中研院在斑馬魚尾鰭發現「機械波」 解開快速再生謎團

斑馬魚尾鰭的上皮細胞。(中研院提供)

爲什麼會再生動物的再生速度與受傷程度成正比？這是一個困擾生物學家超過250年的奇特現象。中研院細胞與個體生物學研究所副研究員陳振輝及物理研究所副研究員林耿慧組成跨領域團隊，發現斑馬魚利用「機械波」及時偵測受傷發生的位置，以調控相對應的傷口癒合和再生反應。此研究成果於6月刊登於國際期刊《自然物理》(Nature Physics)。

18世紀義大利生物學家Lazzaro Spallanzani 首次發現某些脊椎動物（如蜥蜴和蠑螈）具有很強再生能力，他仔細紀錄了一個奇特現象，即受傷越重，再生越快。這些動物如何偵測受傷發生的位置？複雜組織的再生速度如何調控？爲什麼會再生的動物都可以觀察到類似的反應？因爲研究模型和工具的限制，生物學家至今對此一現象仍然瞭解的很少。

爲了解開謎團，陳振輝團隊利用斑馬魚的尾鰭作爲模型，開發活體影像工具，探究脊椎動物如何再生複雜組織。

實驗室的博士生黎馬可（Marco P. De Leon）意外注意到，不同的受傷程度會產生不同的傷口癒合反應。在細胞的層級，失去的組織越多，參與傷口癒合的細胞就越多，快速移動的上皮細胞呈現出像是波的運動行爲。

經由與林耿慧及其團隊成員溫福來博士持續近6年的合作研究，他們發現波的傳遞距離，與被切斷尾鰭的長度成正比。但是這個波的本質是什麼？是化學波還是機械波？

林耿慧設計實驗，驗證波速會受到組織張力的影響，波的傳遞會互相干涉，支持這個波是機械波。溫福來建立理論模型預測波的行爲，發現細胞之間有如彈簧的耦合，機械因素例如阻力的梯度變化，是限制波傳遞的關鍵。他們還發現上皮細胞裡過氧化氫的新功能。作爲受傷訊號，過氧化氫可以反映受傷程度、即時控制上皮細胞的移動速度，進而影響波的傳遞距離。

這項研究是首次在活體動物身上驗證細胞羣體運動之「機械波」的存在，解釋了Spallanzani發現的奇特現象──會再生的動物可以利用「機械波」偵測受傷發生的位置，以控制相對應的傷口癒合和再生反應。

該研究論文第一作者爲本院國際研究生學程的博士生黎馬可和國立臺北教育大學的助理教授溫福來，研究團隊包括Giovanni J. Paylaga、王盈婷、阮筱彧、王崇翰、蕭崇德、林耿慧、陳振輝。研究經費由本院細生所、物理所、本院前瞻計劃、iMATE計劃及國科會支持。