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我们不知道答案的125个科学问题(7)器官的再生 精选

已有 5765 次阅读 2017-2-18 12:20 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦|关键词:器官再生,科学问题| 科学问题, 器官再生

上接第6个问题:http://blog.sciencenet.cn/blog-318012-1031430.html

  题记:前面已经说过,生物学领域的问题是最为现成但却对人类影响最大的问题。器官的再生预示着人类机体“零件”的自我修复而不是简单移植,如果能解决这个问题,器官移植所带来的限制(器官来源和排斥反应)将不复存在,这无疑会是人类科学一个重大的进步。

7.什么控制着器官的再生?What Controls Organ Regeneration?

  和经常更换零件的汽车不同,大多数人一生都不会去更换自己的器官也可以健康地生活很久,除非是自己的器官出现了重大的损伤,才迫不得已需要进行器官移植。当然人类不更换器官不是说人体器官能总和“原装”的一样不会出现功能衰竭的现象,但即便出现器官衰竭,人们也不可能像更换引擎或水泵一样那么容易地去更换自己的器官。在过去的几个世纪以来,人类医学不断发展,战胜了许多导致人类大面积死亡的可怕疾病,例如鼠疫等传染病,但如今在许多发达国家中,越来越多的慢性疾病和器官衰竭等疾病已经严重威胁到了人们的健康,而且这些疾病的发病率伴随着年龄的增长越来越变得不可忽视。而解决这些疾病的一个重要的方法就是器官再生医学。可以预见在21世纪的医学领域,用来对付这类疾病的再生医学技术(器官和组织的再造)的地位可能会相当于抗生素在20世纪医学领域中的地位。所以,在再生医学时代来临之前,研究人员们必须首先弄清楚:是什么生物信号在控制着机体器官的再生功能。

   几个世纪以来,研究人员对生物体损伤后的再生现象一直迷惑不解。例如,十八世纪中叶,瑞士博物学家Abraham Trembley(特朗布雷)就曾经记述:当我把水螅的身体切成数段,它依然能够重新生长成完整健康的个体。在那个时代,其他的科学家还注意到了某些蜥蜴的尾巴断掉后可以再生的现象。这以后大约一个世纪,Thomas Hunt Morgan(摩根)发现涡虫和扁形虫即使被切成279段依然可以获得再生。后来摩根断定“再生”可能是一个很难解决的问题,所以他放弃了涡虫转向了对果蝇的研究(托马斯·亨特·摩根,1866年9月25日-1945年12月4日,美国遗传学家、现代遗传学之父,约翰霍普金斯大学博士。他在对果蝇遗传突变的研究中,首次确认了染色体是基因的载体,还找出了多个突变基因在染色体上的分布位置,因此获1933年诺贝尔生理医学奖)。


   这之后,主流的生物学家们都追随着摩根的脚步,把自己的研究对象都集中到适合研究遗传和胚胎发育的生物体上。但是有些研究人员则决心继续研究这些能够器官再生的物种,他们因此设计出了开创性的策略来研究这些有机体的再生问题。这方面的努力和对新再生物种模型(如斑马鱼和特殊鼠类系)的研究工作慢慢开始揭示出是什么力量促使器官的再生或是什么力量阻止了生物器官的再生过程。


  研究发现,动物机体主要采用三种策略来进行器官的再生过程。第一种是:通常不发生分裂的器官的细胞在器官组织损伤后重新开始分裂和增殖用以修复缺失的器官,比如火蜥蜴的心脏损伤后心肌细胞的再次分裂过程。第二种是:生物体内的某类特殊的细胞,在特定的条件下会停止原来的正常分化过程而进入一种更加灵活的可以进行复制的细胞状态,然后再经过重新分化,变成损伤组织的细胞来修复损伤的器官。火蜥蜴和蝾螈就可以通过这种方式来修复它们被砍掉的肢体,斑马鱼也可以通过这种方式重新长出被剪掉的鱼鳍。第三种就是:大量的干细胞会涌入参与到修复损伤器官和组织的活动中。例如被切成数段的涡虫就是利用这种方式来进行自我完整修复的。


    人类在某种程度上也具有以上三种基本的修复能力。例如人体的肝脏被切去一部分后,修复信号就激发休眠的肝脏细胞重新进行分裂生长,从而使肝脏恢复到原来的大小。研究人员发现,如果采用适当的刺激或诱导信号,人体的一些特殊的细胞会恢复到一个更为原始的活跃状态。另外人体的干细胞也在不断帮助人体补充新鲜的血液、表皮和骨骼。可是,反过来,为什么我们的心脏却布满疤痕(死去的心肌细胞纤维化形成的),我们的晶状体会变得浑浊,以及我们的脑细胞会不断死亡而不会再生?

   蝾螈和涡虫这类动物可以通过重新激发类似胚胎发育期一样的再生机制去修复它们损伤的组织,而我们人类在成年后却失去了这种能力。在人类的胚胎时期,人体的所有器官可以被不断分化生长出来。后来经过不断地进化,人类成年时期器官再生的能力逐渐丧失或被抑制,这可能是因为再生所需要的活跃细胞的分裂能力会大大提高人类患癌症的风险(癌细胞会出现不正常的分裂能力)。或许我们应该进化出具有快速愈合伤口以降低感染的能力,尽管加速伤口愈合会给我们带来更多的伤疤。但像蝾螈这类擅长器官再生的“专家”却可以系统地进行伤口的愈合并能生长出原始的器官组织。目前的研究表明,避免组织纤维化可能意味着器官的再生和不再生之间的某种差异,例如实验上阻止老鼠伤口疤痕的形成会导致老鼠的神经系统一直保持活跃,但是当疤痕形成后,神经系统的活跃度会马上减弱。伤口的愈合对人体而言是一个非常奇妙的过程,其中最重要的是什么激发了表皮细胞的再生,伤口愈合又是什么阻止这个过程?

   要解开器官再生的奥秘,可能决定于我们是否可以弄清楚人体的伤口愈合过程和具有再生能力的动物的伤口愈合过程之间到底存在什么本质的差别。这种差别可能是非常微妙的:例如研究人员已经确认某些品种的老鼠可以在数周内愈合耳朵上的伤洞,而另外一些品种的老鼠却从来都办不到。进一步的研究发现:一些相对来说为数不多的基因上的差异似乎是造成老鼠伤口愈合能力差异的原因。也许将来利用基因编辑技术只需要改变区区几个基因就可以把我们人类变成具有超级伤口愈合能力的生物。由此可以预见器官的再生(器官细胞的分裂)一定受细胞基因的控制,例如癌细胞反常分裂能力的出现就来源于细胞的基因突变,但器官损伤后基因如何来启动和关闭这个过程是这个问题的本质所在?我们人类的基因编辑技术如何精准地去改变心脏细胞基因的哪个位点(或不去改变基因序列,而用带有特殊基的功能蛋白去结合关闭哪个基因位点),就可以激发心肌细胞的分裂,而我们又能通过怎样的手段来关闭这个分裂过程?

   所以一旦科学家们真的可以开启人类细胞的再生过程,新的问题又会出现:我们用什么方法去保证这些具有再生能力的细胞不会变得疯狂(如癌细胞)?我们该如何去保证器官的再生部分能保持其正常的尺寸,且具有正确的形状并保持其正确的位置和方向?如果研究人员能够完全解决以上这些问题,那么人们才会真正愿意为他们身体订购“再生部件”,而不仅仅只为他们那1967年的野马汽车去订购零件了。

R. JOHNDAVENPORT



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