезонного получения потомства рыб достигают, задерживая нерест на срок до двух месяцев путем содержания части производителей при температуре, которая на 2-4° ниже, чем нижняя нерестовая температура (3-5° для осетра). Затем производителей плавно переводят в оптимальные условия нереста.

Обычно сроки получения половых продуктов рыб - икры и молок, а следовательно, и личинок - определяются сезоном размножения рыб в том или ином водоеме. В связи с этим рыбоводные заводы и станции эффективно работают, как правило, лишь около трех месяцев в году, т. е. только весной. Предложенный Б. Н. Казанским способ позволяет увеличить продолжительность сезона разведения рыб и тем повысить рентабельность и продуктивность рыбоводных заводов. Так, в опытном цехе Ик-ряненского осетрового завода Астраханской области, применив способ Б. Н. Казанского, в 1967 г. на прежних площадях получили 3 млн. штук полноценной молоди осетра, что обеспечивает вылов дополнительно около 1450 ц рыбы в год.

С учетом изобретения Б. Н. Казанского проектируются и строятся рыболовные заводы на Дону и Кубани. Широкое использование изобретения должно дать большой хозяйственный эффект.

Открытие Б. Н. Казанского внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 20 с приоритетом от 11 июля 1949 г. Формула открытия такова:

"В процессе оогенеза и сперматогенеза у рыб обнаружена закономерность смены фаз регуляции и эколого-физиологической стадийности гаметогенеза, сущность которой заключается в установлении впервые наличия в половом цикле рыб двух эколого-физиологических состояний (стадий), позволяющих длительную (месяцами) задержку гаметогенеза на этих стадиях без нарушения способности рыб к размножению и осуществляющихся под контролем нейроэндокринных факторов и определенного, исторически сложившегося для данного вида комплекса внешних условий (свет, температура и другие сезонные факторы сигнального значения).

Описанные стадии проходят скачкообразно и чередуются с периодами относительно плавного развития полового цикла рыб".