美科研人員成功使青蛙斷肢再生
軍工資源網 2022年01月28日
【據美國科學日報網站2022年1月26日報道】對于數百萬因糖尿病和創傷等原因失去肢體的患者來說，通過自然再生肢體并恢復功能仍然是遙不可及的夢想，四肢的再生仍然是蠑螈和神話中超級英雄的專屬領域。但是《科學進展》雜志1月26日發表的一項研究中，塔夫茨大學和哈佛大學懷斯研究所的科學家們讓我們離再生醫學的目標更近了一步。
在靠自然條件無法再生肢體的成年青蛙身上，研究人員使用一種五種藥物的混合物觸發了斷肢的再生，這種混合物被應用在一個可佩戴生物反應器硅樹脂圓頂中，密封斷肢斷面24小時。這種簡單的治療手段即啟動了18個月的斷肢再生期，最終使青蛙恢復了一條具有生物功能的腿。
許多生物至少有部分肢體能夠完全再生，包括蠑螈、海星、螃蟹和蜥蜴，扁蟲甚至可以被切成碎片，每一片都能重建一個完整的有機體。人類能夠用新的組織生長來愈合傷口，人類的肝臟在被切除不高于50%后，也具有顯著的、幾乎類似扁蟲的再生能力。
但是，人類或哺乳動物體內任何自然的再生過程，都無法恢復一個龐大且結構復雜的四肢。事實上，人類傾向于用無定形瘢痕組織塊覆蓋重大損傷，保護其免受進一步失血和感染，并防止傷口繼續擴大。
強制啟動再生
塔夫茨大學的研究人員在非洲爪蛙身上觸發了再生過程，將傷口包裹在一個硅膠帽里，他們稱之為“生物圓頂”（BioDome），里面含有一種絲蛋白凝膠，里面裝有五種藥物的混合物。
每種藥物都有不同的作用，包括抑制炎癥，抑制會導致瘢痕形成的膠原蛋白的產生，以及促進神經纖維、血管和肌肉的新生長。這種組合生物反應器可提供局部再生環境和信號，防止上皮細胞覆蓋斷面，使生物組織減緩自然愈合，并向再生過程傾斜。
研究人員觀察到，許多接受治療的青蛙，生物組織急劇生長，重新生長了一條幾乎完全正常的腿。新肢體的骨結構延伸，其特征類似于天然肢體的骨結構，內部組織（包括神經元）的補充更豐富，并且從肢體末端長出幾個“腳趾”，盡管沒有內層骨架的支持。
再生的肢體可以移動，并對刺激做出反應，比如來自堅硬纖維的觸摸，青蛙能夠利用它在水中游泳，移動方式與正常的青蛙十分相似。
“看到我們選擇的藥物幫助創造了一個幾乎完整的肢體，這是令人興奮的，”尼羅沙?穆魯根說，他是塔夫茨艾倫探索中心研究人員，也是這篇論文的第一作者。“只需短暫接觸藥物，就能啟動長達數月的再生過程，這一事實表明，青蛙以及或許其他動物可能具有休眠的再生能力，這種能力可以被觸發。”
研究人員探索了短暫干預可能導致長期增長的機制。在治療后的最初幾天內，他們檢測到已知分子途徑的激活，這些途徑通常用于發育中的胚胎，以幫助身體成形。
這些途徑的激活可以使生長和組織組織的負擔由肢體本身來處理，類似于它在胚胎中發生的方式，而不需要在肢體生長所需的多個月內進行持續的治療干預。
生物圓頂是如何工作的
自然能夠再生的動物大多生活在水生環境中。肢體缺失后的第一個生長階段是在殘肢末端形成一團干細胞，稱為囊胚，用于逐步重建缺失的身體部分。在受傷后的前24小時內，傷口會迅速被上皮細胞覆蓋，保護下方的重建組織。
“哺乳動物和其他再生動物的傷口通常會暴露在空氣中或與地面接觸，它們可能需要幾天到幾周的時間才能愈合疤痕組織”，塔夫茨大學教授、該研究的合著者大衛?卡普蘭(David Kaplan)說。“在最初的24小時內使用“生物圓頂”帽有助于模擬類似羊膜的環境，這種環境加上合適的藥物，可以使重建過程在不受瘢痕組織干擾的情況下進行。”
青蛙和哺乳動物再生研究的下一步
塔夫茨大學研究團隊的前期工作顯示，使用“生物圓頂”帽時，單一藥物孕酮會顯著促進肢體生長。然而，利用這種藥物最終形成的肢體呈尖刺狀，與當前研究中獲得的形狀更正常、功能更強的肢體相去甚遠。
這種五種藥物的混合物的發現，代表了使青蛙四肢恢復全功能研究取得了重要里程碑，并表明對藥物和生長因子組合的進一步探索，可能會促使功能更加完整的四肢重新生長，并具備正常的手指、蹼和更精細的骨骼和肌肉特征。
“我們接下來將測試這種治療方法如何應用于哺乳動物，”論文通信作者邁克爾?萊文說，他是藝術與科學學院生物學教授，塔夫茨艾倫探索中心主任、威斯研究所副教授。
邁克爾?萊文表示，在BioDome下用液體環境覆蓋開放創口，用合適的藥物混合物，可以提供斷口再生所必需的最初信號，從而啟動再生過程。“這是一種專注于觸發休眠的、固有的解剖模式化程序的策略，而不是對復雜的生長進行微觀管理，因為成年動物仍然擁有制造其身體結構所需的信息。”（中國船舶信息中心 丁宏）
在靠自然條件無法再生肢體的成年青蛙身上，研究人員使用一種五種藥物的混合物觸發了斷肢的再生，這種混合物被應用在一個可佩戴生物反應器硅樹脂圓頂中，密封斷肢斷面24小時。這種簡單的治療手段即啟動了18個月的斷肢再生期，最終使青蛙恢復了一條具有生物功能的腿。
許多生物至少有部分肢體能夠完全再生，包括蠑螈、海星、螃蟹和蜥蜴，扁蟲甚至可以被切成碎片，每一片都能重建一個完整的有機體。人類能夠用新的組織生長來愈合傷口，人類的肝臟在被切除不高于50%后，也具有顯著的、幾乎類似扁蟲的再生能力。
但是，人類或哺乳動物體內任何自然的再生過程，都無法恢復一個龐大且結構復雜的四肢。事實上，人類傾向于用無定形瘢痕組織塊覆蓋重大損傷，保護其免受進一步失血和感染，并防止傷口繼續擴大。
強制啟動再生
塔夫茨大學的研究人員在非洲爪蛙身上觸發了再生過程，將傷口包裹在一個硅膠帽里，他們稱之為“生物圓頂”（BioDome），里面含有一種絲蛋白凝膠，里面裝有五種藥物的混合物。
每種藥物都有不同的作用，包括抑制炎癥，抑制會導致瘢痕形成的膠原蛋白的產生，以及促進神經纖維、血管和肌肉的新生長。這種組合生物反應器可提供局部再生環境和信號，防止上皮細胞覆蓋斷面，使生物組織減緩自然愈合，并向再生過程傾斜。
研究人員觀察到，許多接受治療的青蛙，生物組織急劇生長，重新生長了一條幾乎完全正常的腿。新肢體的骨結構延伸，其特征類似于天然肢體的骨結構，內部組織（包括神經元）的補充更豐富，并且從肢體末端長出幾個“腳趾”，盡管沒有內層骨架的支持。
再生的肢體可以移動，并對刺激做出反應，比如來自堅硬纖維的觸摸，青蛙能夠利用它在水中游泳，移動方式與正常的青蛙十分相似。
“看到我們選擇的藥物幫助創造了一個幾乎完整的肢體，這是令人興奮的，”尼羅沙?穆魯根說，他是塔夫茨艾倫探索中心研究人員，也是這篇論文的第一作者。“只需短暫接觸藥物，就能啟動長達數月的再生過程，這一事實表明，青蛙以及或許其他動物可能具有休眠的再生能力，這種能力可以被觸發。”
研究人員探索了短暫干預可能導致長期增長的機制。在治療后的最初幾天內，他們檢測到已知分子途徑的激活，這些途徑通常用于發育中的胚胎，以幫助身體成形。
這些途徑的激活可以使生長和組織組織的負擔由肢體本身來處理，類似于它在胚胎中發生的方式，而不需要在肢體生長所需的多個月內進行持續的治療干預。
生物圓頂是如何工作的
自然能夠再生的動物大多生活在水生環境中。肢體缺失后的第一個生長階段是在殘肢末端形成一團干細胞，稱為囊胚，用于逐步重建缺失的身體部分。在受傷后的前24小時內，傷口會迅速被上皮細胞覆蓋，保護下方的重建組織。
“哺乳動物和其他再生動物的傷口通常會暴露在空氣中或與地面接觸，它們可能需要幾天到幾周的時間才能愈合疤痕組織”，塔夫茨大學教授、該研究的合著者大衛?卡普蘭(David Kaplan)說。“在最初的24小時內使用“生物圓頂”帽有助于模擬類似羊膜的環境，這種環境加上合適的藥物，可以使重建過程在不受瘢痕組織干擾的情況下進行。”
青蛙和哺乳動物再生研究的下一步
塔夫茨大學研究團隊的前期工作顯示，使用“生物圓頂”帽時，單一藥物孕酮會顯著促進肢體生長。然而，利用這種藥物最終形成的肢體呈尖刺狀，與當前研究中獲得的形狀更正常、功能更強的肢體相去甚遠。
這種五種藥物的混合物的發現，代表了使青蛙四肢恢復全功能研究取得了重要里程碑，并表明對藥物和生長因子組合的進一步探索，可能會促使功能更加完整的四肢重新生長，并具備正常的手指、蹼和更精細的骨骼和肌肉特征。
“我們接下來將測試這種治療方法如何應用于哺乳動物，”論文通信作者邁克爾?萊文說，他是藝術與科學學院生物學教授，塔夫茨艾倫探索中心主任、威斯研究所副教授。
邁克爾?萊文表示，在BioDome下用液體環境覆蓋開放創口，用合適的藥物混合物，可以提供斷口再生所必需的最初信號，從而啟動再生過程。“這是一種專注于觸發休眠的、固有的解剖模式化程序的策略，而不是對復雜的生長進行微觀管理，因為成年動物仍然擁有制造其身體結構所需的信息。”（中國船舶信息中心 丁宏）