再生機制的研究：有可能像金鋼狼或沙威瑪一樣不斷「再生」嗎？

組織與器官如何啟動再生機制，至今人們仍然不了解。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？在中研院細胞與個體生物所，陳振輝團隊利用經由基因突變篩檢出來、失去再生能力的斑馬魚，來了解再生過程的分子機制，期待未來能幫助再生醫學的發展。

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羨慕。

再生並非只存在傳說中，自然界也有奇蹟存在。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，但若能了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！」在陳振輝的實驗室，正透過科學化的方法，以斑馬魚為研究對象，探索傷口修復和複雜組織再生過程中，細胞們如何運作。

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游動，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、游來游去。（註一）

陳振輝團隊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。

陳振輝透過 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。

Skinbow：研究再生的繽紛驚喜

環顧陳振輝實驗室中色彩繽紛的照片，彷彿藝廊展覽。照片中所採用的 Skinbow 多顏色細胞標誌技術，點子來自於陳振輝在美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中，看到同事 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。（註二）

Brainbow 由 Joan Livet 於 2007 年時建立，當初是為了觀察老鼠的大腦神經（註三），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。

而陳振輝團隊轉化此技術，運用於觀察斑馬魚的「表皮細胞」於再生時的運作情況，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、甚至整隻仔魚的表皮細胞。

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，若想了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。

為何是斑馬魚？蠑螈不行嗎？

陳振輝表示，斑馬魚作為模式生物已經有二十多年的歷史，科學家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，但蠑螈太大隻非常不容易辦到，因此容易麻醉方便長時間觀察也是考量因素之一。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。

在中研院細胞與個體生物學研究所地下室一樓，有著一間斑馬魚養殖場，一箱箱疊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。

我們將斑馬魚泡在誘發基因突變的藥水中，觀察哪隻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。」陳振輝說，充滿著耐心。

如何將斑馬魚的再生，應用到人類身上？

陳振輝認為，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。（註四）

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？陳振輝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。陳振輝播放著已看過無數次的蠑螈再生斷肢的影片，驚嘆地說：「再看幾次還是會覺得這些動物怎麼這麼神奇，讓人不斷地想了解為什麼牠們可以這樣呢？」

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延伸閱讀

• 「從動物身上問對問題，就可以找到答案！」陳振輝談斑馬魚的超強再生力
• 陳振輝的個人網站
• 陳振輝的實驗室網站
• 〈顯微鏡下的一抹彩虹〉，作者：陳振輝
• 變種人需要具備甚麼樣的細胞？《非常異視界》
• 蠑螈再生說明影片： Newts Can Regenerate Limbs After Amputation— HHMI BioInteractive Video

註釋

• 註一：Mokalled et al., 2016, Science 354: 630-634.
• 註二：Gupta et al., 2012, Nature 484: 479-484.
• 註三：Livet et al., 2007, Nature 450: 56-62.
• 註四：Kang et al., 2016, Nature 532: 201-206.
• CH Chen, A Puliafito, BD Cox, L Primo, Y Fang, S Di Talia, KD Poss. (2016). Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Developmental Cell 36 (6), 668-680.

採訪編輯｜王怡蓁   美術編輯｜張語辰

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位