Unter Regeneration bei Tieren versteht man die Fähigkeit bestimmter Organismen, ein oder mehrere amputierte Organe oder Gliedmaßen wiederherzustellen. Dieses komplexe biologische Phänomen beruht auf fein regulierten zellulären und molekularen Prozessen, die biochemische und mechanische Wechselwirkungen integrieren. Aus physikalischer Sicht beinhaltet die Regeneration eine dynamische Orchestrierung elektrischer, chemischer und mechanischer Signale, die embryonale Entwicklungsprogramme reaktivieren.
Unmittelbar nach der Amputation kommt es zu einer lokalen Entzündungsreaktion, gefolgt von der Bildung eines Blastems: einer Masse undifferenzierter Zellen mit starker Proliferationsfähigkeit. Diese Zellen entstehen oft durch die Dedifferenzierung benachbarter reifer Zellen, ein Prozess, der ihren epigenetischen Zustand zurücksetzt. Auf physikalischer Ebene beinhaltet dieser Schritt die Modulation des Zellmembranpotentials und die Erzeugung eines bioelektrischen elektrischen Gradienten zwischen verletztem und gesundem Gewebe, der für die Zellrichtung und das Zellwachstum entscheidend ist.
Die Signalübertragung über Wachstumsfaktoren (FGF, Wnt, BMP, Notch) löst intrazelluläre Kaskaden aus, die die Genexpression regulieren. Gleichzeitig steuern die mechanischen Zwänge, die die extrazelluläre Mikroumgebung auf das Gewebe ausübt, die Migration und Organisation von Blastemzellen. Der Umbau der extrazellulären Matrix, der mit lokalen Variationen der Gewebesteifigkeit einhergeht, ist ein wichtiger physikalischer Parameter, der die Morphogenese der neuen Struktur steuert.
Unter dem Einfluss biochemischer und mechanischer Signale vermehren sich Blastemzellen und differenzieren sich dann in bestimmte Zelltypen (Muskeln, Knochen, Nerven, Haut). Dieser Schritt beruht auf einer feinen Synchronisierung der Zellzyklen und auf der Fähigkeit der Zellen, mechanische Signale über Mechanorezeptoren wie Integrine zu interpretieren. Die Wechselwirkung zwischen mechanischen Kräften und chemischen Signalen kann mithilfe der Mechanik kontinuierlicher Medien und der Biophysik von Zellmembranen modelliert werden.
Bestimmte Tiere wie Salamander oder Stachelhäuter (Seesterne, Seeigel usw.) verfügen über bemerkenswerte Regenerationsfähigkeiten, während Säugetiere über begrenzte Fähigkeiten verfügen, die oft auf die Heilung beschränkt sind.
| Art / Gruppe | Regenerationsfähigkeit | Zelluläre Mechanismen | Rolle elektrischer Signale |
|---|---|---|---|
| Salamander (Ambystoma sp.) | Vollständiges Nachwachsen von Gliedmaßen, Schwanz und Augen | Blastem, das durch zelluläre Dedifferenzierung entsteht | Bioelektrischer elektrischer Gradient steuert die Blastembildung |
| Axolotl (Ambystoma mexicanum) | Vollständige Regeneration einschließlich der inneren Organe | Durch Wachstumsfaktoren aktivierte Vorläuferzellen | Das elektrische Membranpotential wird während der Regeneration moduliert |
| Stachelhäuter (Seesterne, Seeigel) | Nachwachsen der Arme, Regeneration des Nervengewebes | Stammzellproliferation | Mit Wachstum verbundene elektrische Schwingungen |
| Planarien (Plattwürmer) | Nahezu vollständige Regeneration des gesamten Körpers | Reichliche Population pluripotenter Stammzellen (Neoblasten) | Bioelektrische Potentiale modulieren die Körperpolarität |
| Krebstiere (z. B. Krabben) | Nachwachsen von Krallen und amputierten Beinen | Lokale Aktivierung von Vorläuferzellen in der Epidermis | Elektrische Signalübertragung weniger untersucht, aber vorhanden |
| Fisch (z. B. Zebrafisch) | Regeneration der Flossen, Teil des Herzens | Aktivierung von Vorläuferzellen und zelluläre Dedifferenzierung | Elektrische Potentiale, die die Zellproliferation beeinflussen |
| Säugetiere (z. B. Mäuse) | Begrenzte Reparatur, mehr Heilung als Regeneration | Aktivierung von Vorläuferzellen, aber geringe Plastizität | Schwache, unbeteiligte elektrische Signale |