在日常生活當中，我們的胳膊摔壞了怎麼治療呢？還能生出新的胳膊嗎？其實在很久很久以前，物種進化的過程就告訴了我們明確的答案：斷肢再生已不是神話。今天讓我們看看最早的斷肢再生故事。
除了有點細小、表麵覆蓋著一層黏液，蠑螈的四肢與人類的有很多相似之處：表麵覆蓋著一層皮膚，內部則由骨骼、肌肉、韌帶、肌腱、神經、血管等組織構成。這些組織通過鬆散排列的成纖維細胞連接在一起，並保持特定形態。
神奇的是，蠑螈的肢體被切除後，會從切除部位長出新的肢體。在脊椎動物的世界裏，蠑螈的這項本領堪稱絕無僅有。而且，不論肢體被切除多少次，成年蠑螈都可以反複再生。實際上，小蝌蚪在剛開始長肢體時，也具有再生能力，但成年後，這種能力就失去了；哺乳動物尚處於胚胎期時，正在發育的肢芽（ｌｉｍｂｂｕｄ，將來發育成四肢）也能再生，但出生後，這種能力將完全消失。在向高等動物進化的過程中，動物的再生能力明顯退化。因此進化地位較低的蠑螈，便成了唯一終生具有肢體再生能力的脊椎動物。
蠑螈為何具有如此強大的再生能力？它們的肢體如何得知缺失了多少，並再生出合適的“替代品”？為什麼它傷口處的皮膚不像人類的那樣，隻是包裹缺失部位，最終形成一個無法消除的疤痕？成年蠑螈又如何保持胚胎時期的再生能力，總能讓缺失的肢體完美再生？長期以來，生物學家孜孜不倦地尋求著答案———如果知道了蠑螈肢體再生的生物學機製，就可以利用同樣的原理，讓人類斷肢再生。遭受嚴重創傷之初，人類與蠑螈的機體反應並無太大區別，但在傷口愈合過程中，差異卻越來越明顯。我們身上的疤痕早已證明，人體器官無法再生。但也有跡象表明，人類仍具有再生複雜組織的潛能。問題的關鍵是，如何才能激發這種潛能，讓人類獲得“蠑螈式”的再生能力？
蠑螈的肢體被切斷後，損傷部位的血管迅速收縮，減少血液損失量，一層表皮細胞隨即覆蓋傷口。受傷後的最初幾天，這些細胞會轉變成信號細胞層（即頂端外胚層帽，ａｐｉｃａｌｅｐｉｔｈｅｌｉａｌｃａｐ，縮寫為ＡＥＣ），在再生過程中起著不可替代的作用。與此同時，成纖維細胞從結締組織中遊離出來，遷移至損傷部位，並向切麵中央聚集。然後，成纖維細胞開始增殖，形成原基（ｂｌａｓｔｅｍａ）———這個幹細胞樣細胞（ｓｔｅｍ－ｌｉｋｅｃｅｌｌｓ）的集合體，就是新生肢體的“起點”。
很多年前，美國加利福尼亞大學歐文分校的蘇珊·布萊恩特（ｓｕｓａｎＢｒｖａｎｔ）研究證明，構成原基的細胞與蠑螈胚胎的肢芽細胞功能相似———這就是說，通過原基再生肢體，相當於重演動物胚胎期的肢體發育過程。
據此，我們可以得出結論：肢體再生與胚胎期的肢體發育受到相同遺傳程序的控製。由於人類的四肢也是在胚胎期開始發育，從理論上來說，我們應該具有四肢再生所必需的遺傳程序。隻要科學家能弄清楚，如何誘導斷肢部位形成原基，人類斷肢再生似乎就能變成現實。
本文作者之一———加爾迪耶曾與加利福尼亞大學的特蘇亞·恩多（ＴｅｔｓｕｙａＥｎｄｏ）教授一起，使用非常簡單的方法，初步研究了原基的形成過程。研究中，他們並未將重點放在形成原基的斷肢部位，而是研究蠑螈肢體上的細微創傷，這類創傷隻要皮膚再生就能愈合。與哺乳動物的斷肢一樣，蠑螈肢體上的細微傷口也無法再生新的肢體，如果能讓這樣的傷口再生出完整肢體，我們對蠑螈肢體的再生過程就更加清楚了。
當我們在蠑螈的肢體上劃出一道傷口，表皮細胞迅速遷移至創傷處覆蓋傷口（和斷肢後的反應一樣），真皮層的成纖維細胞也匆匆趕到傷口處，補充缺失的細胞，從而替代失去的皮膚。但如果把一根神經纖維移至創傷處，情況立即改變：成纖維細胞將形成原基。實際上，早在半個多世紀前，美國華盛頓天主教大學的馬庫斯·辛格（Ｍａｒｃｕｓｓｉｎｇｅｒ）就證明，在再生過程中，神經支配必不可少。我們的研究則進一步闡明，來自神經的某種未知因素，可以改變成纖維細胞的行為，進而影響肢體再生過程。
不過，神經誘導出的原基無法成為肢體再生的起點，因為缺乏一個關鍵因素。我們發現，要誘導出“有效”原基（能再生出新的肢體），必須在傷口的背麵切下一塊皮膚，移植到傷口處，讓移植皮膚裏的成纖維細胞參與傷口愈合反應。新的肢體的確從蠑螈的傷口處長了出來。盡管再生部位看起來有些怪異，但在解剖學上，新生肢體完全正常。通過上述實驗，我們不難得出結論：傷口處的表皮細胞、神經以及傷口背麵的成纖維細胞，是產生有效原基的三大要素。鑒於此，我們開始重點研究這三個要素在再生過程中的作用。
我們知道，表皮由早期胚胎中的外胚層（ｅｃｔｏｄｅｒｍ）發育而成，而外胚層中的原始細胞（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅｃｅｌｌ）會向肢芽聚集，形成頂端外胚層脊（ａｐｉｃａｌｅｃｔｏｄｅｒｍａｌｒｉｄｇｅ，縮寫為ＡＥＲ），然後釋放化學信號，引導肢芽細胞的遷移和增殖，從而調控肢芽的發育過程（最終結果是形成四肢）。
盡管我們還沒有鑒別出表皮發出的所有關鍵信號，但可以確定的是，成纖維細胞生長因子就是一類信號分子。頂端外胚層脊可以分泌大量的成纖維細胞生長因子，刺激肢芽細胞分泌其他類型的成纖維細胞生長因子，再來影響頂端外胚層脊，形成一個正反饋信號通路———在肢體發育過程中，這個通路的作用非常關鍵。同樣，在肢體再生過程中，由於頂端外胚層脊的刺激，也會產生作用相似的信號通路。日本東北大學的井出弘之（ＨｉｒｏｙｕｋｊＩｄｅ）教授在研究中發現，蝌蚪在發育過程中失去再生能力，與它們無法激活上述信號回路有關；但是，如果切除已喪失再生能力的蝌蚪的肢體後，利用成纖維細胞生長因子－１０刺激傷口，信號通路將重新激活，再生出部分肢體。
然而，井出弘之教授沒能高興太久，他很快發現，蝌蚪再生肢體的結構極不正常。這個失敗的試驗暗示：蝌蚪再生肢體時，機體調控過程可能出現了重大失誤。因此，隻有知道蠑螈和小蝌蚪如何調控再生過程，我們才能正確啟動再生程序，讓成年動物再生出正常肢體。多次實驗之後，我們發現，成纖維細胞起著非常重要的再生調控作用。
我們已經知道，僅有成纖維細胞不足以觸發再生過程。在輕微創傷時，傷口的成纖維細胞會參與創傷修複，卻不會“製造”新的肢體。隻有來自斷肢上的成纖維細胞，才能啟動再生過程。這個發現表明，成纖維細胞所處位置，對於再生程序的啟動至關重要。在胚胎時期，肢體的發育是循序漸進的：先形成肩部和髖部，再在此基礎上發育出肢體，最後在肢體末端長出手指和腳趾。對於蠑螈來說，不論在什麼位置切除肢體，它都可以恰到好處地再生缺失部分，新的肢體與原來的完全一樣。
蠑螈的再生反應說明，斷肢處的細胞一定“知道”它們的位置在哪裏。各種細胞和分子正是在位置信息的調控下，才再生出了缺失的肢體。
但是，誰在編碼細胞的定位信息？答案就是基因。如果能檢測出哪些基因參與了位置信息的編碼過程，我們就可以弄清楚肢體再生的生理機製。
在胚胎期，很多基因都與肢體細胞的定位有關，但最關鍵的，當數Ｈｏｘ基因家族。絕大多數動物的肢芽細胞，都是利用Ｈｏｘ基因編碼的位置信息，才發育成完整的肢體。但是，肢體一旦發育完成，其中的細胞就“忘記”了自己來自何處。相反，成年蠑螈肢體中的成纖維細胞一直保留著相關信息，肢體被切除後，它們就可以重新啟用Ｈｏｘ基因編碼的位置信息，指導再生過程。再生過程中，攜帶著位置信息的成纖維細胞遷移到斷肢處，促使原基的形成。進入原基後，細胞們便可以相互“交流”，評估肢體受損程度。
雖然還無法得知細胞“交流”的內容，但我們知道，“交流”的最終結果肯定是確定再生部分的輪廓。然後，細胞利用位置信息，逐步填補缺失的肢體部分，再生出完整肢體。
肢體主要由肌肉和骨骼組成，因此我們很想知道，在再生過程中，構成肌肉和骨骼的成分從何而來，它們又是如何形成肌肉和骨骼的？在肢體再生之初，一個非常關鍵的過程就是細胞的去分化（ｄｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）。這個生物學術語通常是指，成熟細胞重新返回幹細胞狀態，具有分化為一種或多種組織的潛能。
在再生領域，科學家早期發現的去分化其實是另一種現象：他們利用顯微鏡觀察蠑螈的斷肢時，發現肌肉組織竟然分散開，形成大量可增殖細胞，進而產生原基。但現在，我們已經知道，可增殖細胞其實源於肌肉組織的幹細胞（ｓｔｅｍｃｅｌｌ），而不是由肌肉細胞去分化形成的。盡管如此，後來的科學家試驗發現，肢體再生過程中確實存在去分化現象。原基中的成纖維細胞去分化成硬骨和軟骨細胞，進而形成骨骼組織；也可以再分化為成纖維細胞，給新的肢體提供內部框架。
再談談構成原基的另一種重要細胞———表皮細胞。在再生過程中，它同樣有去分化能力。在胚胎期，外胚層中的很多基因都與肢體的發育有關（如Ｆｇｆ８和Ｗｎｔ７ａ），但當外胚層分化為成熟表皮後，這些基因就失活了。
成年蠑螈的肢體被切斷後，雖然一些表皮細胞迅速遷移至傷口處，但這一過程最初激活的基因，其實與肢體再生沒有關係，隻會合成一些促進傷口愈合的角蛋白（ｋｅｒａｔｉｎ）等。隨後，傷口處表皮細胞中Ｆｇｆ８和Ｗｎｔ７ａ基因被激活。這兩個基因決定了表皮細胞的去分化與否———從本質上來說，去分化過程是表皮細胞（及其他類型的細胞）的特定基因重新激活。通過對蠑螈的研究，我們將再生過程分成以下幾個階段：最初是傷口愈合反應；接著，一些去分化程度各不相同的細胞聚集在一起，形成原基；最後，發育程序啟動，新的肢體形成。基於上述結果，我們開始研究如何刺激人類四肢的再生。
揭秘那些尚未發生的現象，或許是科學研究中最大的難題，讓人類四肢再生正是其中一例。雖然人類四肢再生尚無先例，但並不意味著我們完全沒有再生能力。
實際上，人類的指尖本身就具有再生能力，因此再生人類四肢並不是不可實現的目標。早在２０世紀７０年代，就有科學家首次報道嬰兒的指尖再生現象。此後，陸續有文章指出，青少年甚至成年人的指尖也能再生。
不小心切除指尖後，讓它再生似乎再簡單不過：清洗傷口，再用紗布包裹就行了。但是，發生在紗布裏的事，卻非常複雜：受損指尖不僅要重建輪廓、指紋，恢複觸覺，還要根據受損情況，適當延伸長度。不少醫學雜誌都報道過多例指尖修複的病例。有趣的是，將皮瓣（皮膚和皮下組織構成的組織塊）縫合到指尖上，是治療指尖受損的一種代表性方法，但這恰恰會抑製再生過程。即便是蠑螈，也會受到縫合手術的影響，因為它幹擾了傷口處表皮的形成。從這些報道中，我們得到一個非常重要的信息：人類本來具有再生能力，但遺憾的是，這種能力被傳統醫療手段抑製了。
研究指尖再生的機理並非易事，因為人不能作為研究對象。不過，一些科學家發現，低齡和成年小鼠和人類一樣，也有趾尖再生能力。２１世紀以來，本文兩位作者穆內奧卡和韓萬鍾詳細研究了小鼠的趾尖再生情況，結果發現，小鼠趾尖被切除後，傷口處的確生成了表皮，但與蠑螈相比，表皮的生成速度要慢得多。我們還發現，小鼠再生趾尖時，在一些正在增殖的未分化細胞中，胚胎基因非常活躍———這就表明，未分化細胞是原基的組成部分。為了弄清特定基因和生長因子在小鼠趾尖再生過程中的作用，我們培養了一種小鼠組織，作為胎鼠趾尖再生的研究模型。我們發現，如果人為地抑製骨形態發生蛋白－４（ｂｏｎｅｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｔｅｉｎ４，縮寫為ＢＭＰ４，一種生長因子）的表達，趾尖再生過程就會被抑製。缺失Ｍｓｘｌ基因的突變小鼠也無法再生趾尖，因為這個基因對骨形態發生蛋白－４的合成至關重要。但是，如果在傷口處添加骨形態發生蛋白－４，突變小鼠就能恢複再生能力。這一結果證實了骨形態發生蛋白－４在再生過程中的重要作用。
美國羅伯特·伍德·約翰遜醫學院的科利·阿巴特·舍恩（ＣｏｒｖＡｂａｔｅＳｈｅｎ）教授和同事研究證明，在胚胎發育期，Ｍｓｘｌ基因編碼的蛋白可以抑製多種細胞的分化。Ｍｓｘｌ基因對細胞分化的調控作用說明，它編碼的蛋白可以觸發細胞的去分化，促進肢體再生。盡管在蠑螈肢體的再生過程中，Ｍｓｘ１基因並未從一開始就參與細胞去分化，但與它同屬一個基因家族的Ｍｓｘ２基因，卻是再生過程中最早被激活的基因之一，所起的作用與Ｍｓｘｌ很相似。
現階段，再生人類四肢似乎是難以企及的夢想，但通過對再生機製的深入研究，我們相信這個夢想會成為現實。切除人類四肢會導致大範圍創傷，同時切斷各種組織，包括表皮、真皮、結締組織、脂肪、肌肉、骨骼、神經和血管。如果一一分析這些組織，我們會發現，絕大多數組織在輕微損傷時都有再生能力。
構成四肢的組織中，真皮不具備再生能力。真皮組織由許多不同的細胞構成，其中成纖維細胞占有較大比例。當人類或其他哺乳動物受傷後，這些成纖維細胞會參與纖維化過程（ｆｉｂｒｏｓｉｓ），讓大量的細胞外基質在傷口處沉積，以促進傷口愈合。由於細胞外基質無規律排列，傷口愈合後，就會留下明顯的疤痕。纖維化過程不僅抑製哺乳動物的再生過程，它本身也會引發嚴重的醫學問題。很多器官（如心髒、肝髒）受到損傷，或發生病變後，接下來的纖維化過程可能影響器官的正常功能。
對深度創傷的研究表明，在損傷修複過程中，傷口處的成纖維細胞有兩個來源：真皮組織和血液循環中的成纖維細胞樣幹細胞（ｆｉｂｒｏｂｌａｓｔ－ｌｉｋｅｓｔｅｍｃｅｌｌ）。當我們受傷後，一些免疫細胞迅速趕到傷口處，發出信號，將上述兩種來源的成纖維細胞也引導至傷口處。隨後，成纖維細胞開始大量增殖，分泌細胞外基質———蠑螈啟動再生反應時，也會經曆這個過程。但成纖維細胞的行為差異，卻導致了兩種截然不同的結果：哺乳動物的成纖維細胞過量分泌細胞外基質，導致基質異常交聯，最終隻能形成疤痕；相反，蠑螈的成纖維細胞隻會分泌適量的細胞外基質，用於重建正常的交聯結構，為再生新的肢體打下基礎。