西工大/长春科技学院/空军军医大学/吉林农业大学，四校联合发Science！

2023-02-27

38842

一般情况下，哺乳动物不具有再生器官的能力。一个例外是鹿角的再生，鹿角定期脱落，随后又重新生长，鹿角也成为哺乳动物中唯一能够在自然情况下实现完全再生的器官，这为研究哺乳动物的器官再生提供了有价值的模型。

在此，西北工业大学邱强教授和王文教授，长春科技学院李春义教授，空军军医大学黄景辉教授，吉林农业大学李志鹏教授等人首次描述了鹿角再生的单细胞图谱。同时，作者还鉴定出了一组“鹿角芽基祖细胞”（ABPCs），且这些细胞是从PRRX1间质细胞发育而来，并指导鹿茸整个的再生过程。

结果表明，体内外ABPCs表现出较强的自我更新能力，具有成软骨和成骨的能力。此外，作者观察到鹿茸生长中心在高峰生长阶段具有空间结构良好的细胞和基因表达模式，揭示了鹿茸快速生长的细胞机制。

相关论文以“A population of stem cells with strong regenerative potential discovered in deer antlers”为题发表在Science。

低等脊椎动物具有非凡的生长能力，即使在成虫阶段，也能以无疤痕的方式愈合并再生丢失的附属物。相比之下，哺乳动物在很大程度上失去了器官再生的能力。

然而，鹿茸为研究哺乳动物的自然再生提供了一个单一的模型，在春末夏初，鹿角在大约3至4个月内生长和钙化，生长速度为2.75cm/天，在中型到大型哺乳动物中实属罕见。在夏末，鹿角脱落。先前的研究结果确定了与鹿茸快速生长相关的一些正向选择基因，但涉及鹿茸再生的详细细胞和分子机制尚不清楚。

为了全面评估鹿茸再生过程中发生的基因转录动力学和细胞类型变化，作者收集再生过程的各个阶段样本，总共分析了74730个细胞，涵盖了鹿茸再生的关键阶段。

研究后发现，基于识别出的间质细胞类群，将细胞分配给八个假定的细胞群，其中只有PMC1，PMC2，PMC3属于再生组织，在再生5天观察到另一种类型的PMC（表示PMC4）以及小比例的软骨细胞，表明细胞异质性增加，再生5天后软骨开始分化。

实际上，鹿茸ABPCs细胞保持了自我更新能力，并对软骨分化具有很强的效力，突出了它们在基于细胞的软骨和成骨再生治疗中的潜在效用。基于此，将此细胞移植到免疫缺陷小鼠的肾囊中。移植后8周，细胞表现出很强的软骨分化能力。

为了进一步评估其在再生医学和软骨重塑中的潜在治疗价值，使用ABPCs细胞修复兔股骨髁缺损。8周后，细胞都用新形成的骨填充了空腔，其具有很强的促进体内骨形成的能力。尽管如此，关于在临床上使用鹿茸ABPCs细胞的许多担忧仍有待在未来的研究中解决，包括其详细的分子调控机制和使用中涉及的安全隐患，以及伦理和法律问题。

鹿角的生长速度在所有动物中生长最快，且生长过程在空间上组织良好，在鹿角尖端形成鹿角生长中心，成为鹿茸快速伸长的主要生长的地方。为了表征其在细胞和基因表达水平上的空间异质性，将再生60天的鹿角进行分析。鹿角尖最远端的间质层主要由软骨周围细胞（29.68%）和ABPC（49.96%）组成，表明在再生后5天形成的ABPCs在尖端作为鹿茸生长的干细胞库持续存在。

总的来看，本文提出了鹿茸再生的时空细胞图谱，为哺乳动物器官再生提供了有用的遗传和组织学资源。结果表明，鹿茸再生与基于概念干细胞的再生过程一致。

进一步在鹿茸胚泡中发现了一组再生祖细胞（ABPC），其具有自我更新、成骨-软骨分化和骨组织修复能力，这为理解鹿角再生提供了细胞基础，并扩展了已知哺乳动物干细胞系统的目录。跨物种对比表明，与ABPC相似的细胞类型存在于小鼠再生手指尖中，但不存在于小鼠非再生手指尖。

更加重要的一点是，本文的体外和体内结果表明，鹿茸ABPC可能在临床骨修复中具有应用价值。

文献信息

Tao Qin1†, Guokun Zhang†, Yi Zheng†, Shengyou Li†, Yuan Yuan†, Qingjie Li†, Mingliang Hu, Huazhe Si, Guanning Wei, Xueli Gao, Xinxin Cui, Bing Xia, Jing Ren, Kun Wang, Hengxing Ba, Zhen Liu, Rasmus Heller, Zhipeng Li*, Wen Wang*, Jinghui Huang*, Chunyi Li*, Qiang Qiu*, A population of stem cells with strong regenerative potential discovered in deer antlers, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.add0488