二百多年前,意大利生物學家斯帕蘭札尼(Lazzaro Spallanzani)對一些具有「受傷越重,再生越快」奇特能力的動物進行研究,但礙於當時科技和工具限制,沒有解開這種奇特現象的機理。近日,台灣的科研團隊在斑馬魚身上解開了這一謎團。
台灣中央研究院(中研院)細胞與個體生物學研究所和物理研究所,共同組成跨領域團隊,以斑馬魚(Zebrafish)作為動物試驗模型進行研究。他們發現,斑馬魚是利用尾鰭的機械波(力學波)偵測受傷的位置,調控傷口癒合和再生。這一研究成果發表在今年6月的《自然》雜誌上。
論文中提到,肢體再生的第一步是傷口癒合,該過程被稱為「上皮化」。上皮在形成過程中,上皮細胞會快速遷移,但不增值,並在幾小時內覆蓋整個傷口,防止出現感染和最大限度減少疤痕形成。
論文中還提到,上皮細胞的集體細胞遷移(CCM)現象在大多動物的壽命中發揮著關鍵作用,包括胚胎發育、傷口修復和應對癌症侵襲等,再加上其生物學相關性和治療潛力,成功引起了生物學家和物理學家的關注。
因此,這次中研院團隊希望透過研究斑馬魚傷口癒合情況,解開二百多年來的謎團。斑馬魚是一種廣受歡迎,且具觀賞性的熱帶淡水魚。這種魚同時在科研領域上是一種重要的有脊椎類生物,經常被科學家用於研究生物體的再生能力。
實驗方法
實驗中,團隊截斷成年的斑馬魚尾鰭,進行全面活細胞成像。
成年斑馬魚尾鰭共有16至18條骨射線組成,兩側被基底上皮細胞(BEC)覆蓋。尾鰭上覆蓋有分層上皮細胞,最外層為淺表上皮細胞(SEC)。
研究人員利用三維延時攝影去觀察斑馬魚截斷尾鰭上殘留的BEC動態,發現BEC遷移到截肢平面以覆蓋傷口,傷口附近的細胞累積形成延伸的隆起,但傷口遠處的細胞當時則保持不動。
隨後,相鄰不動的BEC逐漸加入集體遷移,傷口附近的細胞逐漸減慢運動。這種遷移大約在1至2個小時內停止。
他們還觀察到,細胞向傷口部位的連續運動,表明每個細胞在靠近傷口部位的前一個細胞拉伸後,有逐漸被激活的現象。
為了確定截斷水平(嚴重程度)對傷口恢復造成的影響,他們對尾鰭分別進行遠端截段(DA)、中間截段(MA)和近端截段(PA)實驗。
研究結果
結果發現,BEC平均速度與截斷水平呈現正相關,受傷越重(失去的組織越多)BEC的遷移速度越快,且通常在截斷後25分鐘達到最大速度。
另外,他們為了觀察斑馬魚細胞增值、再生能力,將普通的斑馬魚和基因改造的斑馬魚(krt19)進行尾鰭截斷(部位相似),並觀察它們的恢復情況。
結果顯示,普通斑馬魚的細胞增值速度、再生能力前期要快過krt19,原因是krt19身上的過氧化氫基因導致,但兩者的傷口皆在頭三天出現快速癒合,並在一周內快速生長出新的尾鰭,隨後生長速度漸緩,約21天後恢復至最初相似的模樣。
他們還監測到尾鰭截肢時基底上皮細胞的集體遷移(CCM)引起的機械波,以均質的波速進行移動,密度波與細胞遷移成相反的方向傳播,並通過上皮細胞進行拉伸出現傳播現象,該波浪一般在2小時內停止傳播。
最後,該團隊推測這種機械機制可能出現在其它再生動物中,也可能出現在胚胎和原腸胚形成,未來可能進一步用於傷口治療和組織生成。
跨領域合作
論文主要作者、生物學博士陳振輝(Chen-Hui Chen)對中研院的新聞室表示,這種跨領域的合作需要「不尋常的勇氣」,因為生物學家和物理學家講的是完全不同的學術語言,有著不同的思考方式,經常需要開會討論,但這次物理學家設計出簡單實驗,去驗證複雜的生物現象。
共同作者、物理學博士林耿慧(Keng-Hui Lin)解釋說,當代生物學逐漸演變成量化的科學,可以透過數學模型來解釋生物現象,這讓生物學領域也逐漸在尋找物理原則,但這些新興的課題都不在傳統學科領域的範疇。因此,跨領域的合作雖然具挑戰性,但也帶來解決關鍵問題的機會。◇
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