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指尖上的秘密:再生之路仍遙遠

2013年06月28日10:00        手機看新聞

不得不承認,作為高等動物的人類,有時總會羨慕一些低等生物才具備的能力,比如再生。蜥蜴斷尾可以再生、蠑螈斷肢可以再生,但這些能力也許在人類的進化之路上逐漸丟失了。不過,有一群科學家,執著地為人類尋找著追回這種能力的方法,不放棄哪怕一絲一毫的線索……

在美國紐約大學醫學中心的教授伊藤真由美(Mayumi Ito)的實驗室中,幾隻小鼠伸著后腿的腳趾,讓研究人員不斷地擺弄著,剪了趾甲又長起來,甚至會被切掉一部分腳趾尖,接著又再長起來。

就在這個過程中,伊藤真由美和她的同事們找到了長出堅硬的趾甲以及相應的軟組織的一群干細胞,以及為趾甲再生提供生長信號的蛋白質家族。她們的研究成果發表在了6月12日的《自然》雜志上。

指尖的線索

實際上,並非隻有小鼠才有這樣的功能,人類在進化過程中,並沒有把低等祖先的基因完全丟失,也保留了一部分肢體再生能力,不過,也僅限於指尖。

伊藤實驗室的研究生孫奇(Qi Sun)通過電子郵件向《中國科學報》記者描述,人類的手指或腳趾末端(指甲以上的部分)有再生的能力。“我們很想知道為什麼指甲可以再生,而指甲再生與肢體再生能否找到其中的聯系。”

於是,伊藤帶領著她的同事從小鼠的趾甲入手,尋找哺乳動物殘存的再生能力。她們在小鼠趾甲的基質中找到了能夠自我更新的干細胞。指(趾)甲基質屬於甲床(指甲或是趾甲覆蓋的那塊皮膚)的一部分。

這些干細胞是如何再生的?孫奇說:“這是我們找到了這些干細胞后提出的第二個問題。我們假定這些甲干細胞和它們的后代,或者只是它們的后代在指尖的再生過程中起著關鍵的作用。”

而它們又是通過怎樣的信號途徑在指尖的再生過程中合作?在這個問題的引導下,一種新的物質出現在實驗室研究人員的視野中——Wnt信號通路,這是從甲干細胞的直接后代中找到的,這條信號通路是由一個蛋白質家族建立起來的,再生的信號通過這條途徑傳遞,啟動了指尖斷肢的再生程序,讓指甲和骨頭重新生長。

為了証實他們的發現,那些被斷趾的小鼠還被進行了一項基因工程方面的改造,伊藤小組即將Wnt信號通路阻斷,這些小鼠的斷趾便再也無法得到修復。

肢體再生的線索

伊藤告訴《中國科學報》記者:“這項研究將應用於指尖再生以及指甲方面的疾病的進一步研究。這也將為促進肢體再生的研究提供新的線索。”

實際上,其他的研究人員在不斷探索中也在兩棲動物的身上找到了類似的信號通路,蠑螈能夠再生四肢,也需要這樣的通路。但是,目前的難點在於,與某一種組織或者器官的再生不同的是,肢體的再生是聯合再生,並不是單一的一種組織或器官,而是多個組織或器官協同生長,包括骨骼、肌肉、皮膚、血管、神經等。

中國科學院北京基因組所教授甄二真告訴《中國科學報》記者:“肢體的再生是一個很復雜的過程,不是某一個組織或器官能夠獨立完成的。比如神經在肌肉中是如何分布的,與肌肉是如何協調的﹔它們是如何發育、發生關系,又是如何從幼稚狀態到成熟狀態﹔它們之間是如何通訊、協作的。這些問題對於我們來說目前還知之甚少。”

北京大學工學院生物醫學工程系特聘研究員陳海峰也認為,利用干細胞培育組織、器官或者是更加復雜的肢體,並不是簡單地將細胞組合起來的過程。他告訴《中國科學報》的記者:“在這個過程中,還需要基質。組織並不是一個單一的細胞結合體,除了細胞以外,還有細胞外基質。所謂的基質實際上就是細胞生長所需要的環境,包含很多的蛋白與生產因子,它們所起到的作用就是支撐與信號。簡單來說,就是這些基質要告訴細胞現在所處的是什麼環境,比如是心臟還是骨骼,從而調控細胞生長成為那一部分的組織。”

因此,陳海峰表示,即使我們找到了能夠再生的干細胞,也要擁有支配這種干細胞如何生長的能力,才有可能進一步發展出再生技術。

伊藤表示,聯合再生是目前再生醫學所面臨的一個巨大的困難,況且,在哺乳動物中科學家並沒有找到聯合再生的現實例子。

陳海峰也坦言,雖然很多研究人員對蠑螈等兩棲動物具備這種聯合再生的能力的研究有了一些進展,但兩棲動物與哺乳動物之間的差別很大,能否成為研究人體肢體再生的借鑒還很難說。

再生醫學路途遙遠

據陳海峰介紹,再生醫學最早是從組織工程學延伸發展起來的。

“組織工程學”這個概念是在上世紀80年代由美籍華裔科學家馮元楨提出的,基本的原理是從機體獲取少量活組織的功能細胞,與可降解或吸收的三維支架材料按一定比例混合,植入人體內病損部位,最后形成所需要的組織混器官,以達到創傷修復和功能重建的目的。

經過21世紀初期一個過熱的宣傳期,國內甚至成立了很多希望利用這門學科盡快贏利的公司。“但是,從科學概念的理想到臨床實踐需要很長時間。”陳海峰說,因此,很多公司相繼倒閉,也讓組織工程學的研究冷靜了下來。

之后,干細胞的發展特別是成體干細胞以及成體細胞獲得多能性等研究的發展,再次點燃了器官再生研究的熱情。此時所提出的再生醫學的概念比組織工程學的更加廣泛,組織工程學更多指的是利用組織材料置換人體器官,而再生醫學可以說涵蓋了一切可以恢復、修復或替代人體器官的技術手段。

甄二真告訴記者,目前,再生醫學研究的三個主要的方向是:組織細胞再生、肝臟細胞再生以及干細胞的研究。

“組織細胞再生實際上就是原組織的剩余細胞的增生。我們已知肝臟損傷后,剩余肝細胞可以繼續分裂、繁殖、補充失去的細胞,這一過程實際上是同一組織中其他種類細胞的轉化,比如肝細胞的支持細胞轉化成為其他功能的肝細胞。而隨著技術的發展,我們又發現,除胚胎干細胞和原始干細胞之外,不同的組織都有可以繼續分化的干細胞或者前體細胞(能進一步分化發育成為成熟細胞的細胞群),這就是細胞的分化。”甄二真說。

目前來說,原有組織細胞的增生是比較傳統的也是研究比較多的方向,這條道路的阻力也相對小一些。在甄二真看來,這是因為細胞是有記憶的,它會記住原來細胞的多樣性、功能多樣性,但前提是必須要有足夠的剩余細胞。而轉化研究相對較少,是因為對於一種細胞轉化成為另一種細胞我們知之甚少。

“現在的研究,還寄希望於干細胞,也就是細胞的分化,可以分為胚胎干細胞和前體細胞兩種。”甄二真說,“雖然我們對干細胞知識的積累越來越多,但面臨的問題也很多。前體細胞不算是真正意義上的干細胞,不同組織都有自己的前體細胞。我們現在已經有技術能夠將前體細胞分離出來,但是這些前體細胞沒有原來細胞的記憶,比如肝臟中有多少膽管細胞、多少支持細胞、多少肝細胞,這都是我們所不知的。”

因此,對於干細胞的分化、細胞之間的轉化研究還是落后於原有細胞增生的研究。甄二真說,紐約大學研究的這種干細胞也不算真正意義上的干細胞,實際上也是一種前體細胞。讓這種細胞再分化成為完整的肢體,還有一條很長的路要走。(馬佳)

來源:《中國科學報》

(責編:席旭(實習)、趙竹青)

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