像蜥蜴 人类有望学会肢体再生

2013年3月17日 20:08 现代快报   李欣阅读:172次
 
  电影《超凡蜘蛛侠》中,康纳斯博士通过注射具有蜥蜴DNA的血清,实现了断臂再生
  在电影《超凡蜘蛛侠》中,主人公皮特·帕克的父亲生前的同事、科学家柯特·康纳斯给自己注射了一种具有蜥蜴DNA的血清,令自己的断臂再生。这一情节引出了现实中一个科学家们长期探索的课题:研究动物神奇的再生能力,并将之运用在人类身上。人类能够像一些动物一样,断肢再生吗?研究者们表示,虽然需要很长时间,但人类有可能实现肢体再生。
  困难
  再生能力良好的动物不适合实验
  如果人类的胳膊被截断,也许永远都得佩戴假肢。如果一只蝾螈掉了一条腿,过不了多久它就能长出一条新腿,伤口逐渐愈合,长出新的骨骼、肌肉、神经、皮肤。
  人类首次发现动物的再生能力是在1740年,当时瑞士自然学家亚伯拉罕·特朗布雷注意到,水塘里有只绿色的动物,如果把它长满触角的头砍断,还能重新长出来。特朗布雷用希腊神话中能重新长出头的怪物“九头蛇”来命名水螅。从那以后,科学家们就发现了越来越多拥有再生能力的动物,比如,蜥蜴能长出断掉的尾巴,海星能长出断裂的触角,一些变形虫只要还有一小部分残留,就能长出整个身体。
  然而,尽管经历了数百年的研究,人类距离完全掌握动物再生能力的原理还有很长的路要走,更别提在人的身上运用这种神奇的能力了。不过,美国波士顿东北大学研究再生生物学的学者詹姆斯·摩纳根表示,人类是有可能实现断肢再生的,尽管“我们现在尚未开始接近这个目标,就连推断出何时能实现它都很困难”。
  为什么在人类身上实现再生能力如此困难?部分是因为这一领域只吸引了一小部分科学家开展研究,而且他们之间也缺乏合作。而主要原因是,适宜用于实验室研究的动物,也就是所谓的“生物模型”,基本上都不是拥有良好再生能力的动物。小鸡、老鼠、苍蝇、蛔虫是实验室的主要实验对象,帮助科学家们弄清了细胞如何发展成完全成形的胚胎。但如果砍掉这些动物的肢体,则没有办法再长出新的。蝾螈是研究再生能力的理想实验对象,因为它们拥有良好的再生能力,并且它们肢体的基础结构与人类相似。但蝾螈不太适用于实验,“蝾螈断肢重生需要一个月的时间,”美国佛罗里达大学从事组织和器官再生研究的阿什利·赛弗特表示,“这个时间太长了,会妨碍实验进度。”
  更不容乐观的是,蝾螈的基因组过于膨胀,它们的DNA数量是人类的10倍,并且尚未有人为蝾螈的DNA完全排序。直到现在,科学家们依然不知道如何将外来基因加入蝾螈的基因组中,也不知道如何打破蝾螈现有的基因序列。人类一日无法掌握这些技术,就一日无法将分子生物学的最新成果运用在蝾螈身上,也就无法破解再生能力的谜团。
  进展
  人类已弄清肢体再生的基本步骤
  尽管困难重重,但人类已经弄清了四肢再生必须经历的基本步骤。截肢之后,最外侧皮肤的细胞会覆盖横断面、包裹伤口,在这个时候,人体会产生大量疤痕组织,不会长出新的肢体。而对于蝾螈来说,新的细胞会变成一种称为伤口表皮的组织,这一组织会向残肢发送化学指令。作为回应,残肢中的神经开始再次生长,像肌肉、结缔组织这样的成熟细胞则会退化成一种称为“胚基”的不成熟组织,肢体再生从此开始。
  “细胞知道它们自己的角色,因此它们能再生出缺失的部分,”曼彻斯特大学发育生物学家恩里克·阿玛亚表示。如果肩膀或臀部以下截肢,“胚基”就会再生成胳膊或腿。如果从腕部或踝部截肢,“胚基”则会再生成手或脚。随着细胞生长、分裂,它们会弄清自己的角色,因此它们知道向上还是向下,向左还是向右。它们会先长出完整肢体的一个微缩版本,最终一点点长大。
  这就是四肢再生的基本步骤,但要进一步弄清其中的细节并非易事。伤口表皮组织为什么能形成?它会对残肢上的细胞发出什么样的具体指令?如果残肢内的神经细胞没有开始生长,肢体就不会再生,然而这些神经细胞在再生过程中到底起到什么样的作用?当残肢中的细胞退化成“胚基”时,它们到底应该退化到什么样的程度?
  最重要的是,再生肢体的细胞是如何知道它们的角色、从而长成正确的形状呢?这些细胞如何长成结构精妙、活动灵活的肢体,而非无用、畸形的肢体呢?摩纳根表示,这个问题很难回答,因为残肢上的细胞看起来都差不多,运作方式也差不多,但它们却在肢体再生中发挥重要作用。“人们正在对这个过程进行研究,解开其中奥秘,但我们还搞不清楚肩膀的细胞与指尖的细胞有什么区别。”
  也许有些人不会问蝾螈如何再生四肢,而会问为什么像人类这样的哺乳动物没有再生能力。这个问题依然没有固定答案,但是有几种猜想。试想一下,哺乳动物是不是更容易患癌症?人类的身体在遏制肿瘤生长的同时,也阻碍了“胚基”的形成。阿玛亚在思考,这是否由于人类是热血动物。“如果两栖动物的肢体断了,它们会躲起来数周让断肢再生,其间不吃不喝,”阿玛亚说,“而对代谢率较高,需要时常进食的哺乳动物来说,这显然是不可能的。”
  然而也不是所有的哺乳动物都没有再生能力,2012年,赛弗特发现非洲刺鼠会通过扯去大块皮肤来逃脱捕食者的猎食,神奇的是,它们能在很短的时间内长出新的皮肤。如果是耳朵被咬掉一大块的话,非洲刺鼠的耳朵也会重新长成完整的形状。这一发现表明,哺乳动物实现四肢再生也许并不像很多人想象得那么遥远。
  意义
  研究的附带成果就能造福全人类
  即使人们能够弄清并复制刺鼠的再生能力,赛弗特还是认为,无法通过注射针剂就实现肢体再生。赛弗特表示,从伤口到“胚基”再到新肢体的转变很复杂,不是打一针就能完成的。这同样也将是一个长期的过程,尽管在《超凡蜘蛛侠》中,“蜥蜴人”康纳斯博士几分钟内就长出了断臂,但在现实中,赛弗特实验室里的一只蝾螈花了400天时间才重新长出了直径不到4毫米的腿。生物的体型越大,肢体再生耗费的时间越长。“就算人类能够实现四肢再生,这个再生过程可能就要花上15年至20年。”赛弗特说。这样看来的话,手指再生可能更为现实一些。
  肢体重生是否真的值得研究?肢体再生研究的进度一直缓慢,而医学界的其他领域的研究进展要快得多。干细胞研究和人体组织工程希望能用病人的细胞在实验室里培养出人造器官,这两项研究吸引了大量人才和资金。如果这些研究进展迅速的话,研究再生能力还有必要吗?
  赛弗特认为还是有必要的,他说:“首先,肢体再生研究会带来很多意想不到的好处。”蝾螈的肢体再生跟哺乳动物的伤口愈合存在很多相似之处,也许人类永远无法像电影中那样断肢再生,但我们或许能知道如何令伤口快速愈合。如果能做到让伤口快速愈合且不留疤痕,也是造福全人类的事。人类的很多顽疾都涉及一种纤维化过程。人体通过生成结缔组织来处理伤害。“纤维化是跟肢体再生对立的过程,”赛弗特表示。如果弄清了动物如何避免它,人类就能知道如何阻止疤痕组织在重要器官上堆积。
  肢体再生的研究是关于细胞如何弄清它们的角色,如何组织自己形成器官,这样的知识将是无价的,无论实现肢体再生的目的运用何种技术。“我认为干细胞研究终会牵涉到肢体再生研究,”阿玛亚说,“细胞如何运作、我们如何控制细胞的运作,对于这些问题,人类依然一无所知。”

稍新:移植染狂犬病毒器官 美一患者身亡
早前:转运招财九大原则大揭秘