Wetenschappers laten poot van een volwassen kikker opnieuw aangroeien

Miljoenen patiënten die een lidmaat hebben verloren door ziekte of een ongeval, kunnen alleen maar dromen van regeneratie, wat enkel mogelijk is bij bepaalde diersoorten zoals salamanders, hagedissen en zeesterren. Maar een onderzoek van de Tufts University en de Harvard University betekent nu mogelijk een eerste stap om daar verandering in te brengen.

Bij volwassen kikkers, die van nature niet in staat zijn om ledematen te regenereren, slaagden de onderzoekers erin om een verloren poot weer aan te doen groeien. 

Dit gebeurde met behulp van een cocktail van vijf medicijnen die op de stomp werden aangebracht in een siliconen bioreactor. Die zogenoemde BioDome is een draagbare dop uit een zijde-achtige hydrogel.

De korte behandeling - zo’n 24 uur - zette een regeneratieperiode van anderhalf jaar in gang die een nieuwe, functionerende poot deed aangroeien.

Veel levende wezens hebben het vermogen om minstens sommige ledematen volledig te regenereren. Platwormen kunnen zelfs in stukken worden gesneden en elk stuk reconstrueert dan een heel nieuw organisme. 

De mens is in staat wonden te helen met nieuwe weefselgroei, en onze lever heeft een opmerkelijk, bijna platwormachtig vermogen om na een verlies van 50 procent te herstellen tot volledige grootte.

Maar het verlies van hele en structureel complexe armen of benen kan niet worden hersteld door een natuurlijk proces van regeneratie bij mensen of zoogdieren. Dergelijke grote verwondingen worden bedekt met een vormeloze massa littekenweefsel, dat weliswaar beschermt tegen verder bloedverlies en infectie, maar dat ook verdere groei verhindert.

Tijdens de zeer vroege ontwikkeling schikken cellen die uiteindelijk ledematen en organen zullen worden, zich in precieze anatomische structuren met behulp van een reeks chemische, biomechanische en elektrische signalen. 

Bij hun onderzoek naar manieren om ledematen te regenereren, dachten de onderzoekers dat het veel makkelijker zou zijn de cellen te 'vragen' om te herhalen wat ze al gedaan hadden gedurende de vroege ontwikkeling dan een geheel nieuwe manier te bedenken. 

En dus zochten ze naar manieren om het 'bouw hier wat er normaal was'-signaal voor de cellen op gang te brengen op de plaats van een wonde.   

Een van de grootste uitdagingen daarbij was echter te bedenken hoe ze een omgeving konden creëren die het lichaam ertoe aanzet om te regenereren in plaats van littekens te vormen. Want zoals gezegd helpen littekens wel het beschadigde weefsel te beschermen tegen verdere schade maar veranderen ze de cellulaire omgeving op een manier die regeneratie verhindert. 

Sommige aquatische dieren, zoals de axolotl, zijn meesters in regeneratie zonder littekenvorming. De eerste groeifase na het verlies van een lidmaat is daarbij de vorming van een massa stamcellen op de stomp. Die worden gebruikt om het verloren lichaamsdeel geleidelijk te reconstrueren. De wond wordt binnen de eerste 24 uur na het letsel snel bedekt door huidcellen, waardoor het reconstruerende weefsel eronder wordt beschermd.

Zelfs in de vroege ontwikkeling van de mens zorgt de vruchtzak voor een omgeving die regeneratieve mechanismen kan vergemakkelijken. De onderzoekers namen aan dat als ze een soortgelijke omgeving zouden kunnen ontwikkelen, dat die dan de littekenvorming aan de wonde zou kunnen onderdrukken en het lichaam zou toelaten slapende regeneratieve signalen te reactiveren.  

Daarvoor ontwikkelden ze BioDome, een draagbaar kapje uit een zijde-achtige hydrogel. Dat creëert een geïsoleerde ruimte voor regeneratie door andere signalen te blokkeren die het lichaam ertoe zouden aanzetten littekens te ontwikkelen of andere processen te ondergaan. 

"Bij zoogdieren worden verwondingen meestal blootgesteld aan lucht of maken ze contact met de grond, en het kan dagen tot weken duren om littekenweefsel te sluiten", zei Tufts-professor biomedische ingenieurskunde David Kaplan, een van de auteurs van de studie over het onderzoek. "Het gebruik van de BioDome-dop in de eerste 24 uur helpt bij het nabootsen van een vruchtwaterachtige omgeving die, samen met de juiste medicijnen, het wederopbouwproces mogelijk maakt zonder dat het gehinderd wordt door littekenweefsel."

De onderzoekers brachten het regeneratieve proces bij klauwkikkers (Xenopus laevis) op gang door de wond gedurende korte tijd, 24 uur, in een BioDome te plaatsen met daarin een eiwitgel met een mix van 5 middelen die betrokken zijn bij de normale dierlijke ontwikkeling en de groei van weefsel. 

Elk medicijn had een ander doel, zoals de onderdrukking van ontstekingen, de remming van de vorming van littekenweefsel en de stimulatie van de groei van zenuwweefsel, bloedvaten en spieren. Daardoor kantelde het evenwicht van de natuurlijke neiging tot het afdekken van de wond in de richting van een regeneratief proces.

De onderzoekers stelden in de loop van de volgende 18 maanden een indrukwekkende groei van weefsel vast in veel van de behandelde kikkers, waardoor een bijna volledig functionele poot ontstond. De nieuwe ledematen hadden een botstructuur die leek op die van een natuurlijk lidmaat en een rijkere aanvulling van interne weefsels, inclusief neuronen. Verschillende tenen groeiden vanaf het uiteinde van het lidmaat, maar zonder onderliggend bot.

De kikkers konden het nieuwe lidmaat bewegen en het reageerde op stimuli zoals een aanraking, wat betekent dat ook het gevoel in de poot hersteld was. Ze konden de poot ook gebruiken om te zwemmen, bijna zoals een normale kikker zou doen.

Kikkers die gedurende 24 uur het BioDome-dopje kregen zonder de cocktail aan medicijnen, hadden een beperkte aangroei van het lidmaat en dat was niet erg functioneel. Kikkers die geen behandeling kregen, konden hun ledematen niet opnieuw laten aangroeien en hadden stompjes die gevoelloos waren en niet werkten. 

"Het is opwindend om te zien dat de medicijnen die we geselecteerd hebben, hielpen om een ​​bijna volledig lidmaat te creëren", zei Nirosha Murugan. "Dat er maar een korte blootstelling aan de medicijnen nodig was om een ​​regeneratieproces van maanden op gang te brengen, toont aan dat kikkers en misschien ook andere diersoorten slapende regeneratieve vermogens hebben die geactiveerd kunnen worden."

Murugan is de eerste auteur van de studie. Ze was tijdens de studie onderzoeker aan de Tufts Universiteit en is nu hoogleraar biologie aan de Algoma University. 

De ledematen die de kikkers regenereerden, waren niet perfect gevormd, zo waren beenderen soms niet volledig maar in stukken. Daaruit kunnen de onderzoekers afleiden dat er mogelijk nog erg belangrijke moleculaire signalen voor de regeneratie ontbreken. 

Ze  hopen nu dat ze in eerste instantie de cocktail verder kunnen verfijnen om tot volledig functionerende ledematen te komen, met normale vingers en tenen en een volledig skelet.

"Vervolgens willen we testen hoe de behandeling kan toegepast worden op zoogdieren", zegt professor biologie aan Tufts Michael Levin, medeauteur van de studie. "Het afdekken van de open wonde met de juiste medicijnencocktail onder de BioDome, zou de nodige eerste signalen kunnen geven om het regeneratieve proces in gang te zetten. De strategie is gericht op het activeren van slapende, anatomische groeipatronen, eerder dan op het micromanagen van complexe groei. Volwassen dieren beschikken nog steeds over de informatie die nodig is om hun lichaamsstructuren te maken."

De behandeling zou overigens niet alleen gebruikt kunnen worden om ledematen opnieuw te laten aangroeien, maar mogelijk ook om hartweefsel te regenereren na een hartaanval of hersenweefsel na een beroerte. 

Dat is echter toekomstmuziek want de onderzoekers zijn er zich van bewust dat de techniek nog lang niet klaar is om gebruikt te worden bij mensen. Voorlopig weten ze ook alleen nog maar dat ze werkt als ze onmiddellijk na de verwonding wordt toegepast. Maar het onderzoek is in elk geval een aanzet tot nieuwe benaderingen in de regeneratieve geneeskunde en het wordt voortgezet. 

De studie van de onderzoekers is gepubliceerd in Science Advances. Dit artikel is gebaseerd op een telex van het persbureau IPS, een persbericht van de Tufts University en een tekst van onderzoekers Michael Levin, David Kaplan en Nirosha Murugan in The Conversation.