Het regeneratieproces
Oorsprong van regeneratiemateriaal
Na amputatie ontwikkelt een aanhangsel dat in staat is tot regeneratie een blastema uit weefsels in de stomp net achter het amputatieniveau (zie foto). Deze weefsels ondergaan drastische veranderingen. Hun cellen, ooit gespecialiseerd in spieren, botten of kraakbeen, verliezen de kenmerken waarmee ze normaal worden geïdentificeerd (dedifferentiatie); ze beginnen dan te migreren naar en zich op te hopen onder de wondepidermis, en vormen een ronde knop (blastema) die uit de stronk puilt. Cellen die zich het dichtst bij de punt van de knop bevinden, blijven zich vermenigvuldigen, terwijl de cellen die zich het dichtst bij de oude weefsels van de stronk bevinden, differentiëren in spieren of kraakbeen, afhankelijk van hun locatie. De ontwikkeling gaat door totdat de uiteindelijke structuren aan de punt van het geregenereerde aanhangsel zijn gedifferentieerd en alle prolifererende cellen in het proces zijn opgebruikt.
ziekte bij de mens: herstel en regeneratie
Door beschadigde of vernietigde cellen te vervangen door gezonde nieuwe cellen, werken de herstel- en regeneratieprocessen om die van een individu te herstellen
De blastema-cellen lijken te differentiëren in dezelfde soort cellen als voorheen, of in nauw verwante typen. Cellen kunnen misschien onder bepaalde voorwaarden van rol veranderen, maar doen dat blijkbaar zelden. Als een blastema van een ledemaat naar de rug van hetzelfde dier wordt getransplanteerd, kan het zijn ontwikkeling tot ledemaat voortzetten. Evenzo zal een staartblastema die elders op het lichaam is getransplanteerd, een staart worden. De cellen van een blastema lijken dus het onuitwisbare stempel te dragen van het aanhangsel waaruit ze zijn geproduceerd en waarin ze bestemd zijn om zich te ontwikkelen. Als een staart blastema wordt getransplanteerd naar de stronk van een ledemaat, zal de structuur die regenereert echter een compositie zijn van de twee aanhangsels.
Polariteit en gradiëntentheorie
Elk levend wezen vertoont polariteit, een voorbeeld hiervan is de differentiatie van een organisme in een hoofd- of voorste deel en een staart- of achterste deel. Regenererende onderdelen zijn geen uitzondering; ze vertonen polariteit door altijd in distale richting te groeien (weg van het hoofdgedeelte van het lichaam). Bij de lagere ongewervelde dieren is het onderscheid tussen proximaal (dichtbij of naar het lichaam) en distaal echter niet altijd duidelijk. Het is bijvoorbeeld niet moeilijk om de polariteit van "stengels" in koloniale hydroïden om te keren. Normaal gesproken zal een stuk van de stengel aan het vrije of distale uiteinde een hoofdeinde of hydranth vormen; als dat echter afgebonden is, regenereert het aan het uiteinde dat oorspronkelijk proximaal was een hydranth. De polariteit in dit systeem wordt blijkbaar bepaald door een activiteitsgradiënt zodanig dat een hydranth regenereert waar de stofwisseling het hoogst is. Zodra een hydranth zich begint te ontwikkelen, remt hij de aanmaak van andere proximalen door de diffusie van een remmende stof naar beneden langs de stengel.
Wanneer planaire platwormen in twee worden gesneden, groeit elk stuk terug naar het uiteinde dat ontbreekt. Cellen in in wezen identieke delen van het lichaam waar de snede is gemaakt, vormen blastemas, die in het ene geval een hoofd en in het andere een staart worden. Wat elke blastema regenereert, hangt volledig af van het feit of het zich op een voorstuk of een achterstuk van platworm bevindt: het echte verschil tussen de twee delen kan worden vastgesteld door metabole differentiëlen. Als een dwarsstuk van een platworm erg dun wordt gesneden - te smal om een effectieve metabole gradiënt op te zetten - kan het twee koppen regenereren, één aan beide uiteinden. Als de metabole activiteit aan het voorste uiteinde van een platworm kunstmatig wordt verminderd door blootstelling aan bepaalde geneesmiddelen, kan het voormalige achterste uiteinde van de worm een hoofd ontwikkelen.
Appendage-regeneratie vormt een ander probleem dan dat van hele organismen. De vin van een vis en de ledemaat van een salamander hebben proximale en distale uiteinden. Door verschillende manipulaties is het echter mogelijk om ze in proximale richting te regenereren. Als een vierkant gat in de vin van een vis wordt gesneden, vindt regeneratie plaats zoals verwacht vanaf de binnenrand, maar kan ook plaatsvinden vanaf de distale rand. In het laatste geval is de regenererende vin eigenlijk een distale structuur, behalve dat deze toevallig in een proximale richting groeit.
Amfibie-ledematen reageren op een vergelijkbare manier. Het is mogelijk om de hand van een salamander op de nabijgelegen lichaamswand te enten, en als er eenmaal voldoende bloedstroom is vastgesteld, om de arm tussen de schouder en de elleboog door te snijden. Hierdoor ontstaan twee stronken, een korte die bestaat uit een deel van de bovenarm en een langere die bestaat uit de rest van de arm die in de verkeerde richting uitsteekt vanaf de zijkant van het dier. Beide stronken regenereren hetzelfde, namelijk alles dat normaal distaal ligt ten opzichte van het amputatieniveau, ongeacht de kant van de stronk. De omgekeerde arm regenereert daarom een spiegelbeeld van zichzelf.
Het is duidelijk dat wanneer een structuur regenereert, deze alleen onderdelen kan produceren die normaal distaal liggen ten opzichte van het amputatieniveau. De deelnemende cellen bevatten informatie die nodig is om alles 'stroomafwaarts' te ontwikkelen, maar kunnen nooit meer proximale structuren worden. Regeneratie vindt, net als de embryonale ontwikkeling, in een bepaalde volgorde plaats.
