指端无血管间充质在数字延伸中的特征化及其对节段模式形成的关键作用

本研究针对胚胎指端发育中未被充分表征的无血管间充质(AVM)，通过命运图谱、单细胞mRNA测序和组织操纵技术，揭示了AVM在指骨节段模式形成中的核心作用。研究发现AVM具有独特的转录特征，其未定型细胞群与定型化的指骨形成区(PFR)存在调控关系，共同协调指端延伸与关节形成。该研究为先天性指畸形(如短指症)和再生医学提供了新的机制见解。

　　

在胚胎发育过程中，手指和脚趾的形成是一个精妙而复杂的过程。这些被称为"数字"的结构由一系列称为指骨的小骨组成，沿近远轴排列并由滑膜关节分隔。尽管数字数量和身份的指定是发育生物学的经典范例，但控制数字延伸和节段模式的机制仍不清楚。数字解剖结构的改变是最常见的手足先天性出生缺陷，对人类和动物的健康都有重要影响。短指症（指骨短小或畸形）估计发生在高达2%的人类活产中。更令人担忧的是，由于手指在日常生活中的核心作用，它们极易受到损伤，而手指缺失会对日常生活产生深远的后果。仅在美国，急诊科记录显示1997年至2016年间就有近50万例意外手指截肢病例。然而，与许多其他哺乳动物一样，人类的数字再生能力非常有限，这使得数字再生成为数十年来深入研究的热点。

与备受关注的成人指端再生相比，胚胎指端的研究却鲜少受到关注。发育中的指端由五层组成：外胚层（包括远端顶端外胚层脊AER）、无血管间充质(AVM)、边缘窦(MS)、血管化间充质(VM)和指骨形成区(PFR)。这些层次动态相互作用，驱动数字射线沿近远轴同时延伸和分割。虽然控制数字原基指定的机制在脊椎动物中高度保守，但每个数字中的指骨数量却有很大差异。例如，鲸类表现出超指骨现象，而鸡后肢中不同数字的指骨数量也不同，这使得鸡成为研究数字延伸和模式的理想模型。

在这项发表于《Developmental Biology》的研究中，研究人员通过创新的命运图谱方法、组织操作和单细胞mRNA测序数据，探索了AVM的转录特性和发育潜能。研究发现AVM对数字的正常节段模式形成至关重要，并具有独特的转录特征。此外，研究还揭示了AVM未定型组织与定型化的指骨形成区(PFR)之间意想不到的关系，这种关系控制着数字的模式形成，但不影响其延伸生长。

研究采用了多项关键技术：使用转基因鸡系(Chameleon)进行细胞命运追踪；通过组织移植和药物干预(如4-MU和PD0325901)操纵AVM功能；单细胞RNA测序分析AVM转录特征；以及印度墨水血管造影等形态学分析。这些方法共同揭示了AVM在数字发育中的多重作用。

研究首先通过PRICKLE1的表达模式分析，确认了其在鸡胚后肢AVM中的特异性上调。同源移植实验显示，AVM细胞能贡献到指骨、滑膜关节和周围间充质等多种组织中。值得注意的是，部分移植细胞在胚胎第11天仍保留在远端AVM位置，表明AVM具有自我更新和定向分化的双重能力。

通过稀疏标记技术，研究发现PFR标记细胞主要定位于近端指骨(P1和P2)，而AVM标记细胞则主要分布在远端指骨(P3和P4)并保留部分AVM细胞群。这一发现证实了AVM和PFR在数字发育中的区域特异性贡献。

当研究人员移除AVM和覆盖的AER后，数字延伸并未中止，但远端指骨模式出现异常。主要表现为远端指骨(P3和P4)数量减少或融合，而近端指骨(P1和P2)不受影响。特别值得注意的是，所有处理数字都形成了末端指骨，表明内源性模式程序在操作后能够重建。

通过插入钽箔屏障阻断AVM与近端组织的信号交流，研究进一步证实了远端-近端信号对AVM功能的重要性。屏障插入导致屏障远端指骨数量减少或缺失，但末端指骨仍能形成，这与AVM移植实验结果一致，表明AVM需要近端信号来维持其模式形成功能。

在分子机制层面，研究发现外胚层信号对AVM功能至关重要。抑制透明质酸(HA)合成会破坏AVM的无血管状态，导致指骨模式异常。有趣的是，无论是抑制还是过表达FGF8都会导致相似的表型，提示FGF8可能通过振荡信号网络或细胞迁移机制发挥作用，而非简单的剂量依赖效应。

单细胞转录组分析鉴定出AVM特异性表达基因HMGA1，其在维持AVM祖细胞群中可能发挥重要作用。轨迹分析显示，AVM细胞逐渐获得软骨形成标志物SOX9的表达，最终分化为软骨细胞。这一发现为理解AVM细胞的命运决定提供了分子基础。

讨论部分强调，AVM不仅贡献数字组织，还在关节指定中起关键作用。研究提出了一个模型：AVM作为数字祖细胞库，与PFR协同工作，将数字身份信息转化为具体的节段模式。这种协作需要持续的近端-远端信号交流，任何中断都会导致模式缺陷。

该研究的创新性在于首次系统地表征了AVM在数字发育中的多重角色，挑战了传统上认为PFR是数字模式唯一调控中心的观点。发现不仅深化了对数字发育机制的理解，也为先天性指畸形(如短指症)和再生医学研究提供了新的视角。特别是关于HA和FGF8在维持AVM功能中的发现，可能为促进成人指端再生提供新的治疗思路。

研究还提出了许多有待探索的问题，如AVM与PFR之间具体的信号分子、HMGA1在维持AVM祖细胞群中的确切机制，以及如何将这些发现转化为再生医学应用。这些问题的解答将进一步推动我们对肢体发育和再生的理解。