了解动物四肢、器官和组织再生背后的生物学原理可以成为医学中潜在应用的来源。鹿的鹿角是一个特别好的研究对象，因为它们每年都表现出完全的形态，结构和功能再生而补偿性再生。鹿角的一个突出特点是再生速度：在3个月内达到15公斤的质量和120厘米的长度。鹿角是如何实现如此快速和完全的再生的。其详细的细胞机理尚不清楚。

为了搞清楚这个问题，西北工业大学邱强教授/王文教授、长春理工大学李春义教授、第四军医大学第一附属医院黄景辉教授和吉林农业大学李志鹏教授共同描述了一个鹿角再生的单细胞图谱。最早阶段的鹿角再生是表达配对相关的homeobox 1基因的间质细胞（PRRX1+间质细胞）。作者还确定了一个由PRRX1+间质细胞发展而来的 "鹿角胚胎祖细胞"（ABPCs）群体，并指导鹿角再生过程。跨物种的比较确定了几种哺乳动物胚胎中的ABPCs。在体内和体外ABPCs显示出强大的自我更新能力，并能生成骨软骨系细胞。最后，作者观察到鹿角生长中心在生长高峰期的细胞和基因表达的空间结构，揭示了参与鹿角快速伸长的细胞机制。相关成果以“A population of stem cells with strong regenerative potential discovered in deer antlers”为题发表在最新一期《Science》上。

据悉，该论文投稿仅仅40分钟，就显示送审期刊学术委员会，3个工作日送外审，1次返修通过终审。对于审稿人给出的1年修改时间，他们仅用了5个月。

在鹿角再生过程中，软骨和骨骼每年都会以很快的速度完全再生。为了全面评估鹿茸再生过程中的基因转录动态和细胞类型的变化，作者对梅花鹿（Cervus nippon）鹿茸在再生过程的不同阶段应用了scRNA-seq（图1A）。作者总共分析了74,730个细胞，涵盖了鹿角再生的关键阶段（图1B）。来自所有样品的细胞被集中起来并进行可视化处理，以便将这些细胞分配到八个假定的细胞群中（图1B）。接下来，作者探索了细胞亚型之间的系谱关系（图1C）。这种再生轨迹以PMCs、成软骨细胞和软骨细胞为主，总体趋势是从PMCs到成软骨细胞和软骨细胞的逐步变化（图1C）。同时，在PMCs中高表达的基因逐渐下调，而成软骨细胞和软骨细胞中的特征基因在终端分化后上调（图1C）。

图 1.再生鹿角的综合发育细胞图谱

鹿角再生过程中的细胞群动态

为了详细分析骨软骨再生过程，作者对注释的细胞类型进行了亚分类分析（图2A）。如上所述，在脱落前10天（再生前）和脱落后0天的骨梗骨膜中，PMCs很丰富，代表了主要的骨膜细胞群（图2B），这是鹿角骨软骨再生的关键细胞。除了在脱落前10天和脱落后0天检测到的三种间质亚型外，在脱落后5天还观察到另一种类型的PMC，以及小比例的软骨细胞（图2B），表明细胞异质性增加，软骨分化在脱落后5天已经开始。脱落后5天的PMC4细胞高度表达了支持再生的多个基因，它们主要与软骨生成和肢体发育有关（图2，D和E）。

图 2.鹿茸再生的细胞动态图谱和关键再生祖细胞的鉴定

脱落后5天ABPC的表型和功能表征

脱落后5天，胚基中的ABPCs在鹿茸再生中起着关键作用。作者分离了ABPCs以进一步表型和功能表征（图3A）。作者确定了一个富含ABPCs的基因群。两个细胞表面标志物在ABPCs中高度和差异表达（图3B）。随后，用流式细胞仪对CX43+FGFR2+的ABPCs进行了分类，以进行功能分析（图3B）。

由CX43+FGFR2+细胞形成的菌落可以克隆扩增和连续传代，产生保持免疫表型的二级和三级菌落，表明其自我更新能力。此外，与CX43+FGFR2-、CX43-FGFR2+和CX43-FGFR2-细胞相比，这些细胞的集落形成效率高得多，产生的集落大得多（图3，C和D）。接下来，作者对克隆培养物进行了体外分化试验。CX43+FGFR2+细胞显示出强大的成骨和软骨的分化能力，但没有成脂肪的能力（图3E）。此外，在相同条件下，CX43+FGFR2+细胞显示出比BMSCs更强的骨软骨分化能力，表现为更高的成骨标志物（RUNX2和SP7）和软骨生成标志物（SOX9和COL2A1）的表达水平，但没有脂肪生成标志物（ADIPOQ和PPARG）（图3F）。因此，鹿茸CX43+FGFR2+细胞保持自我更新能力，并具有强大的骨软骨分化能力，突出了它们在基于细胞治疗的骨和软骨再生中的潜在效用。

为了进一步评估CX43+FGFR2+细胞的体内分化潜力，作者将细胞培养物移植到免疫缺陷小鼠的肾囊中（图3G）。移植8周后，CX43+FGFR2+细胞显示出强大的骨软骨分化能力（图3H）。他们形成的新软骨和骨的面积明显大于BMSCs（图3I）。为了进一步评估它们在再生医学和骨重塑方面的潜在治疗价值，CX43+FGFR2+细胞被用来修复兔子的股骨髁部缺陷。8周后，BMSCs和CX43+FGFR2+细胞都用新形成的骨填充了空腔，但CX43+FGFR2+细胞产生的新骨小梁数量更高（图3，J和K）。因此，CX43+FGFR2+细胞在体内有很强的促进骨形成的能力，有可能用于基于细胞的疗法，促进骨再生。与其他干细胞类型相比，CX43+FGFR2+细胞具有优势，包括优越的增殖和骨软骨分化能力和体外扩增。

图3. ABPCs（CX43+FGFR2+细胞）的表型和功能特征

鹿茸快速生长过程中的空间细胞和遗传异质性

鹿茸的骨质生长速度是任何动物中记录的最高速度。鹿茸的生长过程在空间上是有组织的，在鹿茸顶端形成一个鹿茸生长中心（AGC）（图4A）。AGC成为鹿茸快速伸长的主要生长中心，并在组织学上再现了胚胎期长骨的生长中心。

单细胞图谱与组织学空间位置分布相吻合（图4B）。鹿角尖最远端的间质层主要由软骨周围细胞和ABPCs组成（图4，B和C），表明脱落后5天形成的ABPCs作为鹿角生长的干细胞库在鹿角尖持续存在。软骨前层主要是软骨细胞，这是软骨生成的关键细胞，而ABPCs的比例较小（图4，B和C）。软骨和肥大前软骨（PH软骨）层以软骨细胞为主（图4，B和C）。肥大软骨层主要由成骨细胞组成（图4，B和C），这与肥大软骨正在被海绵骨取代的组织学发现相一致。作者重建了AGC从远端到近端各层的空间细胞图谱，扩大了作者对鹿茸快速伸长过程中主要细胞群的空间位置的理解。

图 4. 鹿茸快速生长的空间细胞和遗传异质性

小结

作者提出了一个鹿角再生的时空细胞图谱，它为哺乳动物器官的再生提供了有用的遗传和组织学资源。作者的结果表明，鹿角再生与一个基于干细胞的概念性再生过程是一致的。作者提供证据表明，在鹿角再生过程中存在一个类似于胚基的结构，并且与参与两栖动物肢体再生的结构相似，这表明胚基是脊椎动物组织再生中一个保守的生物学特征。作者进一步确定了鹿角胚基中的再生祖细胞群体具有令人印象深刻的自我更新、成骨-软骨分化和骨组织修复能力。这为了解鹿角再生提供了一个细胞基础，并扩展了已知的哺乳动物干细胞系统的目录。结果表明，鹿ABPCs可能在临床骨修复中有所应用。除此之外，通过激活关键的特征基因，将常规的人类间质细胞或其他细胞诱导成ABPC样细胞，有可能被用于骨骼损伤或肢体再生的再生医学。

来源：BioMed科技
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