「醫師，這會留疤嗎？」想必這是很多人在外傷與手術後最關心的問題之一，畢竟疤痕在外觀上和原本的皮膚明顯不同，一處理不好就容易引人側目。因此如何有效除疤，一直是傷口護理中的重要挑戰，而近期發表在 Science 上的研究，提供了真正意義上的除疤可能¹。

當我們身體受傷之後，發生了什麼事？

想除疤，得先了解疤痕是怎麼來的，而要知道疤痕從何而來，就要從傷口癒合說起。

當人體組織被各種外力（如切割、穿刺等）破壞其完整性後，就會造成傷口。當人體組織出現傷口後，就會啟動傷口癒合這個複雜的生理過程，這其中牽涉多種細胞與生理反應的相互配合²。傷口癒合約可分為三個階段：

（一）炎症期：發炎、結痂。

當傷口產生後，傷口處的細胞會立刻產生各種細胞激素引起發炎反應，吸引免疫細胞來對抗外來細菌的感染，同時受傷部位因血管破裂，血小板會到傷口處促進血栓的形成，將傷口封閉，以減少傷口受到更多的傷害與感染。

（二）增生期：肉芽組織填補傷口

此階段主要是藉著「肉芽組織」的生長來填補傷口。

肉芽組織由新生的微血管、纖維母細胞、各類免疫細胞和纖維母細胞分泌的膠原蛋白等共同組成，待肉芽組織上方有新的「表皮細胞」覆蓋後，也就是傷口與外界的接觸關閉後，就會進入下一個階段。

（三）重塑期：膠原蛋白、纖維細胞形成疤痕

此階段傷口外觀雖已癒合，但傷口內部的肉芽組織仍有許多工作在進行。

此時肉芽組織內的微血管和免疫細胞會逐漸減少，纖維母細胞會逐漸分化為纖維細胞，這些舉動能讓出肉芽組織中的空位，提供更多空間給纖維母細胞所分泌的膠原蛋白。

膠原蛋白和纖維細胞在組織內也會重新建構、排列讓組織變得更緊緻，進一步收縮傷口的同時增加對抗外力的能力，而這個新生的組織，就是我們所稱的「疤痕」。

疤痕沒有毛囊、汗腺，彈性也不好

不論是疤痕的外觀還是內部，都與原本的組織不同。

以皮膚為例，正常的皮膚必須包含毛囊、汗腺等附屬器官，但這些疤痕通通沒有，另外，因為疤痕內部膠原蛋白與纖維細胞的排列和正常皮膚不同，也導致疤痕的彈性和強度不如正常皮膚，例如在膝蓋、手肘等關節處的大面積疤痕，常會讓人難以彎曲。

需要注意的是，疤痕是傷口癒合的自然產物，無法避免！

雖然很多皮膚的小擦傷，只傷及表皮層，癒合後看似與原本的皮膚無異，但其實仍會產生疤痕，只是這些疤痕對傷口的填補不多也不明顯，因此我們會「誤以為」沒有留疤，然而，當我們身體出現傷及「真皮層」等較深的傷口時，疤痕組織對傷口的填補就很明顯了。

除疤產品並不是真正的「除疤」

因此，目前市面上各種除疤的產品與方法，都只能讓疤痕在「外觀」上更貼近周圍的皮膚組織，並不能真正消除疤痕！真正意義上的除疤，必須在傷口癒合階段就下手，讓疤痕組織不會形成。

不過正如前面所說，傷口癒合是一個相當複雜的生理反應，直到這幾年才對其中的分子機制有深入的認識²。而近期史丹福大學的研究團隊所發表的文章，不僅揭示了疤痕形成背後的關鍵分子機制，也提供了傷口癒合不留疤的可能性¹。

纖維母細胞：形成疤痕的關鍵

從傷口癒合的三個過程可看出，「纖維母細胞」佔據關鍵的地位。

纖維母細胞除了負責肉芽組織的形成，在傷口重塑期，纖維母細胞也會分泌大量的膠原蛋白，同時自身也會分化為纖維細胞，在膠原蛋白和纖維細胞的重構下讓疤痕組織更緊實。

2015年，該團隊發表的研究顯示，在傷口癒合過程中有兩類纖維母細胞會參與，分別是會表達、不表達 Engrailed-1 (EN-1)^註1 蛋白質的纖維母細胞：

1. 不表達 Engrailed-1 的細胞 (Engrailed-1 Negative Fibroblasts, ENFs)
2. 會表達 Engrailed-1 的細胞 (Engrailed-1 Positive Fibroblasts, EPFs)。

其中，會表達 Engrailed-1 的 EPFs 就是形成疤痕的主要細胞³。

首先，研究團隊發現，小鼠傷口中的 ENFs 在傷口癒合期間會轉化為 EPFs ，產生更多 EPFs。

為什麼 ENFs 會變成 EPFs？是外力！

知道 EPFs 的來源後，接著他們想了解是甚麼「因素」刺激 ENFs 轉化為 EPFs 。

由於纖維母細胞在生物體內的功能之一就是感受各種機械外力，並在感受到外力後改變細胞的基因表現，以應付外力，因此研究團隊推測：

刺激傷口中ENFs轉化為EPFs的因素，就是皮膚在受傷後因彈性改變所產生的「機械外力」。

為了證實這個想法，他們將 ENFs 純化出來並培養在三種不同機械外力的實驗環境中，結果顯示，纖維母細胞不僅能感受不同的機械外力，在不同的外力下，細胞的表現也不同：

1. 在低機械外力下，ENFs 不會轉化成 EPFs
2. 在高機械外力下，ENFs 會轉化成 EPFs
3. 阻斷 ENFs 內的機械外力訊號後，ENFs 即使在高機械外力下也不會轉變成 EPFs

科學家在小鼠實驗時也得到類似的結果，當對小鼠的傷口施加拉力時，癒合的傷口內 EPFs 的數量會增加，同時，小鼠的疤痕組織也更厚，而這個結果，同樣可以被力學訊號阻斷劑逆轉。

切斷訊號！不告訴細胞傷口有受力

上面的實驗證實了，機械拉力可以刺激纖維母細胞表現 Engrailed-1，促使疤痕形成，那如果阻斷機械拉力訊號的傳導，是否就能防止疤痕形成？

順著這思路，研究人員找到一個美國 FDA 核准用於治療眼疾的藥物 Verteporfin^註2，Verteporfin能封鎖細胞用於感應機械力訊號的關鍵蛋白質，達到阻斷機械訊號傳遞的能力。

小鼠實驗顯示，在傷口上輔以 Verteporfin，對於傷口的癒合可謂是「非常有效」！

前面有提過，疤痕不會產生毛囊和汗腺等皮膚附屬器，其彈性和強度也較差。但加入 Verteporfin 後，癒合的傷口不僅能長出毛髮，汗腺也能正常運作，其彈性和強度也和正常皮膚相當，在顯微鏡下觀察時，也無法分辨癒合的傷口和原本皮膚之間的差異。

另外從分子層面來看，未加入 Verteporfin 的癒合傷口，其 EPFs 的數量遠高於加入 Verteporfin 的癒合傷口，顯示 Verteporfin 確實能抑制纖維母細胞表現Engrailed-1。

綜合以上的結果，研究團隊整理出影響疤痕形成的分子機制和因素：

Engrailed-1 在纖維母細胞中的大量表現，是疤痕形成的關鍵因素。而傷口處的機械拉力能刺激纖維母細胞大量表現 Engrailed-1 ，只要抑制這個機械拉力的刺激，就能有效抑制 Engrailed-1 表現，並讓小鼠實現傷口處的「無疤痕癒合」。

如何癒合不留疤？研究長達三十年的問題

研究團隊的主持人 Michael T. Longaker 教授是一位整形外科醫生，1987年，Longaker 還在胎兒外科手術室實習時，他的導師給了他一個作業：為什麼胎兒皮膚上的傷口能不留傷疤地癒合，而兒童和成人的皮膚卻做不到？

「這個問題我想了一年，後來變成四年，再後來就變成了幾十年。自此之後，為了回答這個問題，我的研究擴展到許多其他領域。我始終想知道，傷疤是怎麼形成的！」Longaker 教授如此說道⁴。

藉由研究這篇文章的結果，現在的我們可以一窺其中的可能了：胎兒的皮膚不像兒童和成人那麼有彈性，因此受傷後皮膚也不會因彈性改變而產生機械拉力。在沒有機械外力刺激的情況下，胎兒傷口處的纖維母細胞自然不會表現 Engrailed-1，也就能達到無疤痕癒合了。

未來，有疤痕說不定是件很稀有的事！

若這項研究的發現能應用到其他組織上，在醫學上的傷口處理，將帶來非常大的突破，畢竟疤痕在其他組織中同樣是「異於」原始組織的，過多的疤痕會嚴重影響組織甚至器官的功能，例如心臟和肝臟在受損後的纖維化問題。若能透過這個機制達成無疤痕癒合，將是眾多病患的福音！

不過在進入臨床試驗前，勢必得在動物實驗中進行更多測試，研究團隊也表示他們已著手這方面的研究了。

或許未來，傷口不留疤是傷口護理的標準流程，疤痕已不再是需要遮掩的東西，有疤痕說不定是一件很酷、很稀有的事呢！

註釋

1. Engrailed-1：該蛋白質目前認為與生長發育有關，從神經、骨骼到四肢的發育都有參與。
2. Verteporfin：是治療黃斑部病變所產生的典型或潛隱性視網膜下中央凹脈絡膜血管新生的藥物，簡單說就是抑制不正常血管新生的藥物。

參考資料

1. Mascharak S, desJardins-Park HE, Davitt MF, Griffin M, Borrelli MR, Moore AL, Chen K, Duoto B, Chinta M, Foster DS, Shen AH, Januszyk M, Kwon SH, Wernig G, Wan DC, Lorenz HP, Gurtner GC, Longaker MT. Preventing Engrailed-1 activation in fibroblasts yields wound regeneration without scarring. Science. 2021 Apr 23;372(6540).
2. Gurtner, G., Werner, S., Barrandon, Y. et al. Wound repair and regeneration. Nature 453, 314–321 (2008).
3. Rinkevich, Yuval et al. Skin fibrosis. Identification and isolation of a dermal lineage with intrinsic fibrogenic potential. Science vol. 348,6232 (2015): aaa2151.
4. http://med.stanford.edu/news/all-news/2021/04/drug-enables-healing-without-scarring.html

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。

• 採訪撰文／寒波
• 美術設計／林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強？

COVID-19 至今仍深深影響全人類，新冠病毒持續演化，例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株，近期出現的 Omicron 變異株等，它們逃避免疫系統的能力都不一樣，關鍵就在不同的棘蛋白（spike protein）結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員，他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構，不但能釐清新的突變帶來的威脅，後續也可作為研發人造抗體的指引。

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒，和 SARS 病毒是近親，正式命名為 SARS-CoV-2，中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞，以及如何逃避免疫系統的辨識，我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要？因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈，實際作用時會摺疊形成特別立體結構，而冠狀病毒的蛋白質中，又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調，棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一，絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗，都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事，必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多，早期的 X 光晶體繞射（X-ray diffraction），就像將影片定格截圖，但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振（Nuclear Magnetic Resonanc，簡稱 NMR），這是徐尚德留學深造時的專業，可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態，更接近實際作用的形態，可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是：冷凍電子顯微鏡（Cryogenic Electron Microscopy，簡稱 Cryo-EM），Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構，此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備，而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器！

在 COVID-19 疫情爆發初期（2020 年 1 月），徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析，當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒，對於解析棘蛋白結構有一定經驗，可說是贏得先機。

具體來說，如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構？

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來，將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體，之後以 -190℃ 急速冷凍，讓蛋白質分子保持凍結前的形態，最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻，就像一匹馬在高速移動時，連續拍攝許多照片，再將照片疊加起來，重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大，假如又與其他蛋白質結合，體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點，但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調，用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗，也要協調資料處理等疑難雜症。

關鍵 D614G 突變，讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗，徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索，一大困難在於，做實驗時發現不少棘蛋白壞掉，不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏，但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到，具備 D614G 突變的棘蛋白，保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長，可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢？武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒，其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸，D614G 突變的意思就是：第 614 號氨基酸由天門冬胺酸（aspartic acid，縮寫為 D）變成甘胺酸（glycine，縮寫為 G）。

D614G 突變誕生後，存在感持續上升，2020 年 6 月時已經成為全世界的主流，隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株，皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異，許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是，它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上，變種病毒的棘蛋白反而容易保存，徐尚德更指出，對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗（subunit vaccine）穩定性也會增加。

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」：受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究，除了棘蛋白本身，還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構，儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要！蛋白質結構學的常見單位是 Å（10^-10 公尺），原子與原子間的距離約為 2 Å，Cryo-EM 的極限將近 1 Å，不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞，和結構又有什麼關係？棘蛋白位於冠狀病毒的表面，直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分，稱為受器結合區域（receptor binding domain，簡稱 RBD），結構可能展現「向上」（RBD-up）或是「向下」（RBD-down）的狀態。向下，RBD 便不會接觸宿主細胞的受器，缺乏感染能力，；向上，RBD 方能結合受器，引發後續入侵。

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」（3 RBD），RBD 有可能同時向上（3 RBD-up），也可能只有 1～2 個向上，結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說，棘蛋白某些胺基酸位置的差異，會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的，假如能保持穩定性，延長向上的時間，也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來，實際觀察到不同品系的變化。

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比，D614G 突變帶來什麼改變呢？簡單說：棘蛋白向上的比例增加了，導致整個結構變得更加開放，增加新冠病毒對宿主受器的親合力（affinity）。

以 D614G 為基礎，接下來又獨立衍生出數款品系，皆具備多個突變，傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha（B.1.1.7）、南非的 Beta（B.1.351）、巴西的 Gamma（P.1），以及更晚幾個月後，於印度誕生的 Kappa（B.167.1）與 Delta（B.167.2）。Alpha 一度於世界廣傳，導致包括臺灣在內的嚴重疫情，不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系，徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然－結構與分子生物學》（Nature Structural & Molecular Biology）期刊，其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查，目前能在預印網站 bioRxiv 看到，該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構，刷新紀錄。

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢？其棘蛋白除了 D614G，還多出 8 處胺基酸突變，徐尚德發現 N501Y（天門冬酰胺變成酪胺酸）、A570D（丙胺酸變成天門冬胺酸）的影響相當關鍵。

直覺地想，棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力，立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面，乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到，A570D 突變會改變局部的空間關係，令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」（pedal-bin）── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板，讓桶蓋（也就是 RBD）穩定保持開啟。

事實上，棘蛋白總體向上的比例，Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少，不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒，嘗試體外感染人類細胞，發現感染力明顯減少，證實 A570D 突變頗有貢獻。

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞，干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y，不只 Alpha 有，Beta 等許多品系也有，Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生，似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢？

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面，會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸（tyrosine，縮寫為 Y）後，和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間，容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結，從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

另一方面，N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員，率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體，測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效，但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現：N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀，讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是，另外有兩款抗體 chAb15、chAb45，依然能有效對抗 Alpha 病毒，不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣，避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方，可以同時使用，多面協同打擊病毒。

棘蛋白結構不只胺基酸，還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗，接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端，但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株，可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現，要釐清棘蛋白的結構，不能只關心蛋白質，還要考慮棘蛋白表面的醣基化（glycosylation）修飾。

蛋白質在完工後，某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩，干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣，不同變異株的情況都不一樣，假如醣基化的位置和數量，由於突變而改變，便有可能影響立體結構，有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比，Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾，Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來，並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司（Regeneron）製作並通過緊急使用授權的抗體；以及中研院吳漢忠率隊研發，有望投入實用的多款人造抗體，對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中，同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法，仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路，徐尚德表示：時間壓力真的非常大！COVID-19 疫情爆發後，全世界投入相關研究的專家眾多，只要稍有遲疑，便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者，也只能苦苦追趕病毒演化的速度，一篇論文還在審查時，現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利，必需全方面認識病毒，而結構無疑是相當重要的一環。