Axolotlul mexican, speranță pentru regenerare

Axolotlul mexican, denumit științific Ambystoma mexicanum, se remarcă prin capacitățile sale extraordinare de a-și regenera membrele amputate, precum și alte organe și țesuturi. Mai mult de atât, cercetătorii au descoperit că axolotlul își poate regenera măduva spinării, precum și alte țesuturi cum ar fi retina. Axolotlul prezintă un genom imens, cel mai mare descoperit vreodată, având aproximativ 32 Gb, de 10 ori mai multe decât genomul uman  (3,2 Gb). Membrele salamandrelor sunt similare din punct de vedere anatomic cu membrele umane. Cunoașterea mecanismului de regenerare ar trebui să ofere indicii importante în medicina regenerativă.

Axolotlul mexican sau peștele umblător mexican

Axolotlul mexican (peștele umblător mexican), denumit științific Ambystoma mexicanum, este un amfibian care trăiește în Xochimilco – „grădinile plutitoare” din apropierea capitalei Mexicului, Ciudad de Mexico [1].

Numărul salamandrelor axolotl a scăzut drastic în ultimele decenii. Dacă în anul 1998 era estimat că în lacul Xochimilco se găsesc aproximativ 6.000 de reprezentanți pe kilometru pătrat, 20 de ani mai târziu, din cauza poluării și a procesului de urbanizare, numărul estimat a ajuns la 35 de reprezentanți pe kilometru pătrat [2].

Deși specia este pe cale de dispariție în habitatul său natural, zeci de mii de specii pot fi găsite în acvarii și în laboratoarele de cercetare din întreaga lume [2].

Regenerarea membrelor

Salamandra axolotl iese în evidență prin capacitățile sale extraordinare de a-și regenera membrele amputate precum și alte organe și țesuturi. S-a observat faptul că atunci când pierd un membru, aceste specii sunt capabile să îl regenereze în câteva săptămâni, cu toate oasele, mușchii și nervii situate în locurile corespunzătoare. Mai mult decât atât, cercetătorii au descoperit că axolotlul își poate regenera măduva spinării, precum și alte țesuturi cum ar fi retina [1]. Proprietățile sale unice fac ca axolotlul mexican să fie una dintre cele mai utilizate animale de laborator, fiind un organism central în cercetarea regenerării și a biologiei dezvoltării [3].

Axolotlul mexican: evoluția cercetării științifice

Salamandra axolotl face parte din clasa Amfibieni, ordinul Urodela, genul Ambystoma, având dimensiunile cuprinse între 15 și 45 de centimetri și o speranță de viață de 10-15 ani. Este o specie neotenică, ceea ce înseamnă că are capacitatea de a atinge maturitatea sexuală și de a se reproduce rămânând la stadiul de larvă. Cu toate acestea, axolotlul se poate metamorfoza într-o formă adultă pe deplin dezvoltată, în cazul în care habitatul său suferă modificări.

Axolotlul trăiește în mediul acvatic, fiind dotat cu branhii externe și cu alte accesorii care pot sprijini acest stil de viață. Salamandra axolotl are un timp de regenerare de sub un an, fiind cu mult mai scurt decât la alte specii de salamandră [4].

Interesul științific pentru axolotl datează încă din secolul XIX. În anul 1864, Humboldt a fost primul cercetător care a colectat axolotlul mexican și l-a cultivat în laborator. Salamandra i-a servit ca model pentru investigarea fenomenelor precum reprogramarea nucleară, embriologia inducției celulelor germinale, procesarea neuronilor retinieni și regenerarea.

Biologia dezvoltării

Astăzi, cercetarea se focusează pe două domenii importante ale științei, regenerarea și biologia dezvoltării. În ceea ce privește regenerarea, principalele obiective ale cercetării sunt elucidarea mecanismelor moleculare care fac posibilă regenerarea extensivă a membrelor sau a organelor. Deși există și alte nevertebrate cum ar fi viermele plat și hidrele care au proprietăți remarcabile de regenerare, axolotlul este unic [3,4].

Durerea cronică

În biologia dezvoltării, axolotlul este folosit pentru a fi studiate procesele si mecanismele de dezvoltare de la procesele timpurii (gastrulația şi neurulația) până la organogeneză și creștere. Printre avantajele axolotlului sunt remarcate următoarele: este ușor de manipulat în microchirurgie, contribuie excelent la vindecarea rănilor, iar embrionii acestuia supraviețuiesc cu succes [3].

Axolotlul mexican: proprietăți genomice

Salamandrele au servit mult timp ca modele biologice valoroase pentru studiile ce privesc dezvoltarea, regenerarea și evoluția, o atenție importantă fiind acordată axolotlului mexican. Pentru a înțelege pe deplin mecanismele care stau la baza regenerării, o echipă de cercetători condusă de oameni de știință din Viena, Dresden și Heidelberg a decodificat întreaga informație genetică a axolotlului. Salamandra axolotl prezintă un genom imens, cel mai mare descoperit vreodată, având aproximativ 32 Gb (gigabaze = miliarde de baze), de 10 ori mai multe decât genomul uman (3,2 Gb) [4].

La analiza genomului, echipa de cercetători a descoperit că anumite tipuri de gene care sunt prezente doar la axolotl și la alte specii de amfibieni contribuie la regenerarea țesutului membrelor. Gena numită PAX3, o genă esențială de dezvoltare, lipsește în totalitate din genom, funcțiile sale fiind preluate de o altă genă, numită PAX7. Ambele gene joacă roluri cheie în dezvoltarea musculară și neuronală [4].

Homeostazia tisulară

La om, pierderea capacității de regenerare reprezintă un fenomen important odată cu înaintarea în vârstă. Regenerarea este un proces important al vieții. Posibilitatea de a înlocui celulele bătrâne și deteriorate în toate sistemele de organe este esențială nu numai pentru homeostazia tisulară, ci și pentru supraviețuirea prelungită a organismului.

Capacitatea de vindecare a rănilor este o proprietate conservată de toate organismele, așa cum sunt multe dintre mecanismele de vindecare a acestor răni. Cu toate acestea, capacitatea de a regenera structuri mai complexe, cum ar fi membrele, este variabilă [5].

Procesul de îmbătrânire la oameni și impactul său asupra regenerării

De-a lungul vieții, omul parcurge mai multe etape ale dezvoltării cum ar fi embriogeneza, dezvoltarea fetală, copilăria, adolescența, maturitatea, bătrânețea și în cele din urmă decesul. Fiecare etapă este marcată de schimbări fiziologice importante, unele programate, cum sunt cele care apar prin semnalizare endocrină, altele ca răspuns la factorii de mediu precum nutriția. Începutul procesului de îmbătrânire este greu de estimat, deoarece sunt implicați numeroși factori printre care: pierderea capacității de reproducere, scăderea metabolismului, epuizarea celulelor stem, senescența celulară crescută, deteriorarea ADN-ului, alterarea răspunsurilor imune, timpul crescut de vindecare a rănilor, precum și precedența crescută a bolilor legate de vârstă (cancer, boli de inimă, boala Alzheimer etc.) [5]

Elucidarea mecanismelor care stau la baza bolilor provocate de bătrânețe joacă un rol important în dezvoltarea terapiilor care pot îmbunătăți calitatea vieții în viitor. Unul dintre motive ar fi reprezentat de modificările ce apar la nivelul activității fibroblastelor. Fibroblastele sunt prezente în fiecare sistem de organe, fiind bogate în țesut conjunctiv. Unul dintre cele mai cunoscute roluri ale acestora este de a genera structura moleculară a matricei extracelulare, care constituie „lipiciul” care menține împreună țesuturile și organele. Odată cu înaintarea în vârstă, alterarea activității fibroblastelor va contribui în mod negativ asupra stării de sănătate a oamenilor [5].

Salamandra axolotl reprezintă un model excelent pentru a studia reglarea activității fibroblastelor la om, având multiple roluri în vindecarea rănilor și în regenerare [5].

Ciclul de viață și procesul de îmbătrânire al salamandrei axolotl

Ciclul de viață al axolotlului este mai rapid decât la om, speranța maximă de viață fiind de aproximativ 25 de ani. Embriogeneza durează 2 săptămâni, după care vor ajunge în stare de larvă și vor fi eliberate din ou. În următoarele luni, larvele vor continua să crească în dimensiuni, să dezvolte membre și plămâni. La aproximativ un an de la fertilizare (9 luni pentru masculi și 12 luni pentru femele), animalele devin mature din punct de vedere sexual, deși păstrează multe trăsături larvare, cum ar fi branhiile și un habitat acvatic [5].

La fel ca la om, fertilitatea salamandrelor axolotl scade odată cu înaintarea în vârstă, cercetările de laborator arătând că masculii își păstrează fertilitatea mai mult decât femelele.

De-a lungul vieții, axolotlul suferă diferite modificări în ceea ce privește dimensiunea, compoziția scheletului, compoziția țesuturilor, precum și comportamentul. În stadiul de larvă, scheletul este bogat în țesut cartilaginos, iar pe măsură ce îmbătrânește, cartilajul va fi înlocuit cu țesut osos. De asemenea, s-a observat că salamandrele tinere se mișcă și se hrănesc mai mult decât cele îmbătrânite, fapt ce indică o scădere a metabolismului, la fel cum se întâmplă și la om. S-a constatat că, spre deosebire de om, salamandra axolotl prezintă o rezistență semnificativă la bolile determinate de înaintarea în vârstă, aceasta datorându-se capacităților excepționale de regenerare. Prin urmare, axolotlul poate fi utilizat pentru a identifica modurile prin care pot fi prevenite sau tratate aceste boli [5].

Fenilcetonuria sau deficitul de fenilalanin-hidroxilază

Regenerarea membrelor

Oamenii și alte mamifere au capacități naturale limitate în ceea ce privește regenerarea părților corpului pierdute. În schimb, multe dintre salamandre sunt extrem de regenerative și pot înlocui spontan membrele pierdute chiar și ca adulți. Ținând cont că membrele salamandrelor sunt similare din punct de vedere anatomic cu membrele umane, cunoașterea mecanismului de regenerare, ar trebui să ofere indicii importante în medicina regenerativă [1].

Mecanism

În urma amputației unui membru, la nivelul ciotului rămas ajunge o cantitate foarte mică de sânge. În câteva ore, locul este învelit într-un strat subțire de celule epidermice. Aceste celule se adună și proliferează, formând stratul epidermic al leziunii. Stratul epidermic nou format este diferit din punct de vedere structural și molecular de epiderma intactă. În zilele care urmează după reepitelizare, celulele progenitoare sunt activate. Termenul de activare cuprinde atât reintrarea celulelor progenitoare în ciclul celular, cât și acumularea acestor celule în vârful ciotului rămas în urma amputației, sub stratul epidermic [1,6,7].

Celulele progenitoare activate se pot forma fie din celule stem, fie prin diferențiere celulară, mecanismul nefiind cunoscut în totalitate. Aceste celule formează blastema (masă de celule precursoare), care este asemănătoare cu meristemul (celule stem care se găsesc în vârful ramurilor plantelor și care determină creșterea ulterioară a unei noi ramuri). Spre deosebire de om, unde blastema este prezentă doar în embrion,  salamandra axolotl este capabilă să dezvolte o nouă blastemă chiar în organismul adult [1,6,7].

Blastema

Celulele care alcătuiesc blastema sunt considerate a fi osoase, cartilaginoase, musculare sau alte tipuri de celule care se diferențiază (își pierd identitatea), pentru a deveni celulele stem care mai departe devin celule mature. Totuși, celulele care alcătuiesc blastema nu se pot transforma în orice tip de celulă; de exemplu, o celulă musculară poate să se transforme doar în alte tipuri de celule musculare, nu și în piele sau cartilaje. Celulele din blastemă continuă să crească și să se înmulțească, redobândindu-și în cele din urmă identitatea ca celule osoase sau epiteliale complet dezvoltate. Pe măsură ce blastema și celulele sale continuă să se dividă, structura în creștere începe să se aplatizeze și, în cele din urmă, devine o copie perfectă a membrului pierdut, incluzând toți nervii și vasele de sânge care sunt conectate cu restul corpului [1,6,7,8].

Vindecarea rănilor fără cicatrici

O altă proprietate importantă a axolotlului o reprezintă faptul că acesta își poate vindeca rănile fără a dezvolta cicatrici.

Procesul de vindecare al rănilor la axolotl diferă în mod semnificativ de cel al omului sau de cele ale altor mamifere.

Printre aceste diferențe se pot aminti:

• închiderea leziunii este mult mai rapidă la axolotl. Dacă la om proliferarea de noi celule epiteliale poate dura zile sau chiar săptămâni, în funcție de dimensiunea leziunii, la salamandrele axolotl tinere, procesul durează doar câteva ore;
• dezvoltarea matricei de colagen în timpul vindecării rănilor diferă, de asemenea, între oameni și axolotl. La om, colagenul este produs la câteva zile de la provocarea leziunii, în timp ce, la axolotl procesul durează peste o săptămână;
• rănile mamiferelor încep să producă colagen, o componentă majoră a pielii, la câteva zile după rănire; în timp ce în axolotl durează peste o săptămână. Mai mult, celulele axolotl reorganizează fibrele de colagen într-o structură asemănătoare unor coșuri, iar la om fibrele de colagen rămân reorganizate în mănunchiuri lineare groase. Studiile recente au identificat o proteină numită SALL4, care este prezentă la nivelul leziunilor axolotlului și care reglează formarea și depunerea colagenului, făcând posibilă vindecarea fără cicatrici [5,9,10].

Concluzii

Axolotlul mexican este un organism aparte. Acesta se evidențiază prin capacitățile sale extraordinare de a-și regenera membrele amputate precum și alte organe și țesuturi. Genomul salamandrei axolotl a fost cel mai mare genom descoperit vreodată, având aproximativ 32 Gb, de 10 ori mai multe decât genomul uman  (3,2 Gb).

Axolotlul prezintă un model excelent pentru a depista cum pot fi prevenite sau tratate bolile care apar odată cu înaintarea în vârstă. De asemenea, ținând cont că membrele salamandrelor sunt similare din punct de vedere anatomic cu membrele umane, cunoașterea mecanismului de regenerare ar trebui să ofere indicii importante în medicina regenerativă.

Proprietățile unice ale axolotlului, fac ca acesta să fie unul dintre cele mai utilizate animale de laborator, fiind un organism central în cercetarea regenerării și a biologiei dezvoltării.

Referințe bibliografice:

1. Haas BJ, Whited JL. Advances in Decoding Axolotl Limb Regeneration. Trends Genet. 2017;33(8):553–565;
2. THE AXOLOTL PARADOX [Internet]. Media.nature.com. 2020 [cited 23 March 2020]. Available from: https://media.nature.com/original/magazine-assets/d41586-017-05921-w/d41586-017-05921-w.pdf;
3. Reiß C, Olsson L, Hoßfeld U. The history of the oldest self-sustaining laboratory animal: 150 years of axolotl research. J Exp Zool B Mol Dev Evol. 2015;324(5):393–404;
4. Nowoshilow, S., Schloissnig, S., Fei, J. et al.The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators. Nature 554, 2018; 50–55;
5. Vieira WA, Wells KM, McCusker CD. Advancements to the Axolotl Model for Regeneration and Aging [published online ahead of print, 2019 Nov 28]. Gerontology. 2019;1–11;
6. McCusker C, Gardiner DM. The axolotl model for regeneration and aging research: a mini-review. Gerontology. 2011;57(6):565–571. doi:10.1159/000323761;
7. McCusker C, Bryant S, Gardiner D. The axolotl limb blastema: cellular and molecular mechanisms driving blastema formation and limb regeneration in tetrapods. Regeneration. 2015;2(2):54-71;
8. Satoh A, Mitogawa K, Makanae A. Regeneration inducers in limb regeneration. Dev Growth Differ. 2015;57(6):421–429;
9. Yokoyama H, Kudo N, Todate M, Shimada Y, Suzuki M, Tamura K. Skin regeneration of amphibians: A novel model for skin regeneration as adults. Dev Growth Differ. 2018;60(6):316–325;
10. Seifert AW, Monaghan JR, Voss SR, Maden M. Skin regeneration in adult axolotls: a blueprint for scar-free healing in vertebrates. PLoS One. 2012;7(4):e32875.

Ramona Petrița

Farmacist

Andreea-Denisa Toma

Farmacist specialist Farmacie Clinică, Spitalul "Dr. Karl Diel", Jimbolia