Systemische reacties worden geactiveerd wanneer er bij veel organismen letsel optreedt en kunnen de genezing en regeneratie bevorderen; dit is waargenomen bij muizen, salamanders, zebravissen en planariërs. Bij planariërs ontdekten de onderzoekers dat de ERK-signaalroute, die zich sneller langs de spiercellen van de lichaamswand verspreidt dan eerder werd gedacht, van cruciaal belang is voor regeneratie, wat een gecoördineerd besluitvormingsproces voor de regeneratie van het hele lichaam impliceert dat ook inzicht geeft in de ontwikkeling van kanker: als een niet-genezen wond.

Bij sommige organismen kan schade aan een deel van het lichaam genezing in een ander deel veroorzaken. Recente bevindingen suggereren dat deze systemische reactie geen bijwerking is: het is een hoofdkenmerk.

Bij muizen met een verwonding aan één been werden de stamcellen in het andere been ‘ontwaakt’, alsof de cellen zich voorbereidden om de verwonding te genezen. Iets soortgelijks gebeurt met salamanders, die meesters zijn in de regeneratie van ledematen. Hartbeschadiging bij zebravissen veroorzaakt bepaalde veranderingen in afgelegen organen zoals de nieren en de hersenen.

"In veel verschillende organismen kun je reacties van het hele lichaam op letsel zien, maar of die reacties daadwerkelijk iets doen, is onduidelijk", zegt Bo Wang, assistent-professor bio-engineering aan de Stanford University. "Dus daar concentreren we ons op."

In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Cell ontdekten Wang en collega's dat deze coördinatie van het hele lichaam een ​​belangrijk onderdeel is van planaire wondgenezing en daaropvolgende weefselregeneratie. Begrijpen wat regeneratie aan- en uitzet, en hoe het wordt gecoördineerd, zou ook onderzoek naar kanker kunnen ondersteunen, dat vaak wordt gezien als een wond die nooit geneest.

Planarians zijn platwormen van een halve centimeter lang met een superkracht: ze kunnen in vrijwel elke situatie regenereren. Snij een planarian in vier stukken en binnen een paar dagen heb je vier nieuwe platwormen. Net als bij muizen, zebravissen en salamanders lijkt een wond in een deel van het vlakke lichaam een ​​reactie teweeg te brengen in verder weg gelegen weefsels.

Wang wilde begrijpen hoe deze reacties werden gecoördineerd. Eén mogelijk mechanisme is de extracellulaire signaalgerelateerde kinase (ERK) route. Cellen gebruiken het ERK-pad om met elkaar te communiceren en signalen in de vorm van golven te verzenden. Als er weefsel beschadigd raakt, "geeft" de dichtstbijzijnde cel die informatie door aan naburige cellen, die dit op hun beurt aan hun buren vertellen. Deze golf plant zich door het hele organisme voort in een soort telefoonspel.

Nu is er slechts één probleem: eerder onderzoek heeft aangetoond dat ERK-golven te langzaam bewegen om van enig nut te zijn. "Als ik een signaal met een snelheid van 10 micron per uur voortbreng, kan het enkele dagen duren om door één millimeter te reizen", zei Wang. Bij deze snelheid worden signalen te langzaam van het ene deel van de worm naar het andere doorgegeven om de wondgenezing en regeneratie te bevorderen.

Inzicht in wat regeneratie aan- en uitzet, zou kunnen leiden tot vooruitgang in medische behandelingen en interventies, ook met kankergerelateerde effecten. Bron afbeelding: Wang Lab/Stanford University School of Engineering

Voor mensen hoeft dit geen probleem te zijn. Onze bloedsomloop kan ervoor zorgen dat signalen snel door ons lichaam reizen. Maar planariërs hebben geen bloedsomloop om dit proces te versnellen.

Dus begonnen Wang en zijn collega's de voortplanting van ERK-golven van het ene uiteinde van het dier naar het andere te volgen. Ze ontdekten dat signalen meer dan 100 keer sneller reisden dan voorheen. In plaats van zich voort te planten langs de extra lange spiercellen in de lichaamswand, planten ERK-golven zich voort langs de extra lange spiercellen in de lichaamswand. Deze cellen fungeren als ‘snelwegen’, waarbij snelheidssignalen van het ene uiteinde van het lichaam naar het andere worden overgebracht. Geen dagen, maar uren.

De signalen waren snel genoeg om te helpen bij de behandeling, maar ze wisten nog steeds niet of het hele lichaam erbij betrokken was.

Om daar achter te komen hakte Fan Yuhang, een afgestudeerde student in Wang's laboratorium, het hoofd van de planariër af. Normaal gesproken zal het hoofd van een planariër na onthoofding snel teruggroeien uit het resterende lichaam. Maar Fan blokkeerde het ERK-signaal om naar de achterste helft van het organisme te reizen om te testen of ERK-golven verantwoordelijk waren voor het coördineren van genezingsreacties over lange afstanden. Wanneer de ERK-signalering wordt geblokkeerd, geneest het hoofd niet alleen langzamer: het regenereert helemaal niet.

Vervolgens vroeg Fan zich af of het mogelijk was om het regeneratieproces te ‘redden’ en testte dit door de staart van de planariër te verwijderen, waardoor het staartweefsel zou worden gewaarschuwd voor beschadiging. De staart groeide terug en verrassend genoeg groeide ook de kop terug.

"Wat echt interessant is, is dat we de tijdsvertraging tussen amputaties kunnen aanpassen," zei Wang. Als u binnen een paar uur na de eerste verwonding de staart van de planariër afsnijdt, kunt u het geblokkeerde genezingsproces opnieuw starten. Maar als je te lang wacht, zal geen van beide zich herstellen.

"Wat dit betekent is dat er een systeem in het organisme zit dat zegt: 'Oké, nu moeten we iets laten groeien', en iedereen moet het ermee eens zijn," zei Wang. Zelfs de meest afgelegen cellen hebben stemrecht.

Veel dieren, zoals planariërs, zeesterren en salamanders, vertonen genezende en regeneratieve vermogens die die van mensen ver overtreffen. Als we begrijpen waarom we dit vermogen niet hebben, zou dit kunnen leiden tot vooruitgang in medische behandelingen en interventies, ook met kankergerelateerde effecten.

"Niemand van ons wil dat het weefsel voortdurend beschadigd raakt. Dit zou tot kanker kunnen leiden", legt Wang uit. Zijn onderzoek toont aan dat zelfs bij deze wormen, die over verbazingwekkende regeneratieve vermogens beschikken, de regeneratie meestal 'uit' is totdat het hele lichaam het ermee eens is dat het tijd is om 'aan te zetten'.

Toen Wang en zijn collega's bovendien de ERK-golven volgden die zich door de planariërs verspreidden, merkten ze dat honderden genen aan en uit werden gezet. Hoewel mensen en planariërs zeer ver verwant zijn, delen we veel van dezelfde genen.

"Dit geeft ons een startpunt voor het volgen van deze genen, waardoor we kunnen achterhalen hoe dieren regenereren en tegelijkertijd het risico op ongecontroleerde kankergroei kunnen beheersen."