新研究破解蜥蜴断尾再生之谜！未来人类软骨可以修复吗？
蜥蜴是唯一保留两栖蝾螈再生能力的羊膜动物，也是哺乳动物的近亲，而且它还是唯一在同一动物中结合了再生附肢（尾巴）和非再生附肢（四肢）的成年脊椎动物。这对于研究再生生物学的科学家们来说，可谓是个极其强大的动物模型。
安乐蜥，南、北温暖的地区皆有分布。图片来源：维基百科
果然，小小的蜥蜴不负众望。2023 年 8 月 10 日，它在再生领域做出了巨大贡献，来自美国南加州大学的研究人员将这些成果发表在《自然通讯》杂志上，这一发现将帮助我们了解如何重建受损的软骨。接下来，就让我们一起来探究蜥蜴的软骨如何再生吧！
美国南加州大学研究人员发表解析蜥蜴软骨再生的论文。图片来源：《自然通讯》杂志官网
蜥蜴再生的尾巴里有哪些细胞？
为了研究蜥蜴尾巴再生过程中各种状态的复杂性和细胞异质性，科学家们对不同再生阶段（原始尾巴、炎症阶段、芽基阶段、再生稳态）的蜥蜴尾巴进行了单细胞RNA测序，并且通过原位杂交和组织学验证鉴定出了多种细胞，包括免疫细胞和成纤维结缔组织细胞等。
蜥蜴再生尾巴的单细胞测序聚类结果。图片来源：改编自参考文献[1]
有趣的是，成纤维结缔组织细胞在芽基阶段大量增加。且伪时间轨迹分析表明，许多芽基成纤维结缔组织细胞表达骨桥蛋白（spp1），其中一些（并非所有）成纤维细胞还会在尾巴再生过程中继续表达硫酸酯酶 1（sulf1），随后变成 sox9 阳性的软骨细胞并形成软骨。
蜥蜴尾巴再生不同阶段各种细胞的比例。图片来源：改编自参考文献[1]
软骨再生的神推手——Hh 信号
科学家们之前发现，Hedgehog（Hh）信号是诱导芽基软骨形成的关键信号，且 sulf1 在其他系统中受到 Hh 信号的调节。在这项新研究中，研究人员也发现在蜥蜴断尾中，sulf1 对 Hh 信号也十分敏感。
为了进一步证实两者的关系，他们从供体蜥蜴不同再生阶段的尾巴中分离出成纤维细胞，标记后注射到 Hh 激活剂处理的受体蜥蜴尾部芽基中。
移植后的第 14 天，研究人员发现，移植的 sulf1 阳性的芽基成纤维细胞大多数都参与了软骨的形成。这表明，芽基成纤维结缔组织细胞具有响应 Hh 刺激并形成软骨的独特能力。后续的研究也发现，sulf1 阴性的断肢成纤维结缔组织细胞没有这个能力。
测试不同再生阶段成纤维结缔组织细胞的软骨再生能力（图片来源：改编自参考文献[1]）
成纤维结缔组织细胞的好搭档
——破隔细胞
在对蜥蜴再生尾部进行单细胞测序时，研究人员发现了一群破隔细胞，它们是来自周细胞的吞噬细胞，可以调节哺乳动物的骨骼发育和愈合。
这项新研究又发现它在芽基形成期间的尾部达到峰值，并定位于 sulf1 阳性的芽基成纤维结缔组织细胞群中。这提示我们，破隔细胞和芽基细胞的状态之间存在一定关系。
破隔细胞出现在 sulf1 阳性的芽基成纤维细胞群中（图片来源：改编自参考文献[1]）
为了理清这两种细胞之间的关系，研究人员用氯膦酸盐脂质体人为耗尽了蜥蜴断尾中的吞噬细胞群。结果发现，成纤维结缔组织细胞响应 Hh 信号形成软骨的能力减弱。由此可见，蜥蜴芽基的成纤维细胞想要在 Hh 信号的刺激下形成软骨，还有赖于好搭档——吞噬细胞群的帮助。
测试芽基成纤维细胞 Hh 反应性对破隔细胞的依赖性（图片来源：改编自参考文献[1]）
破隔细胞分泌因子
“化腐朽为神奇”
既然破隔细胞对软骨再生是必要的，那么在人为耗尽吞噬细胞后，它们能否拯救蜥蜴尾部芽基细胞软骨形成潜能呢？
为了回答这个问题，研究人员中收集了巨噬细胞条件培养基（M-CM）和破隔细胞条件培养基（S-CM）并浓缩，将浸泡在其中的海藻酸盐珠植入与氯膦酸盐脂质体和Hh激活剂共处理的蜥蜴断尾中。
结果发现，sulf1 阳性的细胞仅在与 Hh 激活剂以及条件培养基共处理的尾部中检测到，表明蜥蜴破隔细胞分泌的能因子能够挽救芽基的形成，化腐朽为神奇。
测试破隔细胞分泌因子能否挽救断尾芽基的形成（图片来源：改编自参考文献[1]）
此外，研究人员还在蜥蜴断肢中重复了上述实验。结果发现，原本缺乏破隔细胞的断肢，竟然因为外源破隔细胞分泌因子的加入，也可以再生软骨了！
我们离人类软骨再生还有多久？
至此，科学家们总算搞明白了蜥蜴的尾巴软骨到底是如何再生的：尾部静息的成纤维细胞会对截肢损伤做出反应，表达 spp1 等成纤维结缔组织细胞的标记基因，在巨噬细胞群浸润和巨噬细胞分泌因子发出信号后，损伤状态的成纤维结缔组织细胞会迁移到截肢部位。
蜥蜴尾部在截肢损伤后出现破隔细胞群，导致成纤维结缔组织细胞的 Hh 敏感性增加。暴露于破隔细胞分泌因子的成纤维结缔组织细胞维持 spp1 表达，并在室管膜细胞产生的 shh 刺激后表达 sulf1 和 sox9，这种空间模式最终导致在芽基室管膜管周围形成软骨。
而如果没有破隔细胞，断肢成纤维结缔组织细胞就无法维持 spp1 的表达，并且对 Hh 信号没有反应。即使添加外源 Hh 信号刺激，断肢成纤维结缔组织细胞也不表达 sulf1 或形成软骨，而是会形成疤痕。
蜥蜴尾巴再生的机制图解（图片来源：改编自参考文献[1]）
说到这里，大家是不是对在哺乳动物甚至人类身上再现神奇的软骨再生充满了期待？是的，科学家们后续将从小鼠开始，测试能否诱导哺乳动物重建受损的软骨，并将进行进一步的研究与验证，规避潜在的风险。毕竟，蜥蜴和人类的生物体系存在着差异，要成功将这项技术应用于人类仍然面临许多挑战。
结语
人类的软骨组织，特别是关节软骨一旦受损，往往无法再生，导致关节炎等疾病的难以治愈。如果人类能够借鉴蜥蜴软骨再生的机制，开发出新的治疗手段，将有望大幅改善关节软骨疾病的治疗效果，为患者带来新的希望。
参考文献
[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.
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出品丨科普中国
作者丨李玉欢 吉林大学
监制丨中国科普博览
责编｜杨雅萍