Science Advances：科学家们让青蛙失去的腿再生

科学家们已经在成年青蛙身上引发了腿的长期生长，这些青蛙天生无法再生四肢。青蛙在几个月的时间里重新长出了一条腿，这是由于在生物反应器下只需24小时接触五种药物的混合物而引起的。新的腿的功能足以让人产生感觉和运动。

　　

但在《科学进展》杂志上发表的一项研究中，塔夫茨大学和哈佛大学维斯研究所的科学家们让我们离再生医学的目标又近了一步。

在成年青蛙身上，这些青蛙天生就无法再生四肢，研究人员将五种药物的鸡尾酒应用在一个硅胶可穿戴生物反应器圆顶上，使其在残肢上只密封24小时，就能促使失去的腿再生。这种短暂的治疗需要18个月的时间来恢复腿的功能。

包括蝾螈、海星、螃蟹和蜥蜴在内的许多生物至少有部分肢体可以完全再生。扁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。人类可以用新组织的生长来愈合伤口，我们的肝脏在损失50%后，具有一种惊人的、几乎像扁虫一样的再生能力，可以完全恢复到原来的大小。

但是，人类或哺乳动物失去了大型且结构复杂的肢体——胳膊或腿——不能通过任何自然再生过程来恢复。事实上，我们倾向于用无定形的疤痕组织来掩盖重大的损伤，以防止进一步的失血和感染，并防止进一步的生长。

启动再生

塔夫茨大学的研究人员通过将伤口包裹在硅胶帽中，触发了非洲爪蛙的再生过程。他们称之为“生物罩”(BioDome)，其中含有一种丝蛋白凝胶，内含五种药物混合物。

每种药物都有不同的作用，包括抑制炎症、抑制导致瘢痕的胶原蛋白的生成，以及促进神经纤维、血管和肌肉的新生长。这种组合和生物反应器提供了一个当地的环境和信号，使鳞片偏离了关闭残肢的自然趋势，并向再生过程倾斜。

研究人员观察到许多经过处理的青蛙的组织急剧增长，重新创造了几乎完全功能的腿。新肢体的骨骼结构扩展了，特征与自然肢体的骨骼结构相似，有更丰富的内部组织(包括神经元)，而且从肢体末端长出几个“脚趾”，尽管没有下层骨骼的支持。

再生的肢体会移动，并对刺激做出反应，比如触摸硬纤维，这样青蛙就可以利用它在水中游泳，就像正常青蛙一样移动。

“看到我们选择的药物帮助创造了一个几乎完整的肢体，这是令人兴奋的，”Nirosha Murugan说，他是塔夫茨艾伦发现中心的研究附属机构，也是这篇论文的第一作者。“事实上，只需要短暂的药物接触，就可以启动一个长达数月的再生过程，这表明青蛙和其他动物可能有休眠的再生能力，可以被激发起作用。”

研究人员探索了短暂的干预可以导致长期成长的机制。在治疗后的头几天内，他们检测到已知分子途径的激活，这些分子途径通常用于发育中的胚胎，以帮助身体成形。激活这些途径可以让组织的生长和组织负担由肢体本身来处理，类似于在胚胎中发生的情况，而不需要持续几个月的治疗干预来生长肢体。

生物穹顶是如何工作的

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肢末端形成一团被称为胚基的干细胞，用来逐渐重建失去的身体部分。在受伤后的24小时内，皮肤细胞会迅速覆盖伤口，保护下面的重建组织。

“哺乳动物和其他再生动物的伤口通常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与疤痕组织愈合，”戴维·卡普兰(David Kaplan)说，他是塔夫茨大学斯特恩家族工程教授，也是这项研究的合著者。“在术后24小时内使用BioDome帽有助于模拟羊膜样环境，再加上合适的药物，可以在不受疤痕组织干扰的情况下继续重建过程。”

青蛙和哺乳动物的下一步

塔夫茨大学研究小组之前的工作表明，使用BioDome的单种药物黄体酮可以引发相当程度的肢体生长。然而，最终形成的肢体长得像一个尖刺，与当前研究中实现的更正常的功能性肢体形状相距甚远。

这五种药物的鸡尾酒代表了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的组合可能会导致再生的四肢功能更加完整，具有正常的手指、蹼和更详细的骨骼和肌肉特征。

通讯作者迈克尔·莱文说:“我们将测试这种治疗方法下一步如何应用于哺乳动物。”迈克尔·莱文是艺术与科学学院的Vannevar Bush生物学教授，塔夫茨艾伦发现中心的主任，同时也是维斯研究所的副教授。

他说:“在BioDome下的液体环境中覆盖开放的伤口，用正确的药物鸡尾酒，可以提供必要的第一个信号，启动再生过程。”“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构建身体结构所需的信息。”

Journal Reference:

1. Nirosha J. Murugan, Hannah J. Vigran, Kelsie A. Miller, Annie Golding, Quang L. Pham, Megan M. Sperry, Cody Rasmussen-Ivey, Anna W. Kane, David L. Kaplan, Michael Levin. Acute multidrug delivery via a wearable bioreactor facilitates long-term limb regeneration and functional recovery in adult            Xenopus laevis. Science Advances, 2022; 8 (4) DOI: 10.1126/sciadv.abj2164