科學家找到斑馬魚傷口癒合再生機理

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。

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。

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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