干细胞帮助蜥蜴在超过2.5亿年的时间里首次再生出一个完美的尾巴

南加州大学研究人员的实验有助于为改善人类伤口愈合的努力提供参考。蜥蜴可以重新长出被切断的尾巴,使它们成为与人类最接近的可以再生出失去的附属物的亲戚。但替代的结构是一个不完善的软骨管,而不是包括脊柱和神经的原始尾巴。现在,由南加州大学领导的一项研究首次在《自然通讯》上描述了干细胞如何帮助蜥蜴再生出更好的尾巴。

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该研究的通讯作者、南加州大学凯克医学院骨科手术和干细胞生物学及再生医学助理教授托马斯-洛齐托说:"这是任何爬行动物、鸟类或哺乳动物通过干细胞治疗显著改善附属器官再生的唯一案例之一,它为改善人类的伤口愈合提供了参考。"

洛齐托标识:“这些新的和改进的蜥蜴尾巴表现出所谓的'背腹式模式'--意味着它们在上部或背侧有骨骼和神经组织,而在下部或腹侧有软骨组织。蜥蜴已经存在了超过2.5亿年,在所有这些时间里,从来没有蜥蜴重新长出一个具有背腹型的尾巴,直到现在。我的实验室已经创造了第一个具有图案骨架的再生蜥蜴尾巴。”

为了实现这一目标,来自南加州大学和匹兹堡大学医学院的科学家团队分析了蜥蜴尾巴在成人再生过程中是如何形成的,与胚胎发育相比。在这两种情况下,神经干细胞或NSCs-构建神经系统的干细胞-发挥了核心作用。

成年NSCs产生一种分子信号,阻止骨骼和神经的形成,并鼓励软骨的生长,有效地使尾巴的两侧"腹侧化",这带来了再生尾巴的典型软骨管。

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一个完全再生的哀伤壁虎尾巴的组织学。肌肉为白色,软骨为红色,增殖细胞为绿色,细胞核为蓝色。资料来源:南加州大学/Lozito实验室

即使在没有这种腹侧化信号的情况下,成年NSCs也无法为尾巴背侧生成新的神经组织。

相反,胚胎NSCs只在成为尾巴下部或腹侧的软骨区域产生这种"腹侧化"信号。同时,在没有这种信号的情况下,上侧或背侧发展出骨骼和神经组织。因此,尾巴获得了原始胚胎附属物的错综复杂的背-腹模式。

然而,如果将胚胎NSCs植入成年尾巴残端,它们会对腹侧化信号作出反应,而不能发育成背侧结构。

为了克服这些障碍,Lozito的团队使用基因编辑工具使胚胎NSCs对腹侧化信号没有反应,并通过手术将这些细胞植入成年尾巴残端,从而实现了完美尾巴的再生。

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哀伤壁虎囊肿的组织学。肌肉为白色,软骨为红色,增殖细胞为绿色,细胞核为蓝色。资料来源:南加州大学/洛兹托实验室

"这项研究为我们提供了关于如何提高生物体再生潜力的基本实践,"洛齐托说。"完善不完美的再生蜥蜴尾巴为我们提供了一个蓝图,以改善那些不能自然再生的伤口的愈合,如断裂的人类肢体和脊髓。通过这种方式,我们希望我们的蜥蜴研究将为治疗难以愈合的伤害带来医学上的突破。"

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