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Developmental Biology

Eine Einführung in die Alterung und Regeneration

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Developmental Biology

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JoVE Science Education Developmental Biology

An Introduction to Aging and Regeneration

2.12: Transplantation Studies

2.14: Invertebrate Lifespan Quantification

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09:14 min

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April 30, 2023

Overview

Gewebe werden durch ein Gleichgewicht der Zellalterung und Regeneration beibehalten. Altern bezieht sich auf den allmählichen Verlust der zellulären Funktion und Regeneration ist die Reparatur von beschädigtem Gewebe in der Regel durch bereits vorhandene Erwachsenen oder somatische Stammzellen vermittelt. Wissenschaftler interessieren sich für das Verständnis der biologischen Mechanismen hinter diesen beiden komplexen Prozessen. Auf diese Weise können Forscher möglicherweise verwenden somatische Stammzellen zur Behandlung von degenerativer Krankheiten und Therapien, die die Auswirkungen der Alterung verzögern könnte zu entwickeln.

In diesem Video stellen wir eine kurze Geschichte des Feldes des Alterns und der Regeneration, berühren, auf Beobachtungen im antiken Griechenland, als auch moderne Experimente. Einige der Fragen in diesem Bereich und die bekannte Methoden von Biologen um zu beantworten, werden dann untersucht. Zu guter Letzt schauen wir uns ein paar Experimente, die im heutigen Altern und Regeneration Forschungslabors durchgeführt.

Procedure

Biologen auf dem Gebiet der Hautalterung und Regeneration sollen die Mechanismen dieser beiden komplexe Prozesse zu verstehen, die bei Aufrechterhaltung der Homöostase Gewebe verwickelt sind.

Alterung oder “Seneszenz,” beinhaltet Verschlechterung der Zellmorphologie und Verlust von Funktionen im Laufe der Zeit während der Regeneration auf Ersatz der veralteten oder beschädigten Zellen verweist. Das Gewebe in unserem Körper werden in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Seneszenz und Regeneration beibehalten. Obwohl die meisten unserer Gewebe eine begrenzte Lebensdauer haben, haben einige von ihnen die Fähigkeit, nach einer Verletzung vollständig regenerieren.

Dieses Video wird kurz die Geschichte, die Hervorhebung der wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet, einige wichtige Fragen, die derzeit, einige Tests verwendet wird, um diese Fragen, und ein paar spezifische Laboranwendungen dieser Konzepte untersucht werden.

Vor dem Gespräch über die aktuelle Experimente, werfen wir einen Blick auf einige der wichtigen Entdeckungen in der Geschichte der Alterung und Regeneration Forschung.

Die ersten Beobachtungen der Geweberegeneration ereignete sich um 350 v. Chr., als Aristotle darauf hingewiesen, dass Eidechsen waren in der Lage, ihren Schwänzen zu regenerieren, nachdem sie getrennt worden war.

Im 18. Jahrhundert Geweberegeneration wurde ein heißes Thema der Forschung und drei Wissenschaftler – R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley und Lazzaro Spallanzani-unabhängig bzw. detaillierte Gewebe Regenerierung Studium der Krebse, Hydra und Molche, durchgeführt.

Mainstream-Wissenschaftler interessierte sich weniger in das Phänomen der Regeneration in den nächsten Jahren, aber in den frühen 1900er Jahren Interesse begann zu Ablagerungen im entsprechenden Feld des Alterns. Alexis Carrel, französischer Chirurg und Biologe, vorgeschlagen, dass Zellen in Kultur gezüchtet unsterblich waren und unbegrenzt teilen könnte. Jedoch könnten andere Wissenschaftler seine Ansprüche nicht replizieren.

Im Jahr 1961 Leonard Hayflick und Paul Moorhead gezeigt, dass, entgegen dem Carrel, normale Zellen in Kultur gezüchtet Division für eine begrenzte Anzahl von Zeiten, etwa 40 bis 60, durchlaufen nach dem betreten die Seneszenz-Phase. Dieses Phänomen der begrenzten Zellteilung wurde bekannt als die “Hayflick-Grenze.”

Die ersten Hinweise auf einen Mechanismus für diese Grenze kam im Jahr 1973, als sowjetische Biologe Alexey Olovnikov erkannte, dass die DNA-Replikation-Maschinen nicht vollständig die Enden der Chromosomen, die Telomere genannt replizieren konnte. Er sagte voraus, die Existenz eines Mechanismus zur Länge der Telomere in gesunden und Krebszellen zu erhalten.

Später im Jahr 1984 entdeckt Elizabeth Blackburn, Carol Greider und Jack Szostak, dass dieser Mechanismus ein Enzym namens Telomerase beteiligt. Sie hat gezeigt, dass Telomerase verantwortlich für Zugabe von repetitiven Sequenzen an die 3′-Ende des Chromosoms, ist die DNA-Polymerase die Chromosomenenden vollständig repliziert dann erlauben würde. Blackburn, Greider und Szostak gemeinsam den Nobelpreis für diese Entdeckung im Jahr 2009.

Jetzt, wo wir einige der Entdeckungen im Zusammenhang mit Alterung und Regeneration überprüft haben, schauen Sie sich bitte an ein paar wichtige Fragen, die heute in das Feld gestellt.

Ist eine wichtige Frage untersucht: wie Zellen Altern? Eine vorherrschende Theorie der Zellalterung ist die freie Radikale Theorie genannt. Die Idee ist, dass wenn Zellorganellen Mitochondrien oxidative Atmung durchführen, bekannt als reaktive Sauerstoffspezies oder ROS, Nebenprodukte gebildet werden. Überproduktion von dieser Moleküle induziert oxidativen Stress, der die Funktion der Organellen wie Mitochondrien selbst und dem endoplasmatischen Retikulum, verändert und auch Schäden an der Kern-DNA entstehen. Wissenschaftler sind entdecken die Mechanismen hinter diesen Ereignissen interessiert.

Eine andere Frage, die gestellt wird ist: Was sind die physiologischen und ökologischen Faktoren, die die Lebensdauer eines Organismus? Einige Forscher versuchen, die Auswirkungen von Veränderungen der Umwelt, zum Beispiel kalorische Restriktion auf Lebensdauer eines Organismus zu analysieren. Andere Forscher interessieren sich für die Identifizierung von Genen und biochemische Stoffwechselwege, die den Prozess des Alterns zu regulieren.

Zu guter Letzt versuchen Wissenschaftler auch zu verstehen, wie Gewebe spontane Regeneration nach Verletzung unterziehen. Spezielle Zellen, die sogenannten adulten Stammzellen haben gefunden worden, um in diesem Prozess dienlich sein, und einige Forscher sind neugierig auf die Dynamik dieser Zellen nach Verletzung. Aus klinischer Sicht interessiert Wissenschaftler untersuchen, wie diese Zellen in Therapien für degenerative Erkrankungen eingesetzt werden können.

Nun, da Sie wissen, dass einige der Fragen auf dem Gebiet, betrachten wir verschiedene Recherche-Tools, die Wissenschaftler beschäftigen, um diese Fragen zu beantworten.

Eine der Möglichkeiten, Zellen Alter zu messen ist durch die Bestimmung der Telomer-Länge und Telomerase-Aktivität. Diese beiden Parameter können mittels Polymerase-Kettenreaktion oder PCR gemessen werden.

Wissenschaftler untersuchen auch die etablierten Marker der alternde Zellen, wie β-Galaktosidase. Dies kann erfolgen durch Färbung der Zellen mit biochemischen Tests und unter dem Mikroskop zu beobachten.

Für die Untersuchung der Faktoren, die die Lebensdauer des Organismus, verwenden Wissenschaftler oft Wirbellosen Modellorganismen wie Würmer oder fliegen. Die Vorteile mit diesen Modellen Organismen sind ihre relativ kurzen Generationszeiten und ihre Fähigkeit, in einfachen Labor-Setups angebaut werden. Darüber hinaus können genetische Manipulationen einfach in diesen Organismen durchgeführt werden die Wissenschaftler untersuchen die Rolle der Gene in den Prozess der Alterung und Langlebigkeit zu helfen.

Schließlich kann die Rolle der adulten Stammzellen im Geweberegeneration mit verschiedene Ansätze untersucht werden. Zum Beispiel können Wissenschaftler adulten Stammzellen im Zielgewebe mit speziellen Markern beschriften diese Zellen als Gewebe regeneriert verfolgen können. Manchmal Spritzen Forscher direkt diese multipotenten Stammzellen in das geschädigte Gewebe, ihre Rolle bei der Reparatur nach Verletzung zu studieren.

Da Sie jetzt wissen einige der Methoden auf dem Gebiet des Alterns und Geweberegeneration, schauen Sie sich bitte an ein paar spezifische Anwendungen dieser Methoden.

Der Fadenwurm Caenorhabditis Elegans als Screening-Plattform wurde zur Gen-Mutationen zu identifizieren, die Lebensdauer verlängern kann. Hier, nach Alter Synchronisation mit Hilfe eines zeitgesteuerten Eiablage Protokolls analysierten die Wissenschaftler die Wirkung einer Gen-Mutation auf Lebensdauer eines Organismus.

Um die Mechanismen der Geweberegeneration zu studieren, gibt es viele Modelle, die anfänglichen Verletzung gefolgt von Analyse der regenerative Mechanismen beinhalten. In diesem Beispiel untersuchten Wissenschaftler Geweberegeneration nach Ablation von der Seitenlinie, eine sensorische Schlüsselkomponente des peripheren Nervensystems Zebrafisch.

Wissenschaftler behandelt um Ablation zu induzieren, Fisch mit Gentamicin. Nach dem designierten Wiederherstellungs-Mal wurden die Fische in die lebenswichtigen Fluoreszenzfarbstoff-Lösung gegossen, die neurale Stammzellen Flecken. Diese Zellen befleckt waren dann quantifiziert mit Fluoreszenz-Mikroskopie.

Zu guter Letzt Spritzen Forscher oft adulten Stammzellen zur Reparatur des beschädigten Gewebes induzieren. Hier verwendeten die Wissenschaftler multipotenten Stammzellen zur Regeneration der beschädigten Muskelgewebe zu induzieren. Um das zu tun, erzeugt Wissenschaftler Mausmodelle mit beschädigten Hind Gliedmaßen Muskeln. Dann wurden multipotenten Stammzellen direkt in die beschädigten Muskeln injiziert. Nach Injektion erhielten die Zellen Zeit zu vermehren und zu differenzieren und ihren Beitrag zur funktionalen Verbesserung wurde analysiert.

Sie sah nur Jupiters Einführung in das Feld des Alterns und der Regeneration. Dieses Video historische Höhepunkte des Feldes überprüft, einige wichtigen Fragen gestellt von Biologen, ein paar prominente Assays zur Beantwortung dieser Fragen und aktuelle Experimente um zu verstehen, die Biologie der Seneszenz und Regeneration verwendet wird. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Transcript

Biologists in the field of aging and regeneration aim to understand the mechanisms of these two complex processes that are implicated in maintenance of tissue homeostasis.

Aging, or “senescence,” involves deterioration of cell morphology and loss of functions over time, whereas regeneration refers to replacement of aged or damaged cells. The tissues in our bodies are maintained in a delicate balance between senescence and regeneration. Although most of our tissues have a finite lifespan, some of them do have the capacity to fully regenerate following an injury.

This video will briefly discuss the history, highlighting the key discoveries in the field, some of the important questions that are currently being investigated, some assays being used to answer these questions, and a few specific laboratory applications of these concepts.

Before talking about the current experiments being conducted, let’s take a look at some of the important discoveries in the history of aging and regeneration research.

The first observations of tissue regeneration occurred around 350 B.C., when Aristotle noted that lizards were able to regenerate their tails after they’d been severed.

In the 18th century, tissue regeneration became a hot topic of research, and three scientists – R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley, and Lazzaro Spallanzani-independently carried out detailed tissue regeneration studies in crayfish, hydra, and newts, respectively.

Mainstream scientist became less interested in the regeneration phenomenon over the next century, but in the early 1900s interest started to buildup in the related field of aging. Alexis Carrel, a French surgeon and biologist, suggested that cells grown in culture were immortal and could divide indefinitely. However, other scientists could not replicate his claims.

In 1961, Leonard Hayflick and Paul Moorhead demonstrated that, contrary to what Carrel claimed, normal cells grown in culture undergo division for a finite number of times, about 40 to 60, after which they enter the senescence phase. This phenomenon of limited cell division became known as the “Hayflick limit.”

The first hints of a mechanism for this limit came in 1973, when Soviet biologist Alexey Olovnikov recognized that the DNA replication machinery couldn’t fully replicate the ends of chromosomes, called telomeres. He predicted the existence of a mechanism to maintain telomere length in healthy and cancer cells.

Later in 1984, Elizabeth Blackburn, Carol Greider, and Jack Szostak discovered that this mechanism involved an enzyme called telomerase. They demonstrated that telomerase is responsible for addition of repetitive sequences to the 3′ end of the chromosome, which would then allow DNA polymerase to fully replicate the chromosome ends. Blackburn, Greider, and Szostak shared the Nobel Prize for this discovery in 2009.

Now that we have reviewed some of the discoveries related to aging and regeneration, let’s look at a few key questions being asked in the field today.

One important question being investigated is: how do cells age? A prevailing theory of cell aging is called the Free Radical Theory. The idea is that, when cell organelles called mitochondria carry out oxidative respiration, byproducts known as reactive oxygen species, or ROS, are formed. Overproduction of these molecules induces oxidative stress, which alters the function of organelles, such as the mitochondria themselves and the endoplasmic reticulum, and can also cause damage to the nuclear DNA. Scientists are interested in discovering the mechanisms behind these occurrences.

Another question that’s being asked is: what are the physiological and environmental factors affecting an organism’s lifespan? Some researchers seek to analyze the effects of environmental changes, for example caloric restriction, on an organism’s lifespan. Other researchers are interested in identifying genes and biochemical pathways that regulate the process of aging.

Finally, scientists are also trying to understand how tissues undergo spontaneous regeneration following injury. Special cells known as adult stem cells have been found to be instrumental in this process, and some researchers are curious about the dynamics of these cells following injury. From a clinical perspective, scientists are interested in investigating how these cells can be employed in therapies for degenerative disorders.

Now that you know some of the questions being asked in the field, let’s look at different research tools that scientists employ to answer these questions.

One of the ways to measure cells’ age is by determining the telomere length and telomerase activity. Both these parameters can be measured using polymerase chain reaction, or PCR.

Scientists also examine the established markers of senescent cells, like β-galactosidase. This can be done by staining the cells using biochemical assays and observing them under the microscope.

For examining the factors affecting organism’s lifespan, scientists often use invertebrate model organisms, such as worms or flies. The advantages with these models organisms are their relatively short generation times, and their ability to be grown in simple laboratory setups. In addition, genetic manipulations can be easily performed in these organisms, which help scientists to examine the roles of genes in the process of aging and longevity.

Finally, the role of adult stem cells in tissue regeneration can be studied using several approaches. For example, scientists can label adult stem cells in the target tissue with specific markers, which enable them to trace these cells as tissue regenerates. Sometimes, researchers directly inject these multipotent stem cells into the damaged tissue to study their role in repair following injury.

Since you now know some of the methods used in the field of aging and tissue regeneration, let’s look at a few specific applications of these methods.

The roundworm Caenorhabditis elegans has been used as a screening platform to identify gene mutations that can prolong lifespan. Here, after age synchronization with the help of a timed egg-laying protocol, scientists analyzed the effect of a gene mutation on an organism’s lifespan.

To study the mechanisms of tissue regeneration, many models are available that involve initial injury followed by analysis of regenerative mechanisms. In this example, scientists examined tissue regeneration following ablation of the lateral line, a key sensory component of the zebrafish peripheral nervous system.

In order to induce ablation, scientists treated fish with gentamicin. After the designated recovery time, the fish were poured into the fluorescent vital dye solution, which stains the neural stem cells. These stained cells were then quantified using fluorescence microscopy.

Lastly, researchers often inject adult stem cells to induce repair of damaged tissue. Here, scientists used multipotent stem cells to induce regeneration of damaged muscle tissues. In order to do that, scientists generated mouse models with damaged hind limb muscles. Then, multipotent stem cells were injected directly into the damaged muscles. Following injection, the cells were given time to proliferate and differentiate, and their contribution to functional amelioration was analyzed.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the field of aging and regeneration. This video reviewed historical highlights of the field, some key questions being asked by biologists, a few prominent assays being used to answer those questions, and current experiments being conducted to understand the biology of senescence and regeneration. As always, thanks for watching!

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