У Homo saрiens прекрасно регенерируют отдельные ткани (эпителий, мышцы, кости и др.), а печень, удаленная на 80%, полностью восстанавливается за 6-12 месяцев. Последний факт, вероятно, был известен еще в античные времена, так как ему соответствует миф о Прометее, обреченном за похищение у богов огня на вечную муку — ежедневно орел выклевывал у него часть печени, она снова восстанавливалась и т.д.

Способность многоклеточных организмов восстанавливать поврежденные участки тела является скорее правилом, чем исключением. Широко представлена регенерация у растений, что используется человеком в практике вегетативного размножения. Удивительными возможностями регенерации обладают многие низшие животные.

Общая способность организмов к регенерации так велика, что удивляют, скорее, не эти факты, а напротив, случаи, когда живой, но поврежденный организм почему-то не восстанавливает нормальное строение. Через регенерацию ярко проявляется целостность организма как системы.

При всем том, нас не может удовлетворить сегодняшнее состояние проблемы регенерации органов у человека. Особое значение имела бы возможность регенерации конечностей. Есть миллионы людей, утративших ту или иную конечность, а несчастные случаи и войны постоянно пополняют их число. В сочетании с все увеличивающейся долей людей старшего поколения, наличие в обществе значительного числа инвалидов является серьезной социальной проблемой.

Начало обстоятельному изучению регенерации конечностей относится к работам итальянского монаха и натуралиста XVIII века, Ладзаро Спалланцани. Из более поздних исследований особый интерес представляют те, которые связывают процессы регенерации с влиянием нервной ткани либо ее экстрактов, а также с воздействиями электрических полей.

Еще в 1823 году было обнаружено, что перерезка седалищного нерва саламандры исключает возможность регенерации ее задней конечности. Позже установили общую закономерность — если конечность амфибии в норме регенерирует, ее тщательная денервация всегда исключает такую возможность. Отсутствие иннервации прекращало регенерацию не только конечностей, но многих органов и тканей. В тех случаях, когда инициация процесса могла происходить без участия нервов, все-таки для окончательной дифференцировки и ее поддержания влияние нервов было обязательным.

В 1924 году выяснилось, что нерв может оказывать и еще более значительное влияние на формообразовательные процессы в организме. Локателли отвела нерв конечности под кожу у основания той же конечности и обнаружила развитие дополнительной конечности. В экспериментах Локателли дополнительная конечность всегда имела форму той конечности, от которой был отсепарирован нерв. Однако опыты Гиено и Шотте 1926 года, подтвердив образование дополнительной структуры, показали, что ее форма определяется не тем, откуда отсепарирован нерв, а близостью структуры, возле которой он имплантирован.

Позже, в 1973 году, Маркус Сингер из Медицинской школы при Кливлендском университете (штат Огайо) установил, что регенерация зависит от количества нервных волокон, подходящих к зоне ампутации, но не зависит от того, несли ли эти волокна сигналы от чувствительных клеток к мозгу или в противоположном направлении — от мозга к мышцам. Именно количество, а не тип нервных волокон имеет значение для хода регенерации. Для регенерации несущественно, сохраняются ли центральные связи и замыкается ли рефлекторная цепь.

Если к зоне ампутации передней конечности тритона подходит не менее 1298 нервных волокон, то регенерация протекает нормально, и отсеченная конечность полностью восстанавливается. В диапазоне от 1298 до 793 волокон регенерация происходит с различной степенью вероятности, а если остается менее 793 волокон, то регенерации не наблюдается.

При более детальном исследовании Сингер выяснил, что решающее значение имеет не само количество нервных волокон, а отношение площади аксоплазмы периферических нервов к общей площади сечения. Например, у шпорцевой лягушки количество нервных волокон намного ниже порогового уровня, но они обладают увеличенным диаметром, что ведет почти к такому же соотношению площадей аксоплазмы и мышц, как у тритона. Соответственно, у ксенопуса хорошо выражены регенерационные процессы.

Было проведено много экспериментов по выяснению механизма действия нервной ткани на процессы регенерации. Предполагалось, что регенерацию интенсифицируют некие вещества, вырабатываемые нервными клетками. Это предположение частично подтвердилось — вещества, выделенные из культуры нервной ткани, увеличивали в бластеме денервированной конечности потребление меченых аминокислот примерно до того же уровня, как и при сохраненной иннервации. Это говорило о достаточно высоком уровне синтеза белков, а значит, и активирования генов.

Другой факт — опоссумам двухдневного возраста имплантировали в конечность кусочек мозговой ткани и через 4 дня ампутировали эту конечность. Присутствие мозговой ткани вызывало резкое усиление процессов регенерации по сравнению с контрольными животными.

И все-таки у животных, в норме не способных к регенерации, достигаемая экспериментаторами интенсификация процессов была недостаточной. Главное — не обеспечивалась направленность регенерации на формирование конечности со свойственными ей подробностями анатомического строения. Регенерационным процессам недоставало информативности, нацеленности на построение требуемой структуры.

«Вопрос о природе действия нервов остается неясным. Превалирует мнение, что эффект нервов опосредован секрецией химических факторов, но, несмотря на интенсивные исследования во многих лабораториях, подобные факторы, способные вызывать регенерацию, охарактеризованы не были. Ни одному экспериментатору не удалось стимулировать регенерацию в результате инъекции экстрактов в ампутированные денервированные конечности». © Карлсон, 1986

Таким образом, перерезка нерва явно нарушает распространение к зоне регенерации какого-то фактора, имеющего для регенерации принципиальное значение. Но этим фактором не являются нервные импульсы, потому что несущественно даже направление их распространения! Не являются этим фактором и вещества нервных клеток. С позиций КСГ таким фактором является структурогенное химическое волновое поле, распространяющееся во взрослом организме, в первую очередь, по длинным нервным волокнам.

Электрическая компонента химических волновых процессов разных клеток организма суммируется и в таком виде выступает как интегральная электрическая активность живой ткани, которая уверенно регистрируется осциллографом. Естественно, что эта активность особенно возрастает при регенерации органов или тканей. Например, отмечено резкое усиление электрической волновой активности костной ткани при регенерации кости. Это подтверждает особую роль волновых процессов в управлении развитием.

С точки зрения анатомии, млекопитающие и птицы явились своего рода вершинами эволюционного развития, что проявилось и в высокой экономичности нервных систем. У этих организмов очень тонкие нервы оказались способными управлять мощными мышцами. Площади поперечного сечения нервных стволов стали ничтожно малыми по сравнению с сечением иннервируемых ими мышц — стоит лишь сравнить тонкие периферические нервы человека, например, с гигантскими аксонами кальмара, очень удобными для изучения.

Но именно эта высокая степень совершенства нервной системы и перечеркнула для человека, для млекопитающих и птиц возможности регенерации утраченных конечностей. Малое сечение нервов не обеспечивает распространение к зоне регенерации достаточно мощного химического волнового поля, не обеспечивает интенсивного активирования генов. В этом смысле, мы оказались жертвами собственного анатомического совершенства.

Главный генератор поля у позвоночных

Важнейшим этапом развития эмбрионов позвоночных является стадия нейруляции, когда формируется нервная трубка и происходит закладка центральной нервной системы.

«Нейруляция — характернейший для всех позвоночных формообразовательный процесс, определяющий главные структурные особенности представителей этого типа» © Белоусов Л. В. 1980

Согласно КСГ, структурогенные химические волны могут возникать в протоплазме каждой клетки, однако особенно важную роль в зародышах позвоночных играют волновые процессы в полости нервной трубки. Эта заполненная жидкостью трубка задает ось растущей биологической структуры, потому что служит главной зоной генерирования химического волнового поля, главным ориентиром, «маяком» внутри организма.

При дальнейшем развитии особи полость нервной трубки превращается в канал позвоночника, скрывающий в себе ствол спинного мозга. Пространство канала позвоночника, остающееся свободным от нервной ткани, заполняет спинномозговая (цереброспинальная) жидкость. С точки зрения КСГ, главное предназначение этой уникальной жидкости — генерирование в определенные моменты сна мощных структурогенных химических волн (хотя кроме этого она выполняет и ряд других функций). Если на время забыть о концепции структурогенеза, можно лишь удивляться тому, что непосредственной осью сложной материальной структуры (зародыша позвоночного) оказывается жидкая субстанция. Но это удивление рассеется, если вспомним, что именно в значительном объеме жидкой среды, не разделенном клеточными стенками, легче добиться большой мощности генерирования химических волн, что важно для создания «маяка» внутри организма.

Связь нервной трубки с процессами формирования тела позвоночного наглядно проявляется в некоторых экспериментах по регенерации. Например, в 1982 году Фаулер и Сискен ампутировали почку крыла 4-дневного куриного эмбриона и одновременно стимулировали регенерацию путем имплантации нервной трубки от доноров 15-й стадии развития. Они получили интенсивный рост, а в некоторых случаях почти полностью развивалось крыло нормальной формы. Степень восстановления была значительно большей, чем в других сходных экспериментах.

Вероятно, дальнейшие исследования позволят, в дополнение к цереброспинальному каналу и желудочкам мозга, выявить похожие на них главные зоны генерирования структурогенных волн (зоны-«маяки») и у других типов животных, а возможно, и у растений.

Итак, нервное волокно оказалось удобным и широко используемым каналом распространения структурогенных химических волн. Важно и то, что нервные волокна приходят к культе кратчайшим путем от позвоночника, от главной зоны генерирования химического волнового поля. Это и связало успех регенерации конечности с сечением пучка подходящих к ней нервных волокон, независимо от:

• принадлежности волокна к той или иной части нервной системы
• направления прохождения по нему нервных импульсов
• сохранения или нарушения центральных связей
• замыкания петли условного рефлекса и т.п.

Волокна периферической нервной системы оказались важными для нас не только в роли проводников нервных импульсов, но и в роли волноводов, разводящих по организму основную часть энергии структурогенных волн. Чем больше сечение нервного пучка, тем выше интенсивность химического волнового поля в зоне культи и существеннее его влияние на активирование генов.

О резервных путях развития

Регенерация утраченной конечности тритона протекает не в таких условиях, как формирование лапки при нормальном развитии. К этому времени изменяются общая структура организма, состояние межклеточных контактов и многие другие характеристики. Тем не менее, в новых условиях повторно развивается нормальная конечность, на чем и основываются надежды медицинской регенерации.

Правильное формирование биологических структур в резко изменившихся условиях становится возможным благодаря присущим каждому организму так называемым резервным путям развития, позволяющим приходить к одной и той же структуре на основе разных формообразовательных процессов. Так, нормальные личинки морского ежа можно получить из разделенных, а затем беспорядочно перемешанных клеток зародыша. При этом процесс развития может далеко отклоняться от обычного пути. Например, если в норме сначала формируется оболочка личинки, а затем ее скелет, то в эксперименте прежде может возникнуть скелет, а уж потом — покровная ткань вокруг него.

Для нас важно знать, существуют ли резервные пути развития в организме человека. Здесь могут быть такие соображения. Резервные пути развития определяются не мистическим нематериальным свойством организма, а конкретной особенностью организации его генетического аппарата. Эта особенность заключается в том, что в ядрах клеток, кроме генов, обеспечивающих нормальный процесс развития, существуют такие же гены в других точках ядерного пространства, которые активируются при иной картине волнового поля, а именно при такой картине, какая имеет место при реализации резервного пути развития.

У морского ежа разделение и беспорядочное перемешивание клеток зародыша может происходить, например, при попадании зародыша в полосу прибоя и, следовательно, резервные пути развития могут выработаться естественным отбором как защитная реакция на подобный вид неблагоприятных воздействий. Есть ли основания считать, что и у человека естественный отбор обеспечил наличие на нужных координатах внутриядерного пространства тех генов, которые нужны для конкретных резервных путей развития — для регенерации каждой отдельной конечности взрослого организма?

На первый взгляд, для таких ожиданий нет причины, потому что регенерация утраченных конечностей у Homo saрiens не происходит, следовательно, в данном направлении отбор не действует, и ничто не заставляет гены расположиться в тех местах, где они активировались бы после окончания основных процессов формирования организма, когда важными каналами распространения волнового поля стали нервные волокна. Если у далеких предков (например, у амфибий) и существовали такие «резервные» гены, то, выйдя из орбиты естественного отбора, они за много поколений могли деградировать или сместиться с нужных мест.

К счастью, для такого пессимистического прогноза нет оснований. Можно думать, что резервные пути развития присущи всем многоклеточным организмам, хотя в ряде случаев и нарушились условия их эффективного проявления. Например, так произошло у млекопитающих, у которых совершенствование нервной системы слишком уменьшило поперечное сечение нервов по сравнению с сечением иннервируемых мышц.

Можно представить себе ход становления резервных путей развития. После формирования взрослого организма генетический аппарат не выключается, а работает на сохранение заданной структуры. Вещество организма довольно быстро обновляется. Отмирают старые клетки и заменяются молодыми. Если бы генетический аппарат не контролировал эти процессы, через год-два сформированная структура оказалась бы сильно нарушенной. Поэтому в клеточных ядрах должны существовать не только гены, работающие на эмбриональных стадиях развития, но и такие (не очень эффективные) гены, расположение которых соответствует их активированию волновым полем взрослого, сформированного организма. Такие гены и обеспечивают регенерацию конечностей тритонов, крабов, осьминогов, тараканов и т.п. Аналогичные гены, будем надеяться, обеспечат регенерацию конечностей и у человека.

Таким образом, с позиций КСГ неучтенным фактором влияния нервных волокон на регенерацию является проведение ими структурогенных химических волн. Нельзя игнорировать биохимические и физические воздействия, но главное внимание должно быть обращено на создание рядом с нервным пучком дополнительного канала прохождения химических волн, чтобы увеличить их суммарную мощность в зоне регенерации. Для этого нужно имплантировать пострадавшему на время регенерации трубку (будем называть ее волноводом) с полупроницаемыми стенками, заполненную спинномозговой жидкостью, начинающуюся в спинномозговом канале и оканчивающуюся полупроницаемым торцом в зоне культи.

К стенкам трубки предъявляются противоречивые требования.

1. С одной стороны, они должны обеспечить электрический и химический контакт с окружающей средой, как это происходит между клетками благодаря коннексонам. С другой стороны, стенки трубки должны быть непроницаемы для микрофлоры, встречающейся в организме каждого позвоночного, так как проникновение микроорганизмов внутрь канала, вероятно, было бы равносильно преодолению ими гематоэнцефалического барьера с тяжелыми последствиями для животного. Противоречие могли бы разрешить именно коннексоны, если бы их удалось встроить в стенку трубки, так как малый диаметр отверстия не позволил бы проходить через них бактериям. Возможно, есть смысл использовать материал биологического происхождения, изначально обладающий полупроницаемостью, например, извлеченный из сингенного организма кровеносный сосуд.
2. Контакт волновода с окружающими его тканями важен потому, что химическое волновое поле организма отнюдь не исчерпывается зоной мощной генерации в спинномозговом канале. Оно представлено также множеством более мелких активных зон, разбросанных по всему организму. Химические волны, распространяющиеся вдоль нервных волокон, не изолированы от влияния соседних активных зон, благодаря чему они и воспринимают информацию о близлежащих структурах. Такая информация является одним из необходимых условий правильного воздействия волнового поля на гены, а значит, и правильного протекания регенерационного процесса. Волновод, призванный дополнить нервные волокна как каналы распространения химических волн, должен в достаточной степени походить на нервные волокна и в их контактах с окружающими тканями. Желательно, чтобы он был проложен как можно ближе к «дополняемому» нервному пучку.
3. Длительное пребывание цереброспинальной жидкости в волноводе может привести к застойным явлениям, которые способны нарушить распространение химических волн. Вероятно, следует разработать систему принудительной циркуляции жидкости в волноводе, включающую в себя обратный канал (возможно, имеющий меньший диаметр и расположенный внутри основного канала), насос с электродвигателем и гальванический элемент для его питания. Обратный канал должен постепенно возвращать цереброспинальную жидкость от закрытого торца волновода в спинномозговой канал организма.
4. Насос не должен вызывать механических повреждений белков и др. элементов цереброспинальной жидкости. При достаточной компактности насоса и гальванического элемента они могут имплантироваться внутрь организма и извлекаться вместе с волноводом после завершения регенерации.
5. По мере регенерации конечности должно происходить удлинение волновода подобно тому, как в норме регенерация конечности сопровождается прорастанием в нее нервных волокон. Необходимость постепенного растяжения или наращивания трубки является одной из технических трудностей, которые нужно преодолеть при разработке волновода. Можно представить себе, например, высокоэластичную трубку с упругой спиралью внутри, которая позволяла бы многократно увеличивать свою длину без существенного изменения диаметра.

Возможен и иной подход к увеличению сечения волноводного канала. Изготовленный из синтетических материалов волновод может быть заменен, например, пучком гигантских аксонов кальмара. Нервные клетки кальмара, вероятно, могут быть выращены в культуре. Использование живых клеток вместо мертвого волновода приблизило бы процесс распространения химических волн к естественным условиям.

Главной проблемой здесь может стать реакция отторжения. Однако в последнее время стал известен новый подход, дающий неплохие надежды на успех. Английскими учеными освоен метод лечения диабета путем пересадки пациенту клеток, вырабатывающих инсулин, из островков Лангерганса свиньи. Реакция отторжения была предотвращена тем, что клетки свиньи окружались слоем альгина — вещества, добываемого из водорослей и не вызывающего противодействия со стороны иммунной системы человека. В таком виде клетки помещались в микроскопическую металлическую капсулу с перфорациями и вместе с ней имплантировались в организм пациента. В нашем случае есть, по крайней мере, то упрощение, что инсулиновые клетки свиньи должны находиться в организме пациента постоянно, а нейроны кальмара — лишь временно.

Наконец, на пути к регенерации конечностей человека можно представить себе еще один способ увеличения сечения волнового канала. Известно, что с помощью стероидных гормонов удается быстро нарастить поперечное сечение мышц. Возможно, существуют фармакологические или генетические возможности значительного увеличения диаметра определенного нервного пучка. Регенерация произошла бы даже в случае, если бы такое увеличение сечения было временным, например, на год. Тогда дополнительный, искусственный волновод не понадобился бы.

Подобный путь не только исключает хирургическое вмешательство, удешевляя лечение и расширяя возможности применения метода. Еще важнее то, что в нервный пучок заложена способность ветвиться, прорастая в кисть и пальцы. Вероятно, синхронность развития периферийных нервов и остальных регенерирующих структур конечности очень существенна для правильного протекания регенерации. В этом смысле увеличение диаметра конкретного нерва — принципиально лучший путь, чем прокладка искусственного волновода.

Говоря о методе временной имплантации волновода, нельзя не отметить идейное сходство этого метода с многочисленными экспериментами по стимулированию регенерации передней конечности позвоночного за счет подсадки седалищного нерва. Седалищный нерв обычно имеет гораздо большее сечение, чем нерв, иннервирующий переднюю конечность, так что в результате такой операции резко возрастает сечение канала, по которому к культе передней конечности приходят структурогенные волны.

Данный метод разработан Зингером в 1954 году применительно к лягушкам, а затем использован на других видах бесхвостых амфибий — на шпорцевых лягушках, на жабах Bombina, на крупных лягушках Rana catesbiana. Во всех случаях получен заметный рост конечности, но он не приводил к типичной регенерации — в регенератах ни разу не были обнаружены лапки и пальчики. Сходные результаты получены на ящерицах Lygosoma при сочетании данного метода с имплантацией в конечность ткани эпендимы.

У млекопитающих подобный метод стимулирования регенерации (путем увеличения числа подведенных нервов) не дал заметных результатов. Это можно объяснить тем, что у млекопитающих настолько уменьшилось сечение нервов на единицу площади иннервируемых мышц, что даже подсадка седалищного нерва к нерву передней конечности не дает превышения необходимого порога. Требуется значительно большее сечение канала, подводящего структурогенные волны, что можно обеспечить лишь имплантацией волновода достаточно большого диаметра.

Понятно также, почему в относительно удачных экспериментах на земноводных имплантация седалищного нерва к удаленной передней конечности вызывает ее рост, но не приводит к правильному формированию. Путь седалищного нерва от спинного мозга до зоны ампутации слишком сильно отличается по топографии (если ориентироваться по окружающим тканям) от пути нервного ствола, иннервирующего переднюю конечность. Поэтому приходящее по седалищному нерву волновое поле в информационном отношении не соответствует задаче управления формированием передней конечности. Это говорит о том, что и при имплантации волновода важно обеспечить как можно более близкую прокладку трубки возле нерва утраченной конечности.

А.Н. Барбараш, Основы стереогенетики