通过花式切指头,科学家们开始逐步解开人指头再生的秘密。不少熊孩子都曾被门夹过手指,或是手指被刀划伤,特别严重时,指头甚至会断掉。在过去很长一段时间内,治疗断指都是一种相当棘手的情况,如若不是由经验丰富的医生来治疗,结果通常都不会令人满意。
1972年,在他人建议下,澳大利亚阿德莱德儿童医院的外科医生道格拉斯决定摒弃之前的治疗传统,对一些断指的儿童采取保守疗法,即不使用夹板,也不对伤囗进行手术缝合或皮肤移植,仅使用薄纱布和干燥的敷料包扎伤囗。结果却出乎道格拉斯医生的预料。
他惊讶地发现,29名经历保守治疗的孩子们不仅没有发生骨髓炎(由细菌感染引起的骨骼炎症),也没有看着令人疼痛不堪的伤囗残余,更神奇的是,这些手指在愈合过程中居然明显延长,甚至不少还恢复到了正常的手指长度和轮廓。此后,越来越多的临床案例表明,人的指头具备再生的能力。
很久以前,人们就已经知道肝脏切除2/3后还能再生。可是,通常情况下,我们并不会认为人类和其他哺乳动物,具备壁虎那样的肢体再生能力。可就在道格拉斯医生用保守疗法治疗儿童断指的10年后,研究人员又观察到了在另一种哺乳动物——小鼠上的断趾再生现象。在什么情况下我们的肢体可以再生?是否可以无限再生?为了找出这些问题的答案,科学家们决定首先去研究那些再生能力超凡的两栖动物,看看人类和它们之间有何异同。
蝾螈是再生医学领域的科学家们最常用的模型动物,因其超凡的再生能力而闻名。它几乎可以再生身体的任何部位,比如四肢、肺、卵巢、脊髓等等,甚至包括大脑和心脏。只需一个月,蝾螈就能恢复被切除的整条腿,且不留疤痕,和原来的完全一样。而且,这个过程可以重复一遍又一遍,无论切除多少次,都是如此。
蝾螈被截肢的腿也可以再生,按时间顺序从左到右显示。虽然蝾螈的四肢比人类的纤细不少,但两者的结构并无太大区别,都被皮肤包裹,由骨骼、肌肉、韧带等相同的组织组成。而且,蝾螈肢体受伤后的修复过程与包括人在内的哺乳动物也非常类似,都包括四个阶段:凝血和止血、炎症反应、细胞增殖和伤囗重塑。
无论人或是蝾螈,最开始的修复过程都是相同的。
受伤部位凝血后,一层皮肤细胞迅速地覆盖伤囗的表面,形成伤囗上皮;接着,免疫系统参与炎症反应,清除伤囗部位的病原体和受损的老旧细胞。此后,人和蝾螈的伤囗修复机制开始出现分歧。蝾螈伤囗处的上皮细胞会开始迅速生长和分裂,形成一种名为顶端上皮盖的特殊结构,这是蝾螈肢体再生所必须的结构。同时,伤囗局部组织中的某些细胞会丢失其原本的分化状态,并快速分裂,形成一个的锥状结构——芽基。
形成芽基正是蝾螈整个肢体再生过程中最关键的步骤。因为这些丢失了分化状态的细胞会像干细胞一样,可以分化、分裂成相应不同种类的细胞,生长出肢体的各种结构,包括与身体其它部分相连的骨骼、神经和血管,最终形成完整的肢体。可是,通常情况下,在人的肢体受损部位并不会生成芽基结构。为了更好地处理损伤和避免的感染,我们的机体可能会在伤囗上形成瘢痕组织,这是一种纤维化的组织结构,伤囗的再生过程也就到此为止。
这些瘢痕组织不仅会阻止我们的肢体重生,还会带来诸多疾病。
指甲的秘密。发现人手指再生的能力后,科学家们首先好奇的是,在哪些情况下人的手指可以再生呢?研究表明,当截肢发生在小鼠趾头的近端,即切除小鼠60%以上的末端指骨时,一个月后,虽然小鼠伤囗能够愈合,但趾头却并不会再生;而当切除发生在趾头远端,且不切除趾头的脂肪垫,小鼠的趾头在一个月内会完整再生。这说明,小鼠趾头的再生能力存在于远端趾头的某些特殊细胞中,从人手指的案例中也能得出类似的结论。
1999年,研究人员发现,如果将一个小鼠完整的趾甲移植到一个已经截断了近端指骨的小鼠的趾头上,不仅移植过来的指甲可以继续生长,而且还能促使受损的指骨重新生长。于是,科学家们提出了一种假说:指甲在手指再生过程中具有重要功能。随后二十多年,科学家们逐渐发现指甲细胞的确非同一般。
特别是甲床内的间充质干细胞,它不仅会表达多种特殊的转录因子,例如Msx1和Lmx1b,细胞中某些信号通路也高度激活,这些特征都与具有超凡再生能力的生物——蝾螈的细胞非常相似。
看到这里,你是否觉得指甲细胞非常厉害,指头断掉一小截根本无需多虑?但是,千万不要这样以为!因为反复动用这些细胞有可能将它们耗尽。为了探究指头的再生能力究竟有多强,一群科学家让小鼠趾头切了长,长了切,如此反复。
他们发现,对小鼠同一个趾头切-长循环2次后,趾头的再生能力开始下降。到第5次切除时,小鼠的趾头已经不会再生了。更令这些科学家惊讶的是,当小鼠在经历反复切除同一个趾头后,即便是那些从未受过伤的趾头在切除后,也无法再生了。
不过,也不必过于担心,因为随着医学的发展,或许反复被切掉的手指头在未来的某一天也能够重生,并且这一天看上去已经越来越近了。
随着更加深入地研究蝾螈等具备再生能力的动物和小鼠的指甲,科学家们已经探索出了不少使伤囗倾向于形成芽基的方法。例如,科学家制作的一种含5种小分子的可穿戴设备,能控制伤囗的局部微环境。成功让被截肢的成年非洲爪蟾佩戴这种装置后,它们在18个月内再生了肢体。又如,基于甲床的再生能力,科学家们发现从截肢患者组织中提取的、去细胞化的甲床支架是一种良好的骨再生促进材料。