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第三节 再生生物学的基本概念与原理
再生是生物体的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失,在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态与功能上相同的结构,这一修复过程称为再生。再分化是再生的基础,也就是说,在再生过程中,有些细胞首先要发生去分化,然后发生再分化,形成失去的器官或组织。
再生可分为生理性再生( physiological regeneration)及修复性再生( reparative regeneration)。生理性再生是指在生理过程中,有些细胞、组织不断老化、消耗,由新生的同种细胞不断补充,始终保持着原有的结构和功能,维持着机体的完整与稳定。例如,表皮的表层角化细胞经常脱落,而表皮的基底细胞不断地增生、分化,予以补充;红细胞平均寿命为120天,白细胞的寿命长短不一,短的如中性粒细胞,只存活1~3天,因此不断地从淋巴造血器官输出大量新生的细胞进行补充。尽管不同生理性再生现象的再生机制和细胞更新过程不一样,但从本质上来说,所有的生理性再生都是出于机体自身的需要。红细胞生成主要是由促红细胞生成素途径调控,这是目前生理性再生过程研究最清楚的途径之一。
修复再生是指组织器官缺损后发生的再生,如伤口愈合或骨折后重新接合的再生。从单个细胞到组织器官都有修复再生的现象(图1-1)。
图1-1 再生的主要类型
一、组织再生
组织再生( tissue regeneration)是修复再生的一种,其再生过程主要分成十个阶段,特征如下:①损伤(包括机械、化学和烫伤) ;②创伤后局部缺血和水肿;③局部炎症和坏死组织的去除;④再生动员细胞前体活化;⑤创伤区域的血管再生;⑥细胞外基质提供再生所需的底物;⑦再生所需细胞的大量增殖;⑧再生组织的分化;⑨再生组织的形态发生;⑩再生组织的功能恢复。
尽管各个组织的再生过程比较类似,但具体到各个组织,其再生的原理和能力又有所不同:
上皮组织的再生
1.被覆上皮再生
鳞状上皮缺损时,由创缘或底部的基底层细胞分裂增生,向缺损中心迁移,先形成单层上皮,后增生分化为鳞状上皮。
2.腺上皮再生
其再生情况以损伤状态而异。腺上皮缺损腺体基底膜未破坏,可由残存细胞分裂补充,可完全恢复原来腺体结构;腺体构造(包括基底膜)完全破坏时则难以再生。
3.纤维组织的再生
受损处的成纤维细胞在刺激作用下分裂、增生。
4.软骨组织和骨组织的再生
软骨起始于软骨膜增生,骨组织再生能力强,可完全修复。
5.血管的再生
(1)毛细血管的再生:
出芽方式。
(2)大血管修复:
大血管离断需手术吻合,吻合处两侧内皮细胞分裂增生,互相连接,恢复原来内膜结构。离断的肌层不易完全再生。
6.肌肉组织的再生
肌组织再生能力很弱。横纹肌肌膜存在、肌纤维未完全断裂时,可恢复其结构;平滑肌有一定的分裂再生能力,主要是通过纤维瘢痕连接;心肌再生能力极弱,一般是瘢痕修复。
7.神经组织的再生
脑及脊髓内的神经细胞破坏后不能再生。外周神经受损时,若与其相连的神经细胞仍然存活,可完全再生;若断离两端相隔太远、两端之间有瘢痕等阻隔等原因时,则形成创伤性神经瘤。
修复再生中还有一种特殊的再生现象,譬如蜥蜴或蝾螈的断尾、断肢的再生。这种从创伤处再生处发育再生出新的组织结构的再生现象又被称为割处再生( epimorphic regeneration)。在这种再生现象中,机体切面没有增殖再生,而是依靠剩余的一部分直接发育成一个新的组织器官。一般来说,割处再生的特征是:①通过表皮间充质的相互作用形成再生芽基;②内源表达形态发生的关键基因。
二、割处再生
两栖类四肢的再生是割处再生的经典模型,该再生过程主要由六个关键环节构成。
(一)伤口愈合
已有研究表明再生组织的伤口愈合与非再生组织的愈合过程几乎没有任何差异。断肢出现的时候,伤处的肌肉等软组织立刻会收缩,有利于血管收缩;之后血管壁也迅速收缩,致使创面的大出血被制止;几小时内,创口边缘的表皮细胞会在血清和细胞外因子的作用下被动员发生迁移,覆盖住创伤表面,阻止创伤被感染恶化。
(二)吞噬作用
目前研究对吞噬拆建( phagocytosis and demolition)这一时期的理解远不如对其他时期的清楚,只知道这一时期的主要作用在于区分残肢是否在以后会发生再生。一旦伤口愈合,创伤面表皮化以后,虽然残肢的组织学表现似乎是恢复正常了,但断肢处的肌肉、神经、骨骼以及皮肤仍然表现为一种近期急性创伤的应激反应。特别是软组织会被炎性细胞浸润,但两栖动物的炎症反应要比哺乳动物的类似损伤轻得多。除了伤口处的表皮会慢慢变厚外,早期的再生变化并不是特别显著。研究表明在该时期,在金属基质蛋白酶的作用下,细胞外基质会重建;随后一些丝氨酸蛋白酶刺激静止的细胞重新进入细胞周期,启动修复再生过程。
(三)去分化
人们对去分化( dedifferentiation)时期的认识是再生领域最具有争议的研究之一,比较清楚的是残肢的成熟组织会慢慢变成一种具有胚胎类似性质的组织结构,争议的地方在于残肢组织重建过程中,是由剩余的成熟细胞去分化形成一种具有多能性的前体细胞还是在残肢组织中本身就存有类似的多能细胞被动员了。不管争论如何,从组织结构上来说,去分化时期主要发生了以下事件:一是残余骨组织在破骨细胞的作用下,形成一种具有类似成骨作用的软骨基质;二是表皮变得异常的厚,并伴随有神经纤维的生长;三是肌肉组织失去原有的纹理状结构,变成一种类似肉团的结构,最后演变成芽基组织。
(四)芽基形成
芽基再生( blastema formation)是指去分化后期,一群非成熟的细胞积聚在残肢表皮帽的远端,这群大量积聚在一起的细胞形成的一种处于生长状态的芽泡状结构的过程。无论是结构上还是特性上,芽基都类似于胚胎肢芽。与肢芽的间充质细胞类似,尽管已有研究发现芽基细胞存在许多的亚群,但芽基细胞之间并无明显的区分。最初阶段,芽基组织中并没有血管,但到了后期发育成熟后,又会出现新的网状血管。芽基形成时期最关键的肢体发育的模式,虽然现在人们并不知道该时期的具体调控方式,但已有科学家开始用肢体的胚胎发生过程来模拟诠释芽基再生的过程,相信不久的将来,芽基再生的研究对人类的肢体再生具有十分重要的作用。
(五)形态发生
形态发生( morphogenesis)是芽基再生的一种肢体再生模式,反映了芽基的快速增长,积聚的一部分芽基细胞通过软骨成骨的方式重建残肢的原有骨骼结构。在这一时期,会形成明显的靠近远端的分化前后级梯度。形态发生后期,从结构上来说,再生的肢体与原有的肢体是一样的。
(六)生长
对于较大个体的四肢再生来说,一旦形态发生完成,再生的四肢就已经形成了,但相对于个体大小来说,再生的四肢是非常小的,还需要几个星期的不断生长,再生四肢才能长成和正常四肢一样的大小。
割处再生并不仅限于两栖类动物的四肢,哺乳动物中也有类似的再生现象,如鹿茸每年都重新生长一次。割处再生作为修复再生的一种特殊再生现象,尽管在再生细节上不同于其他修复再生,但一些关键点是再生普遍需要的。譬如创伤的表皮化和再生细胞的动员等,这些对于组织器官的再生有十分重要的意义。