【研究成果】兩刀劃出斑馬魚尾鰭干涉的「機械波」

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  Stella Y.T. Sun (科學推展中心特約編輯)


中研院陳振輝、林耿慧 ─生物學與物理學的精彩雙排!

隨著人氣漫改動畫「進擊的巨人」於今(2023)年秋季播出完結篇,二次元的世界觀再次在現實世界引起熱議,其中就包含了不死不休的再生生物學議題;另一方面,波在物理領域裡一直是個重要的現象,許多未知正是因為了解其波的特性,才帶來更大的應用。綜合上述這兩大領域,中央研究院細胞與個體生物學研究所副研究員陳振輝與同為中研院的物理研究所副研究員林耿慧,雙方籌組團隊攜手合作,於今年六月在《自然物理》(Nature Physics)期刊線上發表,發現了斑馬魚尾鰭在傷口修復時,集體細胞遷移所產生的「機械波」,這個機械波能傳遞傷口位置的訊息,並且被選為該期刊九月的封面,可視為深度跨領域研究的一大成功。

斑馬魚(學名:Danio rerio,又稱 zebrafish)為脊索動物門,和人類的基因組有著超過70%的高度同源性,且是為一種非常適合科研的模式生物(model organism),這種熱帶淡水魚以超強的再生能力著稱,例如尾鰭受傷後,能快速再生,在兩個禮拜的時間內完整恢復其原來的結構、大小和形狀。而尾鰭再生有個很大的謎團,就是當失去的組織越多,它長回的速度越快,並且這個神奇的能力不止斑馬魚有,早在十八世紀的義大利科學家 Spallanzani 就在蠑螈的手臂及尾巴再生過程中注意到這個現象。所以會再生的動物如何感知受傷的程度,以調整其再生的速度?這是團隊想利用斑馬魚尾鰭回答的問題。 由於斑馬魚適合放在顯微鏡下觀察,可以使用基因工程轉殖,建立帶有各種螢光蛋白、標誌著各種細胞的斑馬魚株,再加上能耐受麻醉、喚醒,可以長時間重複觀察等特性,是實驗室中研究組織再生的最佳夥伴。而本次的發現則是源自於一次對傷口癒合的觀察:通過切斷斑馬魚的尾鰭,觀察到了帶有螢光蛋白的表皮細胞大量往傷口移動,進行「集體細胞遷移」(Collective cell migration, CCM)。

一個假定生物為複雜的集合、凡事都有例外的生物學家,對上一個專長化繁為簡、以尋找通則為本業的物理學家,兩者合作所激盪出的火花,以及背後磨合所花的時間與精力,都顯現在這篇論文最精彩的地方:因為再生的過程有兩個階段 – 傷口復原以及細胞增生,所以研究團隊試著從傷口修復的過程,探索傷口發生的位置如何影響後續的細胞增生;首先由生物團隊拍攝傷口修復過程的細胞動態行為,並且利用分子生物技術操縱可能的變因,再由物理團隊擷取可量化的物理特性,設計理論模型來解釋這些物理量之間的關係。

團隊首先發現,當斑馬魚失去的尾鰭越多,集體細胞遷移所展現的波傳遞得越遠,但波速不受受傷程度影響,反而是個別細胞移動的速度則與失去尾鰭的多寡有關。為了更進一步解構這個細胞波的特性,團隊在斑馬魚的尾鰭上下各切開一個傷口,觀察兩個獨立不相依的傷口所產生的細胞波是否會出現「干涉」現象,而團隊果然發現兩個獨立產生的波會在對撞後分開,出現經典的干涉現象,符合「機械波(mechanical waves)」的傳遞特性,更驗證了波速與組織張力的調控關係,且進一步發現了波傳遞的距離會受到過氧化氫(hydrogen peroxide, H2O2)的影響。

過氧化氫作為一個化學訊號,將受傷部位與嚴重性等資訊封藏進細胞運動的速度中,而細胞運動是一種機械訊號,最終將受傷程度轉換成機械波傳遞的距離;在機械波所影響的範圍內會產生大量的細胞增生,進而控制了尾鰭的再生速度 — 如此精巧卻簡單的機制,解釋了從18世紀起就被科學家注意到的現象。這次的發現也是科學家第一次在活體動物身上驗證機械波的存在,試想若機械波能傳遞傷口資訊,那麼以人為方式產生機械波是不是可以誘發細胞再生、加速傷口修復了呢?當然,現在說這些也許還太早了,但在這個正解無法被輕易找到的世界,顛覆性的發展往往來自於對虛幻世界的想像,然而真正推動科學發展的是一次次現實且嚴謹的實驗,對於長時間戮力探索的科學家,我們能奉上最大的敬意也許就是對未來科學發展的可能性保持無限的想像力吧!

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