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美科研人员成功使青蛙断肢再生
2022-01-27
    【据美国科学日报网站2022年1月26日报道】对于数百万因糖尿病和创伤等原因失去肢体的患者来说,通过自然再生肢体并恢复功能仍然是遥不可及的梦想,四肢的再生仍然是蝾螈和神话中超级英雄的专属领域。但是《科学进展》杂志1月26日发表的一项研究中,塔夫茨大学和哈佛大学怀斯研究所的科学家们让我们离再生医学的目标更近了一步。

    在靠自然条件无法再生肢体的成年青蛙身上,研究人员使用一种五种药物的混合物触发了断肢的再生,这种混合物被应用在一个可佩戴生物反应器硅树脂圆顶中,密封断肢断面24小时。这种简单的治疗手段即启动了18个月的断肢再生期,最终使青蛙恢复了一条具有生物功能的腿。

    许多生物至少有部分肢体能够完全再生,包括蝾螈、海星、螃蟹和蜥蜴,扁虫甚至可以被切成碎片,每一片都能重建一个完整的有机体。人类能够用新的组织生长来愈合伤口,人类的肝脏在被切除不高于50%后,也具有显著的、几乎类似扁虫的再生能力。

    但是,人类或哺乳动物体内任何自然的再生过程,都无法恢复一个庞大且结构复杂的四肢。事实上,人类倾向于用无定形瘢痕组织块覆盖重大损伤,保护其免受进一步失血和感染,并防止伤口继续扩大。

强制启动再生


    塔夫茨大学的研究人员在非洲爪蛙身上触发了再生过程,将伤口包裹在一个硅胶帽里,他们称之为“生物圆顶”(BioDome),里面含有一种丝蛋白凝胶,里面装有五种药物的混合物。

    每种药物都有不同的作用,包括抑制炎症,抑制会导致瘢痕形成的胶原蛋白的产生,以及促进神经纤维、血管和肌肉的新生长。这种组合生物反应器可提供局部再生环境和信号,防止上皮细胞覆盖断面,使生物组织减缓自然愈合,并向再生过程倾斜。

    研究人员观察到,许多接受治疗的青蛙,生物组织急剧生长,重新生长了一条几乎完全正常的腿。新肢体的骨结构延伸,其特征类似于天然肢体的骨结构,内部组织(包括神经元)的补充更丰富,并且从肢体末端长出几个“脚趾”,尽管没有内层骨架的支持。

    再生的肢体可以移动,并对刺激做出反应,比如来自坚硬纤维的触摸,青蛙能够利用它在水中游泳,移动方式与正常的青蛙十分相似。

    “看到我们选择的药物帮助创造了一个几乎完整的肢体,这是令人兴奋的,”尼罗沙•穆鲁根说,他是塔夫茨艾伦探索中心研究人员,也是这篇论文的第一作者。“只需短暂接触药物,就能启动长达数月的再生过程,这一事实表明,青蛙以及或许其他动物可能具有休眠的再生能力,这种能力可以被触发。”

    研究人员探索了短暂干预可能导致长期增长的机制。在治疗后的最初几天内,他们检测到已知分子途径的激活,这些途径通常用于发育中的胚胎,以帮助身体成形。

    这些途径的激活可以使生长和组织组织的负担由肢体本身来处理,类似于它在胚胎中发生的方式,而不需要在肢体生长所需的多个月内进行持续的治疗干预。

生物圆顶是如何工作的


    自然能够再生的动物大多生活在水生环境中。肢体缺失后的第一个生长阶段是在残肢末端形成一团干细胞,称为囊胚,用于逐步重建缺失的身体部分。在受伤后的前24小时内,伤口会迅速被上皮细胞覆盖,保护下方的重建组织。

    “哺乳动物和其他再生动物的伤口通常会暴露在空气中或与地面接触,它们可能需要几天到几周的时间才能愈合疤痕组织”,塔夫茨大学教授、该研究的合著者大卫•卡普兰(David Kaplan)说。“在最初的24小时内使用“生物圆顶”帽有助于模拟类似羊膜的环境,这种环境加上合适的药物,可以使重建过程在不受瘢痕组织干扰的情况下进行。”

青蛙和哺乳动物再生研究的下一步


    塔夫茨大学研究团队的前期工作显示,使用“生物圆顶”帽时,单一药物孕酮会显著促进肢体生长。然而,利用这种药物最终形成的肢体呈尖刺状,与当前研究中获得的形状更正常、功能更强的肢体相去甚远。

    这种五种药物的混合物的发现,代表了使青蛙四肢恢复全功能研究取得了重要里程碑,并表明对药物和生长因子组合的进一步探索,可能会促使功能更加完整的四肢重新生长,并具备正常的手指、蹼和更精细的骨骼和肌肉特征。

    “我们接下来将测试这种治疗方法如何应用于哺乳动物,”论文通信作者迈克尔•莱文说,他是艺术与科学学院生物学教授,塔夫茨艾伦探索中心主任、威斯研究所副教授。

    迈克尔•莱文表示,在BioDome下用液体环境覆盖开放创口,用合适的药物混合物,可以提供断口再生所必需的最初信号,从而启动再生过程。“这是一种专注于触发休眠的、固有的解剖模式化程序的策略,而不是对复杂的生长进行微观管理,因为成年动物仍然拥有制造其身体结构所需的信息。”(中国船舶信息中心 丁宏)

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