中研院在斑马鱼尾鳍发现「机械波」 解开快速再生谜团

斑马鱼尾鳍的上皮细胞。(中研院提供)

为什么会再生动物的再生速度与受伤程度成正比？这是一个困扰生物学家超过250年的奇特现象。中研院细胞与个体生物学研究所副研究员陈振辉及物理研究所副研究员林耿慧组成跨领域团队，发现斑马鱼利用「机械波」及时侦测受伤发生的位置，以调控相对应的伤口愈合和再生反应。此研究成果于6月刊登于国际期刊《自然物理》(Nature Physics)。

18世纪义大利生物学家Lazzaro Spallanzani 首次发现某些脊椎动物（如蜥蜴和蝾螈）具有很强再生能力，他仔细纪录了一个奇特现象，即受伤越重，再生越快。这些动物如何侦测受伤发生的位置？复杂组织的再生速度如何调控？为什么会再生的动物都可以观察到类似的反应？因为研究模型和工具的限制，生物学家至今对此一现象仍然了解的很少。

为了解开谜团，陈振辉团队利用斑马鱼的尾鳍作为模型，开发活体影像工具，探究脊椎动物如何再生复杂组织。

实验室的博士生黎马可（Marco P. De Leon）意外注意到，不同的受伤程度会产生不同的伤口愈合反应。在细胞的层级，失去的组织越多，参与伤口愈合的细胞就越多，快速移动的上皮细胞呈现出像是波的运动行为。

经由与林耿慧及其团队成员温福来博士持续近6年的合作研究，他们发现波的传递距离，与被切断尾鳍的长度成正比。但是这个波的本质是什么？是化学波还是机械波？

林耿慧设计实验，验证波速会受到组织张力的影响，波的传递会互相干涉，支持这个波是机械波。温福来建立理论模型预测波的行为，发现细胞之间有如弹簧的耦合，机械因素例如阻力的梯度变化，是限制波传递的关键。他们还发现上皮细胞里过氧化氢的新功能。作为受伤讯号，过氧化氢可以反映受伤程度、即时控制上皮细胞的移动速度，进而影响波的传递距离。

这项研究是首次在活体动物身上验证细胞群体运动之「机械波」的存在，解释了Spallanzani发现的奇特现象──会再生的动物可以利用「机械波」侦测受伤发生的位置，以控制相对应的伤口愈合和再生反应。

该研究论文第一作者为本院国际研究生学程的博士生黎马可和国立台北教育大学的助理教授温福来，研究团队包括Giovanni J. Paylaga、王盈婷、阮筱彧、王崇翰、萧崇德、林耿慧、陈振辉。研究经费由本院细生所、物理所、本院前瞻计划、iMATE计划及国科会支持。