Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications”.

Badacze skupili się na komórkach macierzystych znajdujących się w tzw. fałdzie proksymalnym paznokcia – tkance położonej u jego nasady, która chroni miejsce wzrostu płytki paznokciowej.

Jak wykazali, kluczową rolę odgrywa szlak sygnałowy BMP (Bone Morphogenetic Protein), czyli jeden z podstawowych systemów komunikacji między komórkami odpowiedzialnych za rozwój i regenerację tkanek.

– Sygnalizacja BMP pełni kluczową rolę już na etapie rozwoju zarodkowego. Zaburzenie tego szlaku prowadzi do poważnych wad rozwojowych. Aby zbadać jego znaczenie w regeneracji dorosłych tkanek, stworzyliśmy model genetyczny myszy, który pozwalał precyzyjnie wyłączyć odpowiedź wybranych komórek na sygnały BMP – wyjaśniła w rozmowie z Nauką w Polsce dr Anna Maria Puławska-Czub z Laboratorium Komórek Macierzystych, Rozwoju i Regeneracji Tkanek Centrum Nowych Technologii UW.

Po zahamowaniu działania BMP naukowcy zaobserwowali poważne zaburzenia rozwoju jednostki paznokcia. Zamiast twardej płytki powstawała struktura przypominająca miękki naskórek, dochodziło do przerostu łożyska paznokcia, zanikała charakterystyczna strefa rogowacenia, a komórki macierzyste przestawały się intensywnie dzielić.

Badania wykazały również, że BMP uruchamia drugi ważny system sygnalizacji – szlak WNT, który odpowiada za wzrost i odnowę tkanek. Gdy aktywność BMP została zahamowana, szlak WNT również pozostawał nieaktywny, co utrudniało regenerację.

– Wyniki sugerują, że BMP pełni rolę regulatora warunkującego zdolność komórek macierzystych do odpowiedzi na sygnały szlaku WNT. Gdy ta zależność została zaburzona, proces regeneracji ulegał znacznemu upośledzeniu, a amputowany palec nie odzyskiwał prawidłowej budowy ani pierwotnych rozmiarów – powiedziała badaczka.

Różnice między zwierzętami z aktywną i zahamowaną sygnalizacją BMP były bardzo wyraźne. U myszy z wyłączonym szlakiem nawet po dziewięciu tygodniach zdeformowana płytka paznokcia osiągała zaledwie około 60 proc. swojej pierwotnej długości i powierzchni, a uszkodzona kość dystalnego paliczka w ogóle się nie odbudowywała.

Odwrotny efekt uzyskano u zwierząt z nadaktywacją BMP. W tym przypadku pełna odbudowa paznokcia następowała już po trzech tygodniach od amputacji, a kość odzyskiwała pierwotny kształt po około pięciu tygodniach. Długość odrośniętej płytki paznokciowej była średnio o 25 proc. większa niż u zwierząt kontrolnych.

Jednym z najbardziej spektakularnych wyników było przesunięcie granicy naturalnej regeneracji. U myszy z aktywną sygnalizacją BMP pełna odbudowa paznokcia i kości była możliwa nawet po amputacji obejmującej około 60 proc. końcowej części palca. Dotychczas uważano, że samoistna regeneracja jest możliwa jedynie po znacznie mniejszych urazach.

– Najbardziej ekscytującym momentem całego projektu było jednak zaobserwowanie częściowego odrostu płytki paznokcia nawet po amputacji obejmującej około 90 proc. kości dystalnego paliczka. Wynik ten sugeruje, że odpowiednia modulacja sygnałów molekularnych może częściowo przywracać program regeneracyjny nawet w sytuacjach, które dotychczas uznawano za całkowicie nieodwracalne – podkreśliła dr Puławska-Czub.

Drugim ważnym osiągnięciem pracy było pierwsze wyizolowanie i wyhodowanie w laboratorium komórek macierzystych fałdu proksymalnego paznokcia.

– Największym wyzwaniem było wyizolowanie konkretnych komórek z tkanki mającej zaledwie ułamek milimetra wielkości. Wykorzystaliśmy specjalny model myszy, w którym komórki zostały oznakowane fluorescencyjnymi białkami, co pozwoliło śledzić je na każdym etapie izolacji i hodowli – wyjaśniła badaczka.

Naukowcy wykazali również, że po przeszczepieniu wyhodowane komórki nie tylko przeżywały, ale aktywnie uczestniczyły w odbudowie uszkodzonych tkanek.

Analizy histologiczne pokazały, że komórki integrowały się z naturalną niszą komórek macierzystych, a ich potomstwo zasilało regenerującą się macierz paznokcia i uczestniczyło w tworzeniu nowej płytki paznokciowej. Zdaniem autorów był to kluczowy dowód, że zachowały one właściwości komórek macierzystych również po hodowli i transplantacji.

Badacze podkreślają, że choć uzyskane wyniki dotyczą modelu mysiego, odkrycie mechanizmów sterujących regeneracją paznokcia i kości może w przyszłości pomóc w opracowaniu nowych metod leczenia urazów kończyn oraz terapii wspomagających regenerację tkanek u ludzi. (PAP)

wl/ zan/