Un'introduzione all'invecchiamento e alla rigenerazione

I biologi nel campo dell'invecchiamento e della rigenerazione mirano a comprendere i meccanismi di questi due complessi processi che sono implicati nel mantenimento dell'omeostasi tissutale.

L'invecchiamento, o "senescenza", comporta il deterioramento della morfologia cellulare e la perdita di funzioni nel tempo, mentre la rigenerazione si riferisce alla sostituzione di cellule invecchiate o danneggiate. I tessuti del nostro corpo sono mantenuti in un delicato equilibrio tra senescenza e rigenerazione. Sebbene la maggior parte dei nostri tessuti abbia una durata di vita finita, alcuni di essi hanno la capacità di rigenerarsi completamente a seguito di un infortunio.

Questo video discuterà brevemente la storia, evidenziando le scoperte chiave sul campo, alcune delle domande importanti che sono attualmente in fase di indagine, alcuni saggi utilizzati per rispondere a queste domande e alcune applicazioni di laboratorio specifiche di questi concetti.

Prima di parlare degli attuali esperimenti condotti, diamo un'occhiata ad alcune delle importanti scoperte nella storia della ricerca sull'invecchiamento e la rigenerazione.

Le prime osservazioni di rigenerazione dei tessuti avvennero intorno al 350 .C.B., quando Aristotele notò che le lucertole erano in grado di rigenerare la coda dopo essere state recise.

Nel 18 ° secolo, la rigenerazione dei tessuti divenne un argomento caldo di ricerca, e tre scienziati - R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley e Lazzaro Spallanzani - effettuarono indipendentemente studi dettagliati di rigenerazione dei tessuti in gamberi, idra e tritoni, rispettivamente.

Lo scienziato mainstream divenne meno interessato al fenomeno della rigenerazione nel corso del secolo successivo, ma nei primi anni del 1900 l'interesse iniziò ad accumularsi nel campo correlato dell'invecchiamento. Alexis Carrel, un chirurgo e biologo francese, ha suggerito che le cellule cresciute in coltura erano immortali e potevano dividersi indefinitamente. Tuttavia, altri scienziati non hanno potuto replicare le sue affermazioni.

Nel 1961, Leonard Hayflick e Paul Moorhead dimostrarono che, contrariamente a quanto sosteneva Carrel, le cellule normali cresciute in coltura subiscono la divisione per un numero finito di volte, circa 40-60, dopo di che entrano nella fase di senescenza. Questo fenomeno di divisione cellulare limitata divenne noto come il "limite di Hayflick".

I primi indizi di un meccanismo per questo limite arrivarono nel 1973, quando il biologo sovietico Alexey Olovnikov riconobbe che il meccanismo di replicazione del DNA non poteva replicare completamente le estremità dei cromosomi, chiamati telomeri. Ha predetto l'esistenza di un meccanismo per mantenere la lunghezza dei telomeri nelle cellule sane e tumorali.

Più tardi, nel 1984, Elizabeth Blackburn, Carol Greider e Jack Szostak scoprirono che questo meccanismo coinvolgeva un enzima chiamato telomerasi. Hanno dimostrato che la telomerasi è responsabile dell'aggiunta di sequenze ripetitive all'estremità 3' del cromosoma, che consentirebbe quindi alla DNA polimerasi di replicare completamente le estremità cromosomiche. Blackburn, Greider e Szostak hanno condiviso il premio Nobel per questa scoperta nel 2009.

Ora che abbiamo esaminato alcune delle scoperte relative all'invecchiamento e alla rigenerazione, diamo un'occhiata ad alcune domande chiave che vengono poste sul campo oggi.

Una domanda importante che viene studiata è: come invecchiano le cellule? Una teoria prevalente dell'invecchiamento cellulare è chiamata teoria dei radicali liberi. L'idea è che, quando gli organelli cellulari chiamati mitocondri effettuano la respirazione ossidativa, si formano sottoprodotti noti come specie reattive dell'ossigeno o ROS. La sovrapproduzione di queste molecole induce stress ossidativo, che altera la funzione degli organelli, come i mitocondri stessi e il reticolo endoplasmatico, e può anche causare danni al DNA nucleare. Gli scienziati sono interessati a scoprire i meccanismi alla base di questi eventi.

Un'altra domanda che viene posta è: quali sono i fattori fisiologici e ambientali che influenzano la durata della vita di un organismo? Alcuni ricercatori cercano di analizzare gli effetti dei cambiamenti ambientali, ad esempio la restrizione calorica, sulla durata della vita di un organismo. Altri ricercatori sono interessati a identificare geni e percorsi biochimici che regolano il processo di invecchiamento.

Infine, gli scienziati stanno anche cercando di capire come i tessuti subiscono una rigenerazione spontanea a seguito di lesioni. Cellule speciali conosciute come cellule staminali adulte sono state trovate strumentali in questo processo, e alcuni ricercatori sono curiosi di conoscere la dinamica di queste cellule a seguito di lesioni. Da un punto di vista clinico, gli scienziati sono interessati a studiare come queste cellule possono essere impiegate nelle terapie per i disturbi degenerativi.

Ora che conosci alcune delle domande che vengono poste sul campo, diamo un'occhiata a diversi strumenti di ricerca che gli scienziati impiegano per rispondere a queste domande.

Uno dei modi per misurare l'età delle cellule è determinare la lunghezza dei telomeri e l'attività della telomerasi. Entrambi questi parametri possono essere misurati utilizzando la reazione a catena della polimerasi o PCR.

Gli scienziati esaminano anche i marcatori stabiliti delle cellule senescenti, come la β-galattosidasi. Questo può essere fatto colorando le cellule usando saggi biochimici e osservandole al microscopio.

Per esaminare i fattori che influenzano la durata della vita dell'organismo, gli scienziati usano spesso organismi modello di invertebrati, come vermi o mosche. I vantaggi di questi modelli di organismi sono i loro tempi di generazione relativamente brevi e la loro capacità di essere coltivati in semplici configurazioni di laboratorio. Inoltre, le manipolazioni genetiche possono essere facilmente eseguite in questi organismi, che aiutano gli scienziati a esaminare i ruoli dei geni nel processo di invecchiamento e longevità.

Infine, il ruolo delle cellule staminali adulte nella rigenerazione dei tessuti può essere studiato utilizzando diversi approcci. Ad esempio, gli scienziati possono etichettare le cellule staminali adulte nel tessuto bersaglio con marcatori specifici, che consentono loro di tracciare queste cellule mentre il tessuto si rigenera. A volte, i ricercatori iniettano direttamente queste cellule staminali multipotenti nel tessuto danneggiato per studiare il loro ruolo nella riparazione dopo la lesione.

Poiché ora conosci alcuni dei metodi utilizzati nel campo dell'invecchiamento e della rigenerazione dei tessuti, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni specifiche di questi metodi.

Il nematode Caenorhabditis elegans è stato utilizzato come piattaforma di screening per identificare mutazioni geniche che possono prolungare la durata della vita. Qui, dopo la sincronizzazione dell'età con l'aiuto di un protocollo di deposizione delle uova a tempo, gli scienziati hanno analizzato l'effetto di una mutazione genetica sulla durata della vita di un organismo.

Per studiare i meccanismi di rigenerazione dei tessuti, sono disponibili molti modelli che comportano lesioni iniziali seguite dall'analisi dei meccanismi rigenerativi. In questo esempio, gli scienziati hanno esaminato la rigenerazione dei tessuti dopo l'ablazione della linea laterale, un componente sensoriale chiave del sistema nervoso periferico del pesce zebra.

Al fine di indurre l'ablazione, gli scienziati hanno trattato i pesci con gentamicina. Dopo il tempo di recupero designato, i pesci sono stati versati nella soluzione di colorante vitale fluorescente, che macchia le cellule staminali neurali. Queste cellule colorate sono state poi quantificate utilizzando la microscopia a fluorescenza.

Infine, i ricercatori spesso iniettano cellule staminali adulte per indurre la riparazione del tessuto danneggiato. Qui, gli scienziati hanno utilizzato cellule staminali multipotenti per indurre la rigenerazione dei tessuti muscolari danneggiati. Per fare ciò, gli scienziati hanno generato modelli murini con muscoli degli arti posteriori danneggiati. Quindi, le cellule staminali multipotenti sono state iniettate direttamente nei muscoli danneggiati. Dopo l'iniezione, alle cellule è stato dato il tempo di proliferare e differenziarsi e il loro contributo al miglioramento funzionale è stato analizzato.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al campo dell'invecchiamento e della rigenerazione. Questo video ha esaminato i punti salienti storici del campo, alcune domande chiave poste dai biologi, alcuni saggi importanti utilizzati per rispondere a tali domande e gli esperimenti in corso condotti per comprendere la biologia della senescenza e della rigenerazione. Come sempre, grazie per aver guardato!