MDI生物实验室的科学家们发现了这种鱼类如何解决再生生物学中的一个基本挑战——这一发现发表在他们最新的《发育》期刊上，未来或许能指导人类的修复。
当人类肾脏因高血压或糖尿病伴随的高血糖等状况受损时，可能会失去部分肾单位——肾脏的基本废物过滤单元。如果失去足够多的肾单位，肾功能就会减弱，导致慢性肾病的典型症状：疲劳、肿胀、呼吸急促。这是全球第九大死亡原因。而在成年人体内，一旦肾单位消失，就一去不复返了。没有方法可以使其再生。至少目前还没有。
MDI生物实验室和世界各地的科学家正从多个角度攻克这个问题：从人类干细胞培育新的肾脏组织和被称为“类器官”的微型器官；利用3D“生物打印”从头构建一个新肾脏；或者像某些其他动物那样，诱导身体自行修复和再生自身的肾单位和肾脏。比如斑马鱼。
一种能替代我们所不能的鱼类
与人类不同，成年斑马鱼在肾脏损伤后可以形成全新的肾单位。更令人惊奇的是，这些新的过滤单元并非简单地生长；它们会自行连接到一个由微小管道（称为小管）组成的网络，这些管道使液体流过肾脏，保留水分、电解质和营养物质，同时将废物排入泌尿系统。
科学家们在实验室中培育肾脏组织方面已取得一些成功，甚至将其移植到小鼠等哺乳动物体内。但要让肾脏类器官接入小管网络并实际执行其过滤功能？这并不容易。“这是一个管道问题，”MDI生物实验室再生生物学与衰老研究中心科学主任伊恩·德拉蒙德博士说。“在培养皿中培育肾脏组织是一回事，”他继续说道，“将这种组织整合到一个工作器官中——将新的管道连接到旧的管道中，并让液体流过而不泄漏、堵塞或走错方向——则是另一回事。”
连接新旧管道
德拉蒙德、MDI生物实验室高级研究科学家卡拉梅·卡梅博士及其同事着手探索斑马鱼如何解决这个问题。“我们知道新的肾单位正在形成，”卡梅解释道。“但之前没有人仔细研究过它们如何物理连接到现有小管上。”研究团队发现的是一种高度协调的细胞编排：在新形成的斑马鱼肾单位与较老的肾脏小管相遇的精确位置，一小群细胞会短暂改变行为。这些细胞不再保持紧凑排列，而是向邻近组织伸出突起，帮助启动新旧结构之间的连接。（MDI团队和研究合作者是首次完整描述这些突起及其功能的人。）
仅仅隔着一个细胞的距离，其他细胞正在做着完全不同的事情——分裂并促进新形成小管的生长。离连接点更远的地方，细胞开始分化成过滤所需的结构。并排地，一个细胞群侵入并连接，而另一个细胞群则构建和特化。“它们只隔着一个细胞，”卡梅说。“一个细胞在做一件事，而下一个细胞在做完全不同的事。”
引导连接
研究发现，这一管道连接过程受交叉信号系统的调控，其中包括一个在包括人类在内的许多物种中都存在的、经过充分研究的蛋白质级联反应，称为“经典”Wnt通路。研究人员还发现了Wnt信息传递系统的另一个分支，它依赖于一个名为fzd9b的细胞表面“开关”，帮助细胞定位连接，使新单元在正确的位置和方向上连接起来。这些分子线索共同告诉细胞何时生长、何时改变形状、何时停止分裂并专注于整合，同时指导连接形成的位置。如果一切顺利，结果就是新旧结构之间形成一个功能性的开放连接点，成为一个可以排入肾脏管道系统的集成过滤单元。
它必须工作
德拉蒙德认为，斑马鱼这种重新连接技术的重要性远不止于肾脏。这是因为在再生医学中，在实验室中培育各种类型的组织已不再是主要障碍；将这种组织移植到活体系统内并使其真正工作仍然是更大的挑战，并且是该领域发展的一个潜在瓶颈。“在某种程度上，你不仅仅希望组织在那里。它必须有所作为。管道必须通往某个地方，”MDI生物实验室再生生物学与衰老研究中心科学主任伊恩·德拉蒙德博士说。
从基础生物学角度来看，许多研究人员还认为，功能的启动有助于推动新器官的最终成熟，并且可能是真正成功的必要条件。“液体开始流过管道或血液开始在新血管中循环的那一刻，细胞就会做出反应，”德拉蒙德说。“它们会改变。它们会稳定下来。”他说，如果没有这最后一步，实验室培育的组织可能在结构上类似于器官，但永远无法达到真实器官的耐久性和功能性。如果科学家能从斑马鱼身上学到如何引导新的人类肾脏组织或其他工程化器官在体内整合并开始发挥功能，那么其意义将遍及整个再生生物学。“那是许多实验室培育的组织基器官所缺失的最后一步，”德拉蒙德说。“我们对此保持警惕，我希望我们能够对使干细胞衍生组织不仅在结构上正确，而且在功能上有用产生影响。”这种转变——从构建组织到恢复性能——代表了当今再生医学的核心挑战之一。
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