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从低等生物再生现象看干细胞的再生能力

当细胞共和国受到伤害时,全身上下马上全副武装,戒备起来,体内的119急救中心、霹雳特勤小组、紧急救援部队、红十字和其他应急反应机制,立刻迅速展开救援行动。有些原本在血液中巡逻的细胞,有些是静静蛰伏在特定组织中的间质细胞干细胞),也都动员起来执行急救任务。救援细胞首先止住血液流失,清除死掉和受损的细胞,最后启动干细胞修补损失的结构。
当救援行动终结时,受伤组织通常都会恢复的像新的一般。复原过程是如此可靠,使大部分人将严重的割伤、擦伤、烧伤、以及断骨的愈合,视为理所当然的事情。然而,修复机制对断臂或失明等重大的伤害,却也束手无策。细胞具有修补伤口的能力,是如此神奇奥妙的事。


低等动物反而有超强的再生能力。有些看起来像大灾难的伤口,对许多低等动物来说,只是微足道的小挫折。例如当蜥蜴遭遇蛇攻击,或被好奇的生物学家切断整双脚时,蜥蜴很自然就会再长出一双脚来。整个细胞层次的变化就像是胚胎发育过程的重演:从断足处先冒出一个小肢芽,经过了数天或数周的时间,小肢芽逐渐长成全新的肢体,拥有完整的骨骼、肌肉、神经、皮肤,当然也有适当的关节、脚掌、和数目正确的脚趾。
生物学家长久以来都很困惑:为什么人类的身体不能做相同的事情呢?如果可以的话,即使再生过程很缓慢,需要花上一年或更久的时间,也可以让残障病人蒙受最大的利益。其实,人类对于重大器官的再生功能,也不并不是全然没有,只不过需要在某些特定的环境下才能激发出来,而这种特定的环境,目前并不被主流科学或医学所掌握。我曾亲历过一个断了手指的人,敷上了一个江湖术士药粉,后来竟然长出了与原先一样的手指。然而一般来说哺乳类和鸟类失去了这种对生存有重大意义的能力,物竞天择,显然在自然进化的过程中,哺乳类和鸟类用它交换了更有意义的的生存能力,只不过目前我们还不知道在这场交易中,我们究竟获得了什么。完全靠自然状态,目前人类仅存的再生能力只剩下皮肤和血液,还有肝脏组织仍具备一定的再生能力。
蜥蜴的再生能力,在动物界并不是稀奇的事情,青蛙也同样有这样的能力。如追溯演化上更原始的物种,再生现象就更惊人了。例如某些海星,比两栖类更有疗伤止痛的本领。数十年前,当潜水员为了保护南太平洋上惨遭蹂躏的珊瑚礁石,曾将海星的五星形腕足一块块切下,再丢回海中。不久,每块带有一小部分中央盘的截肢,都长出了其余四只腕,成为另一只完整的海星。在高中的生物实验课上,我们也曾将生活在池塘中的涡虫,从中横切为两半,只见头端的一半长出了新的尾巴,而尾端的一半则生出了一个新头。


再观察演化上最简单的多细胞生物——海绵,科学家早在二十世纪初期就发现,可用细网将海绵磨成一个个独立的细胞,这些细胞便在水族箱落脚,四处爬行寻找同伴,开成数百个迷你海绵团,最后每个团块都长成完整的海绵体。
再看最原始的单细胞原生动物,伤口愈合和细胞分裂是一体两面的事。当单细胞将自己从中切开,再长回原来的大小,制造出适当的细胞器,这在某种意义上相当于伤口的愈合。当然,多细胞生物的细胞不断修补伤口时,也需要展开庞大的细胞分裂工程,干细胞不断的裂开又复原,制造出大量的细胞以修复受伤的组织。
究竟是什么信息指示细胞开始伤口愈合的过程,目前还不明朗。有证据显示,当细胞环境受到干扰时,可活化一批正常时只有胚胎发育时才运作的基因。器官组织或更大的结构的再生、其实就是发育过程的重演,一旦细胞所处的微环境重新达到稳定的状态,原本为复原而快速分裂的细胞,又会放慢速度,逐渐和未受伤的相邻细胞脚步一致。


以蜥蜴为例,伤口处“微环境”的改变,显然活化了原本静止的干细胞(stem cell)。这群未分化的细胞,性质很像是胚胎发育期迁移至胚胎各处、然后转变成特殊形状的细胞。然而在发育过程中,并非所有的细胞都进行特化,有些仍维持着不确定的状态,我们称为“未分化”状态,散居在体内许多组织中。因此,干细胞间质细胞)就是像是细胞共和国的游离票一样,仍保有多种发育的选择。
只要蜥蜴的脚仍然长在原处,间充质干细胞就会保持在退隐状态,一旦脚断了,间质细胞(干细胞)就像胚胎时期的肢芽一样,迅速分裂和繁殖。新生细胞在四处爬行时,也遇到了不同的微环境,于是分化出所有蜥蜴脚该有的细胞形态,逐渐架构出一只新的脚来。当细胞所处的微环境再度趋向稳定时,干细胞便停掉了发育程式,关闭长脚时才有的基因群。不过在长新脚的过程中,原有的干细胞,也在脚部各处留下了少量新的间充质干细胞,以监控脚部微环境,等待下一次的再生复原行动。



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