日前，西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院院長、教授邱強及教授王文團隊聯(lián)合長春科技學院、西京醫(yī)院、吉林農(nóng)業(yè)大學等單位構(gòu)建了鹿茸再生的細胞圖譜，鑒定出一類鹿茸再生干細胞，揭示了鹿茸再生的細胞學基礎(chǔ)及分子調(diào)控機制。這為哺乳動物器官再生提供了理論基礎(chǔ)，為未來鹿茸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和再生醫(yī)學的研究開辟了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《科學》上，并入選中國農(nóng)業(yè)科學院發(fā)布的《2024中國農(nóng)業(yè)科學重大進展》。

　　適應進化的重要特征

　　在大自然中，螃蟹、壁虎等動物都有神奇的再生能力，揭秘動物的神奇再生能力對探索生命科學具有重要意義。

　　鹿茸是哺乳動物唯一能周期性再生的器官。鹿茸內(nèi)部為軟骨和骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，外覆一層帶絨毛的皮膚，并布滿了血管和神經(jīng)。

　　那么，鹿茸究竟是如何實現(xiàn)快速且完整再生呢?鹿茸的再生以年為周期：每年春天，完全骨化了的鹿茸，即鹿角，從公鹿頭部被稱為角柄的永久性骨樁上脫落;鹿角脫落后，傷口處會迅速聚集免疫細胞進行止血和凝血，干細胞會快速遷移至傷口，形成鹿茸芽基組織;芽基組織通過頂端生長的方式，帶動鹿茸快速生長，夏季每天能增長2—3厘米，長度可達到1.2米;秋季，公鹿體內(nèi)雄激素水平的快速升高導致鹿茸出現(xiàn)徹底骨化，變成鹿角;第二年春天完全骨化的鹿茸再次從角柄上脫落，觸發(fā)新一輪的鹿茸再生。

　　“再生能力是一種重要的進化適應性特征。不同類群的動物，具有相似的再生策略，均遵循‘損傷響應—再生芽基形成—組織重建—功能恢復’的核心過程。通過器官再生，有助于提高動物在自然環(huán)境中的競爭優(yōu)勢。”邱強介紹，公鹿鹿茸完全骨化后形成的鹿角更大、造型更復雜，更有機會吸引母鹿。此外，更大的鹿角可以更好地對抗掠食者以及保護領(lǐng)地，提高生存率。

　　解析鹿茸再生過程

　　鹿茸不僅是一個能夠在自然情況下周期性再生的器官，在轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究中也展現(xiàn)出其獨特價值。

　　“鹿茸再生過程包括皮膚、骨骼、血管和神經(jīng)等多種組織的協(xié)同修復，并涉及干細胞的遷移和分化、免疫反應的調(diào)控以及快速的組織重建。這些特點使得鹿茸成為研究快速生長、功能重塑以及器官再生機制的重要模型。”邱強說。

　　西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院博士生、論文第一作者秦濤介紹：“以前我們只知道鹿茸能夠周期性再生，但是我們不知道其再生的內(nèi)在細胞和分子機制。這次研究中，我們通過‘器官—組織—細胞—分子’的視角，全方位探究了整個鹿茸的再生過程。”

　　研究團隊長期從事反芻動物角的多樣性演化研究。在此次研究中，他們收集了鹿茸再生過程中連續(xù)8個關(guān)鍵階段的樣品，并利用單細胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，構(gòu)建了首個完整的鹿茸再生發(fā)育細胞圖譜。借助生物信息學分析，他們發(fā)現(xiàn)鹿茸再生過程中存在一群發(fā)揮關(guān)鍵作用的鹿茸再生干細胞。這一干細胞群能表達多種再生基因。“組織學結(jié)果證明，這一干細胞群持續(xù)存在于鹿茸的尖端，能夠不斷向下分化，帶動鹿茸快速生長。”秦濤說。

　　邱強介紹，通過細胞和分子功能驗證，研究團隊證實了鹿茸再生干細胞具有極強的再生和修復潛力，有更顯著的成軟骨和成骨能力。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了人們對哺乳動物再生機制的理解，也為多組織器官再生和生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域的研究提供了新思路，并能在一定程度上推動干細胞治療、生物材料和組織工程技術(shù)的發(fā)展。

　　產(chǎn)業(yè)實踐任重道遠

　　通過深入解析鹿茸再生干細胞的分子機制，并結(jié)合基因編輯和細胞生物學相關(guān)技術(shù)，有望加快鹿茸的生長速度，提高鹿茸質(zhì)量。“這能促進鹿茸提取物的功能性研究，為保健品、護膚品、藥品等高附加值產(chǎn)品的開發(fā)提供支撐，進一步延伸和拓寬鹿茸產(chǎn)業(yè)鏈，推動鹿茸產(chǎn)業(yè)向科學化、標準化方向發(fā)展，大幅提升產(chǎn)業(yè)附加值。”邱強說。

　　“我們發(fā)現(xiàn)鹿茸生長就是依賴鹿茸再生干細胞的增殖和分化，那為什么不能在體外進行核心干細胞的規(guī)模化培養(yǎng)以促進鹿茸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呢?”邱強表示，通過現(xiàn)代細胞生物學技術(shù)，以及工廠化、規(guī)模化的手段，能實現(xiàn)大規(guī)模的鹿茸再生干細胞培養(yǎng)和相關(guān)鹿茸產(chǎn)品的研發(fā)。這意味著，未來通過“養(yǎng)細胞”的方式就有可能促進傳統(tǒng)養(yǎng)鹿、鹿茸產(chǎn)業(yè)的進一步升級。

　　目前，團隊正致力于建立鹿茸再生干細胞體外規(guī)模化培養(yǎng)體系。然而，要將鹿茸再生干細胞相關(guān)理論真正應用于產(chǎn)業(yè)實踐，仍需破解多個關(guān)鍵難題。

　　在邱強看來，一方面，需要深入解析鹿茸再生干細胞的作用機制，并建立從基礎(chǔ)研究到技術(shù)轉(zhuǎn)化的有效路徑，確保新技術(shù)在養(yǎng)殖環(huán)境中的穩(wěn)定性和可重復性;另一方面，還需妥善解決倫理法規(guī)、成本效益平衡及環(huán)境生態(tài)影響等問題，以降低法律風險，避免潛在的生態(tài)破壞，確保鹿茸產(chǎn)業(yè)的安全性與可持續(xù)發(fā)展。

　　邱強表示，鹿科動物作為大型哺乳動物生長和繁殖周期長，研究成本較高。此外，鹿茸再生涉及多種組織和器官的協(xié)同修復，使得整體揭示其細胞與分子協(xié)同機制更加復雜，相關(guān)研究基礎(chǔ)薄弱，需要重新建立相應技術(shù)體系。邱強呼吁，希望有更多科學家關(guān)注并投身于鹿茸再生研究，共同攻克這一領(lǐng)域的關(guān)鍵科學問題，推動對哺乳動物再生機制的深入探索。

　　編輯：岳含笑