為什麼研究「再生」？
自然界中，許多生物受傷後具有再生能力，但這些組織與器官是如何啟動再生機制，至今人們仍然不
了解。例如，切斷蠑螈的手臂和手指後，不同部位再生所費時間竟然相同。在中央研究院細胞與個體生物學研究所，陳振輝助研究員與其團隊以基因突變篩檢出失去再生能力的斑馬魚，進行深入研究，了解再生過程的分子機制，期待有助於再生醫學的發展。
奇蹟般的再生現象
在古代，希臘神話中的怪物九頭蛇與海格力斯大戰時，九頭蛇被砍斷頭顱後，依然可以不斷再生。在現代，X戰警系列電影中的金鋼狼，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既恐懼又羨慕。
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，但被截斷的手臂切面，可以再長出神經、骨頭、血管與肌肉，再生出完好的手臂。斑馬魚和渦蟲，也都具有很強的再生能力。
蠑螈需花費30至60天才能再生一隻完好的手臂，不像金鋼狼那麼誇張，可以瞬間再生。若我們能了解哪些關鍵會觸發再生機制，也許有一天人類也可以斷肢再生。
「所有人都對再生充滿好奇，並不是科學界才對再生研究感興趣！」在陳振輝的實驗室，研究團隊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」
人類的肢幹一旦受傷斷裂，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。
以脊椎再生的模式為例，斑馬魚一開始會因缺乏神經連結而無法游動，躺在水缸底兩個禮拜。但待神經重新連結、表皮癒合後，斑馬魚又能再次成為一尾活龍、游來游去。
透過這段觀察，陳振輝團隊想回答兩個問題：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，來讓新生的手臂或尾鰭具有正確的大小、形狀和功能。
陳振輝透過Skinbow 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，藉以建立一個工程藍圖。同時，他也運用這個藍圖，展示三維空間裡各式細胞如何互動、建構複雜組織，並觀察能否移轉到其他生物上，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，看到同事維卡斯‧古普塔（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。
Brainbow 由吉恩‧李維特（Jean Livet）於2007年時建立，當初是為了觀察老鼠的大腦神經，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。
陳振輝團隊轉化這項技術，運用在觀察斑馬魚的「表皮細胞」再生運作情況，並另名為Skinbow。經過多次嘗試，Skinbow能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。
透過Skinbow多顏色細胞標誌，便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，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分，然後才在原本的舊組織長出新的表皮細胞。
以斑馬魚作為模式生物
為何團隊會以斑馬魚來研究？而不選擇蠑螈？
陳振輝表示，斑馬魚作為模式生物已經有20多年的歷史，過去科學家利用斑馬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研究過程就要持續20天，但蠑螈太大隻，要持續進行觀察較為困難，因此容易麻醉、方便長時間觀察是考量因素之一。生長週期也是另一關鍵，蠑螈的成長過程需要數年，而斑馬魚只要3個月。
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」，由此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，找到一些影響再生反應的基因，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，神情充滿著耐心。
斑馬魚斑馬魚作為模式生物已經有20多年的歷史，過去科學家利用斑馬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。圖／擷自維基百科，公有領域
斑馬魚的再生機制，可能應用到人類身上嗎？
陳振輝認為，再生機制的研究植基於這些「再生能力突出」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。而基礎研究的結果，可以進一步在老鼠模式驗證，例如利用斑馬魚的再生機制去調控實驗老鼠的再生能力。
但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，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，許多硬骨魚類都有。生物的再生能力，對繁衍優勢沒有直接的影響，因此生物可以在漫長的演化過程中獲得或失去再生能力。例如並非所有的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，也失去了再生複雜組織的能力。
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有這樣的能力？」
※本文轉載自《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》（時報出版，2021.11）
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