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科学家正在寻找“器官再生”的钥匙

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点击次数:  更新时间:2017-04-11  【打印此页

设想一只蝾螈和一个老鼠同时在事故中丢失了肢端。蝾螈会微笑面对事故和损伤,缅因州巴尔港杰克逊实验室的免疫学家和再生生物学家James Godwin说,但对老鼠来说,就是一个灾难了。

长期以来,研究人员都致力于研究蝾螈的分化轨迹,看能否适用于老鼠甚至是人类的再生。这需要识别动物再生过程中分子通路和细胞分化的过程,以理解斑马鱼、蜥蜴和一些啮齿类动物如何实现从四肢再生到器官再生。这样未来有望某天可以通过插入或激活人体内的再生通道帮助人类实现再生。

这是一个令人神往的预期,蝾螈可以如此完美地重建损伤的组织,以至于我们无法分辨这是再生的,维也纳分子病理研究中心再生生物学家Elly Tanaka说,如果人类可以向蝾螈一样实现再生,难道不是很有趣吗?(刘沐芸 编译)

人类再生的开关被关闭了?

动物在损伤发生时不得不面临一个选择,通过形成疤痕组织快速愈合还是选择缓慢的再生但有感染的风险呢?通常,哺乳动物会选择一种快速的愈合模式,而向蝾螈、鱼类、蜥蜴等脊椎动物会选择第二种沉潜再生。如果哺乳动物是以疤痕形成取代了再生过程,那它们一定还是有再生的分子和细胞通路,只是暂时沉睡了。

我们只需要将人类再生的开关打开。亚利桑那州立大学再生生物学家Kenro Kusumi说。人类在发育的早期有限的再生功能提示,哺乳动物的体内存在再生的基因程序,只是在发育的过程中被关闭了。

以心脏为例。当一个成年人心脏病发作时,数百万的心肌细胞凋亡并在损伤部位形成疤痕。如果凋亡的心肌细胞无法再生或修复的话,心脏功能会越来越弱甚至会发展为心衰。但研究发现,新生的老鼠具有心肌再生的能力。如果剪下出生一天的老鼠的心室组织,Godwin说,损伤的心脏会自己修复,也不会形成疤痕。但对第七天的老鼠做同样的试验时,这种能力消失了。

一项个案报道,一个刚出生的婴儿心脏病发作,但在一年后的检查中没有发现疤痕组织。当然,这只是个案,且在人类开展类似前述老鼠的研究在伦理上不具有正当性。

再生所需的不同零件是如何组装的?

要在人体中实现再生,研究者先要弄清楚动物中开启再生的开关。Tanaka20年都致力于研究两栖动物。蝾螈为我们提供了再生的工作说明书,”Tanaka解释,如何将再生所需的不同零件进行组装。

自然界中还有斑马鱼可以再生心脏,而有些学者倾向于研究可以再生尾巴的蜥蜴。尽管从基因水平来讲,蜥蜴比蝾螈和斑马鱼更接近人类,但蜥蜴再生的尾巴中只有软骨而没有骨的再生。

受益于不同小组的研究努力,研究者在不同种动物的器官中构建了与再生相关的关键步骤,包括斑马鱼的心脏再生、蝾螈的四肢再生、哺乳动物的肝脏再生。尽管有些学说还存在争议,但大多数科学家认同再生是去分化的过程。当截肢或损伤发生时,成人体内的成纤维细胞和肌细胞会受到损伤信号的驱使向类胚胎干细胞的状态分化,这些体细胞呈现逆生长。去分化启动后,皮肤上皮细胞会向损失部位迁移,形成表皮封住伤口,损伤处的细胞产生表皮突脊,并发出去分化信号吸引细胞的迁入。很快,受到去分化信号驱使的细胞开始分裂产生再生芽基,形成新的肢体或长出新的器官。目前,科学家已经识别出部分信号通路并实现对再生过程中的基因和蛋白的调控。下一步是,将这些与再生相关的基因放到试验啮齿动物上测试。虽然在人的身上实现再生调控还有很长的路要走,但在试验动物体内模拟再生有望在近几年内实现。

不到0.2%的哺乳动物具有再生能力

但通过啮齿动物模拟人类再生,可能还是无法实现人类再生的梦想。因为毕竟人类和其他动物毕竟不同。德州学院站中的A&M大学的再生生物学家Ken Muneoka坚持这个观点。蝾螈再生四肢主要都是软骨再生,但人类的四肢包含骨骼。任何哺乳动物中的再生必须涉及大量骨骼的再生。

自断肢体是啮齿类动物进化过程中获得一种自救机制,新晋发育生物学家Ashley Seifert研究发现,老鼠再生和蝾螈再生是类似的机制,这也提示哺乳动物也具有类似蝾螈再生的分子通路。现在地球上大约了5300中哺乳动物,但只有不到0.2%的哺乳动物中观察到再生能力。”Seifert说。

要实现人类软骨或其他附件的再生,可能还要数十年或更久,当科学家预期,打开人类体内掌控再生能力的开关却很快可以实现。Muneoka在大鼠模型的研究为我们打开人类再生开关提供了线索。日常观察发现,小孩的指端受伤后可以再生,而指端再生包括有骨骼、肉、指甲等。但这种再生能力随着年龄的增长而减弱,目前这个指端再生的机制还不清楚。有假设说,由于指端在四肢的功能进化中承担了关键功能,指甲损伤后会形成一个可依诱导再生的微环境。

 

 

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