再生

關於與「再生」標題相近或相同的條目，請見「重生」。

在生物學中，再生是指由基因組、細胞、微生物和生態系統對在自然環境下所造成的自身損傷的一種重建、恢復和發育的過程。從細菌到人類，任何物種都有再生能力^[1][2]。再生可以是完全性再生^[3]，即損傷後由周圍同種細胞來修復^[3]，或者是不完全性再生^[4]，即損傷後壞死組織由纖維結締組織來修復^[4]。在再生開始階段，再生是由DNA合成的分子過程介導的^[5][6]。生物學中的再生主要是指多細胞生物通過修復及保持他們的生理和形態的完整性的一種性狀。再生從根本上說是由基因調節的無性細胞過程^[7]。再生不同於繁殖。舉例來說，水螅通過出芽生殖的方式進行再生而不是繁殖。

海星斷枝的再生

矮黃頭壁虎（英語：Dwarf yellow-headed gecko）尾巴的再生

水蛭與渦蟲長期作為具有極強適應性的再生能力的模型生物^[8]。一旦受傷，他們的細胞就被激活，並開始修復組織及器官回到初始狀態^[9]。兩棲動物中的其中一目有尾目（如蠑螈），很可能是脊椎動物中再生能力最強的生物，其四肢、尾、爪、眼睛和各種內部結構都有很強的再生能力^[1]。器官的再生是多細胞動物中一種常見和廣泛的適應能力^[8]。在相關條件下，一些動物可以通過斷裂、出芽或分裂的方式進行無性生殖^[7]。比如渦蟲，首先通過中間部份的收縮、分割分裂成兩半，並且每一半形成一個新的個體，成為原始的克隆^[10]。棘皮動物（如海星）、小龍蝦，以及許多爬行動物和兩棲動物有着很強的再生能力。一個很典型的例子就是自割，當動物察覺到危機時，會主動分離肢體或尾巴，以避免被捕獲。肢體或尾巴自斷後，斷處細胞開始進行修復，組織將重新生成^[11][12][13]。生態系統也同樣可以再生。如在森林火災或者病蟲害爆發之時，一些先鋒物種會占據並爭奪生存空間，從而開拓他們新的棲息地。在生態學中，這種新的生長方式被稱作再生^[14][15]。

細胞基礎

在細胞損傷後，多細胞生物的組織結構形成是由基因表達調控所決定。神經細胞釋放一些與快速生長相關的蛋白質，如Gap-43蛋白（英語：Gap-43 protein）、微管蛋白、肌動蛋白以及數組神經肽和細胞因子從而誘導損傷細胞生理反應從而再生^[16]。許多參與的基因在組織的原始再生中被重新激活。在斑馬魚的原基細胞中，再生過程由msx家族的4個同源異形基因所調控^[17]。

組織再生

「多細胞生物使用成年個體體細胞的幹細胞衍生的去分化或/和轉分化細胞，包括組織結構預先重新排列的規則，可以在相同動物的不同組織中表達並重建出與周圍相適應的組織極性、結構和形式^[18]:873。」在該發育過程中，基因被重新激活用於改變不同組織的分化能的性質。發育及再生涉及到把細胞群協調及組織成胚基（英語：blastema）（幹細胞再生開始時的細胞基團^[19]）。細胞的去分化意味着他們在再生過程中失去了那些組織特異性的功能。不應該同轉分化混淆，轉分化指的是細胞在再生過程中失去了其組織特異性，然後重新分化成不同類型的細胞^[18]。在人體的進階應用被稱之為再生醫療，相關學術研究可能包含:

• 特定細胞提供者之篩選與其細胞之處理、保存及提供。
• 高技術性組織、細胞之處理及製造。
• 種源細胞之蒐集及保存。
• 人體組織、細胞提供之勸募及推廣。

兩側對稱動物

渦蟲再生能力極強。舉例來說，渦蟲可以縱向或者橫向分裂成兩個不同個體。在一項科學實驗中，T. H. Morgan發現，渦蟲只需要其1/279一塊即可以成功再生為一個新的蠕蟲。這個大小（約10,000個細胞）通常被認為是渦蟲可再生為一個新的個體的最小片段。渦蟲的再生屬於割處再生，即截斷後，斷處的細胞形成胚基。

脊椎動物

兩棲動物

一些簡單點的動物如花蟲類動物（英語：planarian）具有很強的再生能力。因為擁有需要長時間保持自己的身體形態免遭破壞而隨時起作用的幹細胞（neoblast）。受傷後，他們會分裂和分化出缺少的組織和器官。這個過程在脊椎動物里要複雜得多，但儘管如此，蠑螈斷肢後仍有很強大的再生能力。蠑螈的肢體再生已經被作為一個課題被廣泛研究中。

蠑螈的肢體再生主要分為2個步驟，首先成熟細胞去分化成類似胚胎幹細胞的狀態，其次這些細胞發育成新的組織^[20]。

肢體斷掉後，在不到12小時內，表皮會增生覆蓋斷枝的截斷面，形成所謂的頂端上皮帽（AEC）。在接下來的幾天時間裡，殘存的細胞去分化形成胚基（英語：blastema）（大量去分化增殖的細胞）。隨着胚基的形成，一些用於形成胚胎的基因，如HoxA與HoxD被激活^[21][22]。肢體的遠端（如手或腳）尖端形成第一個胚基。而在其中間部位隨着胚基的發育逐漸被填充^[20][21]。肢體的運動神經元、肌肉和血管再生，並與斷枝相匹配。整個過程的時間隨着生物年齡的不同而有所變化，成熟個體肢體功能完全恢復的時間大約為一個月到三個月時間。

儘管歷史上只有少數人員從事研究肢體再生的工作，但最近已經把作為基因模型生物的蠑螈（Ambystoma mexicanum）進行研究取得重大進展。這一進展已經促進了基因組學，生物信息學、體細胞遺傳子導入及其他領域的發展，也創造了重要生物學特性進步的機會，如在蠑螈上發現的肢體再生^[23]。鈍口螈的遺傳資源保藏和利用中心（AGSC）是由美國國家科學基金會支持的對蠑螈的再生、繁殖所進行研究的一個組織。該組織位於肯塔基的大學，AGSC是專門為在美國各地和國外供應以良好基因為特點的蠑螈的胚胎、幼蟲和成熟個體的實驗室。美國國立衛生研究院資助了該項蠑基因組計劃（SGP），且已建立第一個以兩棲動物基因圖譜和附加因子為主的數據基地，並建設了研究界的門戶網站^[24] 。

研究人員在澳洲的蒙納士大學再生醫學研究所出版了一本書籍，當移除吞噬碎片的巨噬細胞時^[25]，蠑螈的再生能力喪失，組織被瘢痕組織所代替^[26]。

哺乳動物

再生的機制在墨菲羅斯大鼠中被發現，並且與p21基因的失活有關^[27][28]。

至少兩種刺毛鼠屬，分別是Acomys kempi與Acomys percivali，能夠完全再生由自割受損的組織。這些物種可再生毛囊、皮膚、汗腺、毛皮和軟骨^[29]。

與大多數脊椎動物的胚胎/幼獸相比，哺乳動物中蠑螈和魚的成熟個體具有有限的再生能力。但Robert O. Becker（英語：Robert O. Becker）的使用電刺激的再生治療療法，已經在大鼠^[30]以及一般哺乳動物中出現了不錯的效果^[31]。

墨菲羅斯大鼠（MRL）是小鼠屬中表現再生能力最強的品種。研究在正在研究這些動物並試圖把這種能力應用到人類身上。

通過比較癒合良好的MRL鼠和癒合不良的C57BL/6鼠的基因表現差異，已經確定36個基因用於決定這種癒合能力^[32][33]。

MRL鼠的再生能力保護他們免於心肌梗死，成年哺乳動物心肌細胞的再生是十分局限的，因為心臟的心肌細胞幾乎都處於G0期（英語：G0 phase），即終末分化期。MRL鼠在心臟病發作後同一般的鼠類的心肌損傷和瘢痕組織數幾乎一樣^[34]，然而，根據最新的研究證明，這種情況並非永遠如此，心臟損傷後的MRL小鼠能夠再生損傷部位的組織^[35]。

人類

手掌

在1932年5月，L.H. McKim在《加拿大醫學協會雜誌》上發表了一份報告，它描述了一個成年人手指指端缺損的再生。家庭外科醫生在蒙特利爾總醫院（英語：Montreal General Hospital）做了末端指骨截肢手術以防止感染蔓延。在不到一個月的手術後，X-射線分析表明骨已經再生完成，而肉眼觀察發現指甲和皮膚也已再生^[36]。他是成年人手指指端再生的最早記載例子之一^[37] 。

在20世紀70年代的研究發現，10歲左右的兒童意外失去手指指端，事實上可以在一個月內再生自己的手指指端而不是皮膚的簡單癒合。再生的手指通常不會有指紋，而且如果有任何一塊手指甲留下來的話都可以再生，再生出來的指甲一般為方形而不是圓形^[38][39]。

在2005年8月，Lee Spievack在他六十多歲的時候不小心切掉右手中指尖端正上方的指骨。他的弟弟Alan Spievack博士是研究再生的，並且給他提供了細胞外間質，由麥高文學院（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）再生醫學的Stephen Badylak博士開發。Spievack先生首先將粉末覆蓋傷口附近，他的手指尖端在接下來數周的時間成功再生^[40]。該消息發布於2007年，也是第一位成年人手指尖端成功再生的報導案例^[38]。然而，Ben Goldacre（英語：Ben Goldacre）形容它是「手指從來沒有丟失」，並引用利茲大學手外科的西蒙凱教授看過Goldacre提供的圖後說的「相當不起眼的普通的指尖損害與癒合」的話^[41]。

CNN也報導過類似的案例。一位名叫Deepa Kulkarni（英語：Deepa Kulkarni）的婦女失去了她的小拇指指尖，醫生告訴她做什麼都無法挽回了。她個人請了多位專家，包括Badylak，最終她接受了再生療法，並成功再生出了她受損的指尖^[42]。

腳掌

腳趾發生壞疽或老年人腳指頭燒傷也可以在壞疽治療後再生出腳趾及趾甲^[43]。

肋骨

目前已經證明，人類的肋骨可以再生，如果骨膜及周圍的肋骨膜未發生損害。在一項研究中用肋骨材料幫助頭骨進行重建的12例患者的肋骨切除手術後發現肋骨發生了完全再生^[44]。

肝臟

人類的肝臟具有極強的再生能力，哪怕肝組織被切除到只有四分之一大小^[45]，主要是因為肝細胞的分化能所致^[46]。肝切除能誘導剩餘肝細胞的增殖，直到失去部份被恢復，其中肝臟反應靈敏度直接與被切除的質量相關。齧齒類動物的肝臟切除已經作為一個模型被研究了80年，用來研究細胞的增殖^[47][48]。

腎臟

腎臟的再生能力仍然未被開發。腎臟的基本功能和結構單元是腎單位，它主要由腎小球，腎小管，集合管和腎小管周圍毛細血管四部份組成。相比而言，屬於脊椎動物的哺乳動物的腎的再生能力是有限的。

在哺乳動物腎中，我們已經可以知道腎小管的急性損傷是可以再生的。最近的研究還發現了腎小球的再生。在急性損傷時，近端小管更容易受傷，而基底膜受傷的上皮細胞脫落成為腎單位。尚存的上皮細胞，經過遷移、分化、增殖和再分化補充損傷後的近曲小管上皮內層。最近，由腎臟的參與幹細胞的腎小管再生已經被發現了。而後，腎幹細胞的概念被提出。除了尚存的腎小管上皮細胞和腎幹細胞，骨髓幹細胞也被證實參與了近端小管的再生，然而，該機制仍然存在爭議。最近，研究關於骨髓幹細胞分化成腎臟細胞的能力的文章不斷出現^[49]。

與其他器官一樣，腎臟還可以在如魚類等低等脊椎動物中完全再生。一些已知的魚類，如金魚、鰩魚、魟魚和鯊魚的腎臟再生能力都很強。在這些魚中，腎被部份切除後都能完整再生。

心臟

只有少數動物心臟可以再生，哺乳動物的心肌（心肌細胞）仍有再生潛能（過去認為完全不能再生、但新研究認為仍有有些許再生能力），一旦心臟損害則會引起疤痕和纖維化。

有種長期存在的觀點認為，哺乳動物的心肌細胞是終末分化，並不能分裂。然而抑制p38的MAP激酶，發現在成年哺乳動物的心肌細胞中能誘導出有絲分裂。^[50]用大鼠做實驗，通過用FGF1和p38 MAP激酶抑制劑心臟的再生，能夠減少瘢痕形成並提高心肌損傷的程度^[51]。