主题:【25个科学问题征文】器官再生 -- 水风
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家园 【25个科学问题征文】器官再生

现代的医药科学已经成功的解决了许多急性病患,比如说感染,从而在过去的一个世纪中成功的延长了人的预期寿命。现在,慢性病患和器官衰老已经成为工业化国家中对于人类健康的最主要的威胁。在老龄化已经不可避免的今天,这种威胁将变得更加明显。跟各种人造的工具和设备不同,人类本身的原组装件在一生中的大部分时间运行良好,但是,如果某个器官什么时候衰竭了,我们也不可能像给汽车换个水泵或者重建一个发动机一样换个新器官,至少是还现在不行。因此,再生性药物――重建器官和组织的重要性日益增加,如果可以在本世纪内被创造出来,在重要性上可以与20世纪抗生素的发现相提并论。但在这种药物被真正的制造出来之前,研究者们必须要搞清楚究竟再生是如何被信号途径调控的。

身体部分的重生在几个世纪以来对于研究者们来说都是一个谜团。早在十八世纪中期,瑞士研究者Abraham Trembley就已经发现淡水中生活的水螅,即使被切成了碎片,也可以重新生成完整的新个体。同一时期的科学家们也观测到了陆生蝾螈具有断尾再生的能力。一个世纪之后,Thomas Hunt Morgan研究了涡虫,一种扁平的蠕虫,发现这种生物的再生能力是如此之强,即使被分成了279份,依然可以再生出完整的个体。遗憾的是,他认为再生这个课题没有多大的意义而把精力转向了果蝇。(摩尔根可以说是现代遗传学之父,正是他和他的学生发现了遗传中的连锁现象,并第一次将突变研究设为遗传学研究的主要手段。一个世纪过去了,今天的遗传学研究手段里面,突变体的获得和研究依然是最主要的,也是最强有力的研究手段。而且,这种研究手段的影响遍布整个现代生物学的方方面面。可以不夸张地讲,现代生物学中有近一半的发现是直接建立在突变体的研究上面。所以,才有下文中主流生物学是在追随摩尔根之说。摩尔根和他的几个弟子都获得过诺贝尔奖。

主流生物学延续摩尔根的研究方法,将精力集中在适合研究遗传学和胚胎发育生物学的动物上面。(果蝇,线虫,酵母,小鼠,拟南芥以及斑马鱼,都是如此。)但是仍然有科学家们把注意力放在研究适合再生的生物上面,并利用独特的研究手段来揭示这些生物的遗传学及其他特性。在这些研究的基础上,今天,借助于新的再生模式动物,斑马鱼和特定的小鼠种系,研究者们正在逐步揭示引导和阻遏再生的信号途径。

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图中显示的是蝾螈,一种水生的两栖类小动物。

再生器官的时候,动物一般会采取三条主要的战略方法。第一条,正在工作的器官的细胞会进行增值以替代那些丢失的组织,而这些细胞在正常情况下是不分裂增值的,具体的例子可见陆生蝾螈的心脏受损后再生。其次,特异化的细胞可以去分化,从而恢复到一个比较原始的状态。在这个状态之下,细胞具有生成多种细胞的潜能。然后这些细胞再从新增殖分化,重建丢失的部分。陆生蝾螈和水生蝾螈可以利用这个过程重建被切除的肢体,斑马鱼也可以利用这个手段来再生被切除的鳍。最后一种法子是把干细胞引入需要再生的部位,我冲就是利用这个方法来重建身体。

人类在某种程度上也可以利用这三种机制来再生。举例来说,当用手术部分切除肝脏之后,疗伤的信号会引导剩余的干细胞进行分裂增殖,并一直生长到原有的大小为止。研究者们也发现,在适当的条件下,许多种人类细胞可以被诱导恢复到具有多种分化能力的原始状态。我们体内的干细胞则负责不时的替换更新血液细胞,皮肤细胞,骨细胞以及其他的许多种细胞。但是为什么当受伤的时候,我们的心脏会充满伤疤组织,我们眼内的晶状体会出现雾状沉积,我们大脑内的神经细胞只会死亡而没有补充。

像类似陆生蝾螈和涡虫的动物再生组织的时候,会经历一个类似胚胎发育过程中将身体模式化的过程。我们在胚胎发育过程中也用到类似的过程,但是在生物的演化过程中,我们似乎丢失了将这种能力用于成年生物的本领。也许是因为再生过程中细胞的分裂增殖跟癌症太像了,所以这种能力才会被禁用。(这很显然是作者在信口开河,)我们已经演化出这种快速治疗伤口的能力来尽可能的减少感染,尽管这种能力是以产生更多的伤疤组织和丧失再生为代价。 专业性再生如陆生蝾螈在治疗伤口的时候会策略性的产生具有原始分化特性的组织。避免产生纤维性组织是再生与否的一个关键。如果能够避免伤疤组织生成,小鼠的神经会在切断后非常快速的生长,但是一旦伤疤组织形成,神经就会萎缩。

揭示再生的秘密要依赖于理解我们和可以再生的动物之间遇上过程的差异。这个过程差异也许是很细微的,研究者们发现一种小鼠会把外耳道在几个星期内给封闭起来,而正常的小鼠从来不会这样。这里面的差异也就是一两个基因。也学改变两三个基因就会把我们变成超级治疗者。(异想天开阿,国外的超级幻想也不少阿)但是如果科学家们真地在人体中诱导了再生,新的问题也会接踵而来。是什么机制让再生的细胞限制在特定的空间内?什么机制可以保证再生的器官具有原来的形状和大小,具有原有的定位?如果研究者们可以解决这些问题,人们或许可以直接订购他们的替代器官,就像定购家中的水龙头或者汽车的火花塞, not just their '67 Mustangs.

写几句评论,平心而论。这些问题的确是比较前沿的问题。但是这篇文章的作者很显然没有足够的近期文献,而只是一些比较陈旧的看法。目前的一个流行观点是,再生在高等脊椎动物中得丢失,恐怕是一个很古老的事件。当第一个重要的基因被丢失之后,整个再生体系失去了进化优势,就逐渐地被淘汰了。所以,现在在人跟其它的高等脊椎动物中,整个再生体系的组件恐怕已经几乎被淘汰光了。所以,不大可能在重建一个重生体系了。至于人和小鼠在幼年的时候,手脚的末端关节被截掉之后依然可以再生恐怕是胚胎的模式化过程并没有结束,因此,利用了一把还没有关闭的原始创建系统。而再生在本质上虽然可以看作是胚胎模式化的一个类似过程,但是,这个过程是由完全不同的蛋白进行调控的。虽然,任何一个工作蛋白都可以在胚胎模式化过程中找到类似的,或者相近的蛋白。而这些蛋白,自从第一个重要的再生蛋白丢失之后,就或者逐渐失去功能,或者获得了新的功能了。因此,人类体内已经不存在一个缺损的重生体系了。当然,这只是目前的一个观点。但是整个人类基因组中基因的数目偏少,似乎也在侧面证实了这个观点。)

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