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金鋼狼的強大再生能力帶來的思考:人類也能斷肢再生嗎?

組織與器官如何啟動再生機制, 至今人們仍然不瞭解。 例如, 當切斷蠑螈的手臂和手指, 不同部位再生所費時間竟然相同, 但為什麼?有團隊利用經由基因突變篩檢出來、失去再生能力的斑馬魚,

來瞭解再生過程的分子機制, 期待未來能幫助再生醫學的發展。

希臘神話九頭蛇的再生能力:砍了一個我, 還有千千萬萬個我。

在古代, 希臘神話中的怪物九頭蛇, 危害沼澤附近的生物,

當與海格力斯大戰時, 九頭蛇被砍斷頭顱後還可以不斷再生。 在現代, X戰警電影中的金鋼狼, 也具有驚人的再生能力, 傷口可以在短短幾秒內恢復。 從這兩個故事看來, 人類從古至今對於再生能力是既感恐懼又羡慕。

再生並非只存在傳說中, 自然界也有奇跡存在。 例如, 蠑螈雖然是低等的脊椎動物, 但可以從被截斷的手臂切面, 長出神經、骨頭、血管與肌肉, 再生出完好的手臂。 而斑馬魚和渦蟲, 也都具有很強的再生能力。

蠑螈需花費30~60天才能再生一隻完好的手, 不像金鋼狼那麼誇張, 可以瞬間再生, 但若能瞭解哪些關鍵會觸發再生機制, 也許有一天人類也可以再生。

「所有人都對再生有興趣, 並不是科學界才對再生研究感興趣!」有團隊正透過科學化的方法,

以斑馬魚為研究物件, 探索傷口修復和複雜組織再生過程中, 細胞們如何運作。

能發現失去再生能力的基因突變斑馬魚嗎?被截斷的尾鰭是個指引。

透過「斑馬魚」畫出「再生藍圖」

人類的肢幹受傷斷裂, 傷口癒合後就形成斷肢,

無法再生。 但若是截斷斑馬魚尾鰭、用強光破壞視網膜、用細針攪爛一側的大腦, 甚至剪斷脊椎這種極端方式, 斑馬魚都可以完整再生這些複雜組織。

在脊椎再生的模式中, 斑馬魚一開始會因缺乏神經連結而無法再遊動, 並躺在水缸底兩個禮拜, 但待神經重新連結、表皮癒合後, 斑馬魚又再次成為一尾活龍、游來遊去。

科學家試著想回答兩個問題:再生如何發生?再生機制為何會發生?

再生機制, 涵蓋「表皮細胞、骨頭細胞、神經細胞、血管細胞」等運作, 就像蓋一棟房子, 需要不同材料、不同步驟進行。 例如, 殘肢上的細胞要移動、增生、分化產生新組織, 同時也要跟舊組織溝通、整合, 來讓新生的手臂具有正確的大小、形狀和功能。

科學家透過Skinbow這種多顏色細胞標誌技術, 以不同顏色標記斑馬魚體內不同的細胞, 觀察再生過程中細胞如何移動、如何分工合作, 藉以建立一個三維空間裡, 各式細胞如何互動、建構複雜組織的工程藍圖, 並運用這個藍圖看看能否移轉到其他生物上實現, 也蓋出名叫「再生」的房子。

經過Skinbow處理的斑馬魚鱗片,不同細胞被標記不同顏色,在顯微鏡下觀察如同霜淇淋甜筒上的七彩糖

Skinbow:研究再生的繽紛驚喜

照片中所採用的Skinbow多顏色細胞標誌技術,點子來自于美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中Vikas Gupta成功運用Brainbow多顏色細胞標誌技術,觀察斑馬魚心臟的發育與再生過程。

Brainbow由Joan Livet于2007年時建立,當初是為了觀察老鼠的大腦神經,其基本原理是利用基因重組的方式,隨機將紅綠藍三原色的螢光蛋白在個別細胞表現不同的數量,如此一來便能產生上百種顏色,標誌每一顆細胞,並且觀察每顆細胞的運作狀態。

結合「大腦」的實驗及「彩虹」般的色彩表現,這個以多種顏色標誌細胞的技術便稱為Brainbow。

科學家運用這項技術觀察斑馬魚的「表皮細胞」于再生時的運作情況,並另名為Skinbow,經過多次嘗試,Skinbow 可用來標誌斑馬魚成魚的尾鰭、鱗片、眼球、甚至整只仔魚的表皮細胞。

將紅、綠、藍(光的三原色)螢光蛋白標誌迭合之後,可以產生上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞

在Skinbow多顏色細胞標誌下,可以觀察斑馬魚的表皮細胞,在面對不同的傷害情況下,如何集體反應、合作、再生,以恢復原來的組織構造。

例如,若想瞭解截斷斑馬魚的尾鰭後,細胞的移動方式是「沿著截斷面長出新細胞」,或是「舊組織的細胞會往截斷面移動」?透過Skinbow可以清楚看見,舊組織的表皮細胞會先移動到截斷面要增生的部份,然後才在原本的舊組織長出新的表皮細胞。

「舊」組織的表皮細胞(以綠點為例),會往截斷處移動、修補,而非立即從截斷處長出「新」細胞。

為何是斑馬魚?蠑螈不行嗎?

科學家表示,斑馬魚作為模式生物已經有二十多年的歷史,實驗主要利用魚胚胎來研究脊椎動物的發育過程,累積了足夠的遺傳學基礎和研究方法。

另一個主要的原因是斑馬魚在高倍顯微鏡下較易觀察,光是在顯微鏡下觀察尾鰭再生的過程就要持續二十天,但蠑螈太大只非常不容易辦到,因此容易麻醉方便長時間觀察也是考慮因素之一。而生長週期也是關鍵,蠑螈的成長過程需要數年,斑馬魚只要三個月。

斑馬魚的體型小且扁平,麻醉後易於透過顯微鏡長時間觀察。

在研究所地下室一樓,有著一間斑馬魚養殖場,一箱箱迭在一起的斑馬魚水族箱,不斷冒著泡泡,水族箱上頭仔細貼著說明標籤。

這只是尾鰭截斷之後,無法再生的魚。

我們將斑馬魚泡在誘發基因突變的藥水中,觀察哪只斑馬魚在截斷尾鰭後變得「不會再生」,去找出是哪個基因出問題,這可能就是觸發再生的關鍵。

「目前實驗室已經在突變魚身上找到一些基因對於再生是重要的,而這樣尋找的過程平均要花上一年半到兩年的時間」科學家對實驗充滿著耐心。

如何將斑馬魚的再生,應用到人類身上?

科學家認為,再生機制的研究要植基於這些「很會再生」的「模式生物」,如果沒有利用這些生物,將很難建立複雜組織再生的模型。

而基礎研究所得到的結果,可以進一步在老鼠模式上面驗證,例如利用斑馬魚的再生機制去調控實驗老鼠的再生能力。

為什麼人類具有跟斑馬魚一樣的再生基因,卻無法再生?這關乎基因調控的狀況。

再生機制牽涉到兩個層面,第一是人類缺乏斑馬魚具有的特定再生基因;第二,則是基因調控的狀況。

例如,斑馬魚的基因A在受傷後會被活化,但人的基因A卻不會被活化,因此人類無法再生,這可能牽涉到基因的上游DNA序列的調控,而這會影響負責再生的基因表現。

至於其他魚類是否也具有再生能力?科學家表示許多硬骨魚類都具有。生物的再生能力,對繁衍沒有直接影響,像人類無法進行斷肢再生,卻不影響其繁殖與其在地球的地位,因此再生能力在演化的過程可能會獲得或失去。像是並非所有渦蟲及蠑螈都會再生,部分譜系的渦蟲及蠑螈在演化過程中,也失去了再生能力。

人類敬畏又渴望再生的能力,但在演化過程中,大自然選擇性地讓部分物種保留再生的特權。科學家播放著已看過無數次的蠑螈再生斷肢的影片,依然驚歎地說:「再看幾次還是會覺得這些動物怎麼這麼神奇,讓人不斷地想瞭解為什麼它們可以這樣呢?」

經過Skinbow處理的斑馬魚鱗片,不同細胞被標記不同顏色,在顯微鏡下觀察如同霜淇淋甜筒上的七彩糖

Skinbow:研究再生的繽紛驚喜

照片中所採用的Skinbow多顏色細胞標誌技術,點子來自于美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中Vikas Gupta成功運用Brainbow多顏色細胞標誌技術,觀察斑馬魚心臟的發育與再生過程。

Brainbow由Joan Livet于2007年時建立,當初是為了觀察老鼠的大腦神經,其基本原理是利用基因重組的方式,隨機將紅綠藍三原色的螢光蛋白在個別細胞表現不同的數量,如此一來便能產生上百種顏色,標誌每一顆細胞,並且觀察每顆細胞的運作狀態。

結合「大腦」的實驗及「彩虹」般的色彩表現,這個以多種顏色標誌細胞的技術便稱為Brainbow。

科學家運用這項技術觀察斑馬魚的「表皮細胞」于再生時的運作情況,並另名為Skinbow,經過多次嘗試,Skinbow 可用來標誌斑馬魚成魚的尾鰭、鱗片、眼球、甚至整只仔魚的表皮細胞。

將紅、綠、藍(光的三原色)螢光蛋白標誌迭合之後,可以產生上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞

在Skinbow多顏色細胞標誌下,可以觀察斑馬魚的表皮細胞,在面對不同的傷害情況下,如何集體反應、合作、再生,以恢復原來的組織構造。

例如,若想瞭解截斷斑馬魚的尾鰭後,細胞的移動方式是「沿著截斷面長出新細胞」,或是「舊組織的細胞會往截斷面移動」?透過Skinbow可以清楚看見,舊組織的表皮細胞會先移動到截斷面要增生的部份,然後才在原本的舊組織長出新的表皮細胞。

「舊」組織的表皮細胞(以綠點為例),會往截斷處移動、修補,而非立即從截斷處長出「新」細胞。

為何是斑馬魚?蠑螈不行嗎?

科學家表示,斑馬魚作為模式生物已經有二十多年的歷史,實驗主要利用魚胚胎來研究脊椎動物的發育過程,累積了足夠的遺傳學基礎和研究方法。

另一個主要的原因是斑馬魚在高倍顯微鏡下較易觀察,光是在顯微鏡下觀察尾鰭再生的過程就要持續二十天,但蠑螈太大只非常不容易辦到,因此容易麻醉方便長時間觀察也是考慮因素之一。而生長週期也是關鍵,蠑螈的成長過程需要數年,斑馬魚只要三個月。

斑馬魚的體型小且扁平,麻醉後易於透過顯微鏡長時間觀察。

在研究所地下室一樓,有著一間斑馬魚養殖場,一箱箱迭在一起的斑馬魚水族箱,不斷冒著泡泡,水族箱上頭仔細貼著說明標籤。

這只是尾鰭截斷之後,無法再生的魚。

我們將斑馬魚泡在誘發基因突變的藥水中,觀察哪只斑馬魚在截斷尾鰭後變得「不會再生」,去找出是哪個基因出問題,這可能就是觸發再生的關鍵。

「目前實驗室已經在突變魚身上找到一些基因對於再生是重要的,而這樣尋找的過程平均要花上一年半到兩年的時間」科學家對實驗充滿著耐心。

如何將斑馬魚的再生,應用到人類身上?

科學家認為,再生機制的研究要植基於這些「很會再生」的「模式生物」,如果沒有利用這些生物,將很難建立複雜組織再生的模型。

而基礎研究所得到的結果,可以進一步在老鼠模式上面驗證,例如利用斑馬魚的再生機制去調控實驗老鼠的再生能力。

為什麼人類具有跟斑馬魚一樣的再生基因,卻無法再生?這關乎基因調控的狀況。

再生機制牽涉到兩個層面,第一是人類缺乏斑馬魚具有的特定再生基因;第二,則是基因調控的狀況。

例如,斑馬魚的基因A在受傷後會被活化,但人的基因A卻不會被活化,因此人類無法再生,這可能牽涉到基因的上游DNA序列的調控,而這會影響負責再生的基因表現。

至於其他魚類是否也具有再生能力?科學家表示許多硬骨魚類都具有。生物的再生能力,對繁衍沒有直接影響,像人類無法進行斷肢再生,卻不影響其繁殖與其在地球的地位,因此再生能力在演化的過程可能會獲得或失去。像是並非所有渦蟲及蠑螈都會再生,部分譜系的渦蟲及蠑螈在演化過程中,也失去了再生能力。

人類敬畏又渴望再生的能力,但在演化過程中,大自然選擇性地讓部分物種保留再生的特權。科學家播放著已看過無數次的蠑螈再生斷肢的影片,依然驚歎地說:「再看幾次還是會覺得這些動物怎麼這麼神奇,讓人不斷地想瞭解為什麼它們可以這樣呢?」

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