蜥蜴是唯一保留兩棲蠑螈再生能力的羊膜動物，也是哺乳動物的近親，而且它還是唯一在同一動物中結合了再生附肢（尾巴）和非再生附肢（四肢）的成年脊椎動物。這對於研究再生生物學的科學家們來說，可謂是個極其強大的動物模型。
安樂蜥，南、北溫暖的地區皆有分布。圖片來源：維基百科
果然，小小的蜥蜴不負眾望。2023 年 8 月 10 日，它在再生領域做出了巨大貢獻，來自美國南加州大學的研究人員將這些成果發表在《自然通訊》雜誌上，這一發現將幫助我們了解如何重建受損的軟骨。接下來，就讓我們一起來探究蜥蜴的軟骨如何再生吧！
美國南加州大學研究人員發表解析蜥蜴軟骨再生的論文。圖片來源：《自然通訊》雜誌官網
蜥蜴再生的尾巴里有哪些細胞？
為了研究蜥蜴尾巴再生過程中各種狀態的複雜性和細胞異質性，科學家們對不同再生階段（原始尾巴、炎症階段、芽基階段、再生穩態）的蜥蜴尾巴進行了單細胞RNA測序，並且通過原位雜交和組織學驗證鑑定出了多種細胞，包括免疫細胞和成纖維結締組織細胞等。
蜥蜴再生尾巴的單細胞測序聚類結果。圖片來源：改編自參考文獻[1]
有趣的是，成纖維結締組織細胞在芽基階段大量增加。且偽時間軌跡分析表明，許多芽基成纖維結締組織細胞表達骨橋蛋白（spp1），其中一些（並非所有）成纖維細胞還會在尾巴再生過程中繼續表達硫酸酯酶 1（sulf1），隨後變成 sox9 陽性的軟骨細胞並形成軟骨。
蜥蜴尾巴再生不同階段各種細胞的比例。圖片來源：改編自參考文獻[1]
軟骨再生的神推手——Hh 信號
科學家們之前發現，Hedgehog（Hh）信號是誘導芽基軟骨形成的關鍵信號，且 sulf1 在其他系統中受到 Hh 信號的調節。在這項新研究中，研究人員也發現在蜥蜴斷尾中，sulf1 對 Hh 信號也十分敏感。
為了進一步證實兩者的關係，他們從供體蜥蜴不同再生階段的尾巴中分離出成纖維細胞，標記後注射到 Hh 激活劑處理的受體蜥蜴尾部芽基中。
移植後的第 14 天，研究人員發現，移植的 sulf1 陽性的芽基成纖維細胞大多數都參與了軟骨的形成。這表明，芽基成纖維結締組織細胞具有響應 Hh 刺激並形成軟骨的獨特能力。後續的研究也發現，sulf1 陰性的斷肢成纖維結締組織細胞沒有這個能力。
測試不同再生階段成纖維結締組織細胞的軟骨再生能力（圖片來源：改編自參考文獻[1]）
成纖維結締組織細胞的好搭檔
——破隔細胞
在對蜥蜴再生尾部進行單細胞測序時，研究人員發現了一群破隔細胞，它們是來自周細胞的吞噬細胞，可以調節哺乳動物的骨骼發育和癒合。
這項新研究又發現它在芽基形成期間的尾部達到峰值，並定位於 sulf1 陽性的芽基成纖維結締組織細胞群中。這提示我們，破隔細胞和芽基細胞的狀態之間存在一定關係。
破隔細胞出現在 sulf1 陽性的芽基成纖維細胞群中（圖片來源：改編自參考文獻[1]）
為了理清這兩種細胞之間的關係，研究人員用氯膦酸鹽脂質體人為耗盡了蜥蜴斷尾中的吞噬細胞群。結果發現，成纖維結締組織細胞響應 Hh 信號形成軟骨的能力減弱。由此可見，蜥蜴芽基的成纖維細胞想要在 Hh 信號的刺激下形成軟骨，還有賴於好搭檔——吞噬細胞群的幫助。
測試芽基成纖維細胞 Hh 反應性對破隔細胞的依賴性（圖片來源：改編自參考文獻[1]）
破隔細胞分泌因子
「化腐朽為神奇」
既然破隔細胞對軟骨再生是必要的，那麼在人為耗盡吞噬細胞後，它們能否拯救蜥蜴尾部芽基細胞軟骨形成潛能呢？
為了回答這個問題，研究人員中收集了巨噬細胞條件培養基（M-CM）和破隔細胞條件培養基（S-CM）並濃縮，將浸泡在其中的海藻酸鹽珠植入與氯膦酸鹽脂質體和Hh激活劑共處理的蜥蜴斷尾中。
結果發現，sulf1 陽性的細胞僅在與 Hh 激活劑以及條件培養基共處理的尾部中檢測到，表明蜥蜴破隔細胞分泌的能因子能夠挽救芽基的形成，化腐朽為神奇。
測試破隔細胞分泌因子能否挽救斷尾芽基的形成（圖片來源：改編自參考文獻[1]）
此外，研究人員還在蜥蜴斷肢中重複了上述實驗。結果發現，原本缺乏破隔細胞的斷肢，竟然因為外源破隔細胞分泌因子的加入，也可以再生軟骨了！
我們離人類軟骨再生還有多久？
至此，科學家們總算搞明白了蜥蜴的尾巴軟骨到底是如何再生的：尾部靜息的成纖維細胞會對截肢損傷做出反應，表達 spp1 等成纖維結締組織細胞的標記基因，在巨噬細胞群浸潤和巨噬細胞分泌因子發出信號後，損傷狀態的成纖維結締組織細胞會遷移到截肢部位。
蜥蜴尾部在截肢損傷後出現破隔細胞群，導致成纖維結締組織細胞的 Hh 敏感性增加。暴露於破隔細胞分泌因子的成纖維結締組織細胞維持 spp1 表達，並在室管膜細胞產生的 shh 刺激後表達 sulf1 和 sox9，這種空間模式最終導致在芽基室管膜管周圍形成軟骨。
而如果沒有破隔細胞，斷肢成纖維結締組織細胞就無法維持 spp1 的表達，並且對 Hh 信號沒有反應。即使添加外源 Hh 信號刺激，斷肢成纖維結締組織細胞也不表達 sulf1 或形成軟骨，而是會形成疤痕。
蜥蜴尾巴再生的機製圖解（圖片來源：改編自參考文獻[1]）
說到這裡，大家是不是對在哺乳動物甚至人類身上再現神奇的軟骨再生充滿了期待？是的，科學家們後續將從小鼠開始，測試能否誘導哺乳動物重建受損的軟骨，並將進行進一步的研究與驗證，規避潛在的風險。畢竟，蜥蜴和人類的生物體系存在著差異，要成功將這項技術應用於人類仍然面臨許多挑戰。
結語
人類的軟骨組織，特別是關節軟骨一旦受損，往往無法再生，導致關節炎等疾病的難以治癒。如果人類能夠借鑑蜥蜴軟骨再生的機制，開發出新的治療手段，將有望大幅改善關節軟骨疾病的治療效果，為患者帶來新的希望。
參考文獻
[1]Vonk AC, et al., Single-cell analysis of lizard blastema fibroblasts reveals phagocyte-dependent activation of Hedgehog-responsive chondrogenesis. Nat Commun. 2023 Aug 10;14(1):4489.
策劃製作
出品丨科普中國
作者丨李玉歡 吉林大學
監製丨中國科普博覽
責編｜楊雅萍