Sci Adv | 可穿戴给药系统使蛙腿再生

原创 图灵基因 图灵基因 2022-02-12 10:38

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对于数百万失去肢体的患者来说，通过自然再生恢复功能的可能性仍然遥不可及。腿和手臂的再生仍然是蝾螈等动物或超级英雄的领域。但现在，塔夫茨大学和哈佛大学Wyss研究所的科学家报告了他们使用一种新型多药疗法（MDT）的情况，这种疗法通过一种可穿戴设备提供，可以让成年非洲爪蛙（非洲爪蟾）——四肢不能自然再生——重新长出被截肢的后腿。再生的肢体使这些动物能够以类似于正常青蛙的方式四处移动，甚至对触摸做出反应。

虽然大多数关于肢体再生的研究都集中在表现出自然再生能力的蝾螈等动物身上，但最新报道的青蛙研究可能有助于指导包括人类在内的哺乳动物肢体再生的未来研究。“很高兴看到我们选择的药物有助于创造一个几乎完整的肢体。”塔夫茨艾伦发现中心的研究附属机构、该团队在《Science Advances》上发表的论文的第一作者Nirosha Murugan博士说，“只需短暂接触这些药物，就可以启动长达数月的再生过程，这一事实表明，青蛙和其他动物可能具有休眠再生能力，可以被触发行动。”

Murugan及其同事在一篇题为“Acute multidrug delivery via a wearable bioreactor facilitates long-term limb regeneration and functional recovery in adult Xenopus laevis”的论文中描述了他们的成就，他们在论文中总结道，“这为在脊椎动物模型中使用由药物混合物和可穿戴生物反应器输送装置组成的复合干预措施，启动复杂器官再生反应提供了原理证明。”

作者写道，预计未来30年，仅在美国，肢体缺失的患病率就将大幅增加，到2050年，每年可能影响360万人。这将使糖尿病患者、退伍军人、创伤幸存者和外周动脉疾病患者在截肢后的选择有限。“尽管技术取得了重大进展，但临床医生仍然缺乏促进组织损失恢复或逆转的工具，而假肢只能对患者自身四肢进行有限的功能恢复。”该团队继续说道，“因此，确定并加强推动肢体再生的潜在项目将引起医学和研究领域的极大兴趣。”

许多生物——包括蝾螈、海星、螃蟹和蜥蜴——至少有部分肢体具有完全再生的能力。扁形虫甚至可以被切成碎片，每一块都可以重建一个完整的有机体。人类能够通过新组织的生长来闭合伤口，我们的肝脏具有非凡的、几乎类似于扁虫的再生能力，可以在损失50%后恢复到完整大小。然而，人类或其他哺乳动物的任何自然再生过程都无法恢复失去一个大而结构复杂的肢体——一条手臂或一条腿。事实上，我们倾向于用无定形的疤痕组织覆盖重大损伤，保护其免受进一步失血和感染，并防止进一步生长。

作者指出，X.laevis是一种常见的模式生物，以前曾被用于解决发育生物学和再生医学中的问题。“像X.laevis这样的生物体，其在成年期有限的再生能力反映了人类的再生能力，是测试能够恢复形态和功能的干预措施的重要模型。”塔夫茨团队之前的研究表明，非洲爪蟾肢体的显著生长可能是由一种药物黄体酮引发的。然而，由此产生的肢体呈棘突状生长，与形状更正常、功能更强大的肢体相去甚远。他们写道：“我们最近对成年非洲爪蟾的研究表明，黄体酮诱导了很大程度的生长。然而，由此产生的再生远没有完全发挥作用，并且没有实现肢体的重新设计。”

塔夫茨大学的研究人员最近报道了一项针对成年青蛙的研究，他们将伤口包裹在一个叫做BioDome的硅胶盖中，触发了再生过程，该硅胶盖中含有一种包含五种药物混合物的丝蛋白凝胶。“我们假设，启动肢体构建程序需要两个组成部分在过程的早期启动阶段起作用：第一，一个封闭且允许的微环境，使伤口细胞能够控制受伤后的生化环境；第二，一组有指导意义的信号，专门触发肢体构建计划。”这种多药治疗混合物由五种小分子化合物（BDNF, GH, 1,4-DPCA, RD5,and RA）组成，在之前的研究中，这些化合物已被独立证明具有显著的促再生作用。

BioDome设备基本上将药物混合物密封在残肢上仅24小时，而这种短暂的治疗足以启动18个月的再生期，从而恢复腿部功能。研究人员写道：“接受治疗的动物伤口愈合明显延迟，随后出现长期（18个月）生长结果，包括骨长度增加、软组织形成和神经肌肉修复。”

每种药物都有不同的用途，包括抑制炎症、抑制可能导致瘢痕形成的胶原蛋白的产生，以及促进神经纤维、血管和肌肉的新生长。多药混合物和生物反应器的结合提供了一个局部环境和信号，使其从关闭残肢的自然趋势转向再生过程。

研究人员观察到，许多接受治疗的青蛙的组织显著增长，重建了一条几乎功能齐全的腿。新肢体的骨骼结构具有与自然肢体骨骼结构相似的特征、更丰富的内部组织（包括神经元）以及从肢体末端长出的几个“脚趾”，尽管没有底层骨骼的支撑。“组织学上，再生肢体包含神经、显示血管整合的平滑肌，以及参与组织重塑的细胞外基质（ECM）蛋白的重组。”科学家们继续说道。

重要的是，再生的肢体会移动，并对来自硬纤维的触碰等刺激做出反应，“表明与损伤前的正常功能相比，它们已经恢复了显著的神经再生和神经肌肉重新整合……”青蛙能够利用再生的肢体在水中游泳，像普通青蛙一样移动。“最值得注意的是，这些动物利用新形成的肢体以类似于野生青蛙的方式行走。”科学家们说。“看到我们选择的药物有助于创造一个几乎完整的肢体，这真令人兴奋。”Murugan说，“只需短暂接触药物即可启动长达数月的再生过程，这一事实表明，青蛙和其他动物可能具有休眠再生能力，可以被触发行动。”

研究人员探索了短期干预可能导致长期增长的机制。在治疗后的最初几天内，他们检测到已知分子通路的激活，这些通路通常用于发育中的胚胎，以帮助身体成形。这些通路的激活可以让肢体自身处理生长和组织的负担，类似于胚胎中的情况，而不需要在肢体生长所需的数月内持续进行治疗干预。

具有自然再生能力的动物大多生活在水生环境中。失去肢体后的第一个生长阶段是在残端末端形成称为胚芽的大量干细胞，用于逐渐重建失去的身体部位。在受伤后的最初24小时内，伤口会迅速被皮肤细胞覆盖，从而保护下方的重建组织。

塔夫茨大学Stern家族工程学教授、该研究的合著者David Kaplan博士说：“哺乳动物和其他再生动物的伤口通常会暴露在空气中或与地面接触，它们可能需要几天到几周的时间才能愈合疤痕组织。在最初的24小时内使用BioDome帽有助于模拟类似羊膜的环境，再加上合适的药物，可以在不受疤痕组织干扰的情况下进行重建过程。”

五种药物的混合物代表着青蛙四肢功能恢复的一个重要里程碑，并表明进一步探索药物和生长因子组合可能导致功能更完整的肢体再生，具有正常的手指、蹼，以及更详细的骨骼和肌肉特征。

“接下来我们将测试这种治疗如何应用于哺乳动物。”通讯作者Michael Levin博士说，他是艺术与科学学院的Vannevar Bush生物学教授，塔夫茨大学艾伦发现中心主任，也是Wyss研究所的副教授。

“在BioDome下用液体环境覆盖开放性伤口，并使用合适的药物混合物，可以提供启动再生过程所需的第一信号。”他说，“这是一种专注于触发休眠的、固有的解剖模式程序的策略，而不是对复杂的生长进行微观管理，因为成年动物仍然拥有形成身体结构所需的信息。”

作者总结道，“接下来必须在哺乳动物中测试这种特定MDT的普遍性。我们建议，通过我们的生物反应器，为伤口细胞提供一个水性羊膜样环境的总体策略，其中包含促再生信号，这可能是启动生物医学相关生长和模式级联的有效方法，过于复杂，无法直接实施。”