新研究破解蜥蜴斷尾再生之謎！未來人類軟骨可以修復(fù)嗎？

蜥蜴是唯一保留兩棲蠑螈再生能力的羊膜動物，也是哺乳動物的近親，而且它還是唯一在同一動物中結(jié)合了再生附肢（尾巴）和非再生附肢（四肢）的成年脊椎動物。這對于研究再生生物學(xué)的科學(xué)家們來說，可謂是個極其強大的動物模型。

安樂蜥，南、北溫暖的地區(qū)皆有分布。圖片來源：維基百科

果然，小小的蜥蜴不負(fù)眾望。2023 年 8 月 10 日，它在再生領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)，來自美國南加州大學(xué)的研究人員將這些成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上，這一發(fā)現(xiàn)將幫助我們了解如何重建受損的軟骨。接下來，就讓我們一起來探究蜥蜴的軟骨如何再生吧！

美國南加州大學(xué)研究人員發(fā)表解析蜥蜴軟骨再生的論文。圖片來源：《自然通訊》雜志官網(wǎng)

蜥蜴再生的尾巴里有哪些細(xì)胞？

為了研究蜥蜴尾巴再生過程中各種狀態(tài)的復(fù)雜性和細(xì)胞異質(zhì)性，科學(xué)家們對不同再生階段（原始尾巴、炎癥階段、芽基階段、再生穩(wěn)態(tài)）的蜥蜴尾巴進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序，并且通過原位雜交和組織學(xué)驗證鑒定出了多種細(xì)胞，包括免疫細(xì)胞和成纖維結(jié)締組織細(xì)胞等。

蜥蜴再生尾巴的單細(xì)胞測序聚類結(jié)果。圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]

有趣的是，成纖維結(jié)締組織細(xì)胞在芽基階段大量增加。且偽時間軌跡分析表明，許多芽基成纖維結(jié)締組織細(xì)胞表達(dá)骨橋蛋白（spp1），其中一些（并非所有）成纖維細(xì)胞還會在尾巴再生過程中繼續(xù)表達(dá)硫酸酯酶 1（sulf1），隨后變成 sox9 陽性的軟骨細(xì)胞并形成軟骨。

蜥蜴尾巴再生不同階段各種細(xì)胞的比例。圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]

軟骨再生的神推手——Hh 信號

科學(xué)家們之前發(fā)現(xiàn)，Hedgehog（Hh）信號是誘導(dǎo)芽基軟骨形成的關(guān)鍵信號，且 sulf1 在其他系統(tǒng)中受到 Hh 信號的調(diào)節(jié)。在這項新研究中，研究人員也發(fā)現(xiàn)在蜥蜴斷尾中，sulf1 對 Hh 信號也十分敏感。

為了進(jìn)一步證實兩者的關(guān)系，他們從供體蜥蜴不同再生階段的尾巴中分離出成纖維細(xì)胞，標(biāo)記后注射到 Hh 激活劑處理的受體蜥蜴尾部芽基中。

移植后的第 14 天，研究人員發(fā)現(xiàn)，移植的 sulf1 陽性的芽基成纖維細(xì)胞大多數(shù)都參與了軟骨的形成。這表明，芽基成纖維結(jié)締組織細(xì)胞具有響應(yīng) Hh 刺激并形成軟骨的獨特能力。后續(xù)的研究也發(fā)現(xiàn)，sulf1 陰性的斷肢成纖維結(jié)締組織細(xì)胞沒有這個能力。

測試不同再生階段成纖維結(jié)締組織細(xì)胞的軟骨再生能力（圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

成纖維結(jié)締組織細(xì)胞的好搭檔——破隔細(xì)胞

在對蜥蜴再生尾部進(jìn)行單細(xì)胞測序時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一群破隔細(xì)胞，它們是來自周細(xì)胞的吞噬細(xì)胞，可以調(diào)節(jié)哺乳動物的骨骼發(fā)育和愈合。

這項新研究又發(fā)現(xiàn)它在芽基形成期間的尾部達(dá)到峰值，并定位于 sulf1 陽性的芽基成纖維結(jié)締組織細(xì)胞群中。這提示我們，破隔細(xì)胞和芽基細(xì)胞的狀態(tài)之間存在一定關(guān)系。

破隔細(xì)胞出現(xiàn)在 sulf1 陽性的芽基成纖維細(xì)胞群中（圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

為了理清這兩種細(xì)胞之間的關(guān)系，研究人員用氯膦酸鹽脂質(zhì)體人為耗盡了蜥蜴斷尾中的吞噬細(xì)胞群。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成纖維結(jié)締組織細(xì)胞響應(yīng) Hh 信號形成軟骨的能力減弱。由此可見，蜥蜴芽基的成纖維細(xì)胞想要在 Hh 信號的刺激下形成軟骨，還有賴于好搭檔——吞噬細(xì)胞群的幫助。

測試芽基成纖維細(xì)胞 Hh 反應(yīng)性對破隔細(xì)胞的依賴性（圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

破隔細(xì)胞分泌因子——“化腐朽為神奇”

既然破隔細(xì)胞對軟骨再生是必要的，那么在人為耗盡吞噬細(xì)胞后，它們能否拯救蜥蜴尾部芽基細(xì)胞軟骨形成潛能呢？

為了回答這個問題，研究人員中收集了巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基（M-CM）和破隔細(xì)胞條件培養(yǎng)基（S-CM）并濃縮，將浸泡在其中的海藻酸鹽珠植入與氯膦酸鹽脂質(zhì)體和Hh激活劑共處理的蜥蜴斷尾中。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，sulf1 陽性的細(xì)胞僅在與 Hh 激活劑以及條件培養(yǎng)基共處理的尾部中檢測到，表明蜥蜴破隔細(xì)胞分泌的能因子能夠挽救芽基的形成，化腐朽為神奇。

測試破隔細(xì)胞分泌因子能否挽救斷尾芽基的形成（圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

此外，研究人員還在蜥蜴斷肢中重復(fù)了上述實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原本缺乏破隔細(xì)胞的斷肢，竟然因為外源破隔細(xì)胞分泌因子的加入，也可以再生軟骨了！

我們離人類軟骨再生還有多久？

至此，科學(xué)家們總算搞明白了蜥蜴的尾巴軟骨到底是如何再生的：尾部靜息的成纖維細(xì)胞會對截肢損傷做出反應(yīng)，表達(dá) spp1 等成纖維結(jié)締組織細(xì)胞的標(biāo)記基因，在巨噬細(xì)胞群浸潤和巨噬細(xì)胞分泌因子發(fā)出信號后，損傷狀態(tài)的成纖維結(jié)締組織細(xì)胞會遷移到截肢部位。

蜥蜴尾部在截肢損傷后出現(xiàn)破隔細(xì)胞群，導(dǎo)致成纖維結(jié)締組織細(xì)胞的 Hh 敏感性增加。暴露于破隔細(xì)胞分泌因子的成纖維結(jié)締組織細(xì)胞維持 spp1 表達(dá)，并在室管膜細(xì)胞產(chǎn)生的 shh 刺激后表達(dá) sulf1 和 sox9，這種空間模式最終導(dǎo)致在芽基室管膜管周圍形成軟骨。

而如果沒有破隔細(xì)胞，斷肢成纖維結(jié)締組織細(xì)胞就無法維持 spp1 的表達(dá)，并且對 Hh 信號沒有反應(yīng)。即使添加外源 Hh 信號刺激，斷肢成纖維結(jié)締組織細(xì)胞也不表達(dá) sulf1 或形成軟骨，而是會形成疤痕。

蜥蜴尾巴再生的機制圖解（圖片來源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

說到這里，大家是不是對在哺乳動物甚至人類身上再現(xiàn)神奇的軟骨再生充滿了期待？是的，科學(xué)家們后續(xù)將從小鼠開始，測試能否誘導(dǎo)哺乳動物重建受損的軟骨，并將進(jìn)行進(jìn)一步的研究與驗證，規(guī)避潛在的風(fēng)險。畢竟，蜥蜴和人類的生物體系存在著差異，要成功將這項技術(shù)應(yīng)用于人類仍然面臨許多挑戰(zhàn)。

結(jié)語

人類的軟骨組織，特別是關(guān)節(jié)軟骨一旦受損，往往無法再生，導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎等疾病的難以治愈。如果人類能夠借鑒蜥蜴軟骨再生的機制，開發(fā)出新的治療手段，將有望大幅改善關(guān)節(jié)軟骨疾病的治療效果，為患者帶來新的希望。

參考文獻(xiàn)

[1]Vonk AC, et al., Single-cell analysis of lizard blastema fibroblasts reveals phagocyte-dependent activation of Hedgehog-responsive chondrogenesis. Nat Commun. 2023 Aug 10;14(1):4489.

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨李玉歡 吉林大學(xué)

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編｜楊雅萍