研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課

Lesson 2 人類的斷肢有可能再生嗎？——探索斑馬魚的超強再生力
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？」

【科學會客室】從動物身上問對問題，就可以找到答案！——陳振輝專訪

渦蟲最多可以切幾段？
陳振輝曾在中研院的院區開放日，進行一場題為「如何跟金鋼狼一樣再生複雜組織？」的科普演講，有個國小小朋友問：「渦蟲最多可以切成幾段？」從回答這個問題開始，距離了解再生的機制就已更近一步。而若能掌握越多，便可望更理解如何增強人類組織與器官的再生能力。

擁有再生能力，就能長生不老嗎？
長生不老確實有可能，渦蟲在實驗室生存條件充足的情況下，會將自己的身體拉成兩段，各自再生成完整的個體。這種可以極端再生的生物，存活的時間似乎沒有限制。
一百年前，美國諾貝爾獎科學家摩根（Thomas HuntMorgan）曾經將渦蟲切成279塊，發現這279塊的渦蟲組織仍然可以再生成個別完整的渦蟲。
但若以最小的單位，也就是「一顆細胞」能不能再生為「一隻渦蟲」呢？答案是也有機會。將渦蟲分解成單細胞（幹細胞），只憑這個幹細胞無法再生成一隻渦蟲。但若將這個幹細胞移植到被放射線照過的渦蟲身上，原本被放射線照過的渦蟲會在兩週左右死亡，但植入幹細胞的渦蟲卻可以重新恢復再生能力，宛如殭屍復活！
再生的最小單位似乎是幹細胞，但這是在有限制的條件下，且環境也相當重要。

為什麼會想研究「再生」？分享一下你的研究進程。
十多年前當我在陽明大學生化所讀碩班時，研究的是中草藥抗氧化物的純化，當時對免疫學很感興趣，在中研院擔任助理、剛到美國時，也待在免疫學研究的實驗室。一直到就讀達特茅斯學院遺傳所博士班二年級時，我才轉換到「生理時鐘」的研究。
當時我以「麵包黴菌」來觀察光反應對生理時鐘的影響，黴菌為了適應光線會產生「胡蘿蔔素」，但產生到一定的量便會停止。
研究黴菌感受光的調控機制，竟可以在分子層面上解釋其他生物對光的適應性，這系列的實驗非常有意思。因為黴菌跟老鼠、人類一樣擁有生理時鐘，也會受到光反應調控，然而，在老鼠與人類身上解釋基礎光反應對生理時鐘的影響十分複雜，用黴菌來研究較為容易。
在博士班畢業的前一年，大部分的博士生會轉換題目來增強學術能力，那時我反覆問自己：「什麼是用一輩子來研究都會覺得有趣的主題？」
偶然間，我看到幾篇「渦蟲再生」的研究論文，覺得主題很酷，便申請了幾個研究再生機制的實驗室，後來到了美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室，與教授肯尼斯‧波斯（KennethD. Poss）相談甚歡，加入了這個以斑馬魚模式研究再生的團隊。這個實驗室從我剛加入時大概7、8個人，現在已經是20個人的規模，顯示學界對於再生研究有濃厚興趣。

從斑馬魚可以得知哪些「再生」訊息？
在肯尼斯‧波斯教授的實驗室中，目前三分之二的人都以斑馬魚研究「心臟再生」。根據衛福部的統計，台灣的第二大死因是心臟病，而美國則位居第一名，因此美國非常重視心臟的再生研究，也投入大量的資源支持。另外，用斑馬魚研究「脊椎再生」也是熱門的項目。
我自己是研究斑馬魚的「尾鰭再生」，有些人會覺得尾鰭是魚類特有的器官，但尾鰭再生的研究，也許有機會應用於生物的斷肢再生。
目前我們的實驗室，主要探索斑馬魚的「表皮細胞」如何分工合作進行再生，下一步也想觀察斑馬魚尾鰭中其他細胞的運作，比如若把尾鰭「神經細胞」的連結截斷，再生將無法進行。也就是說，了解各種細胞扮演的角色，是了解再生反應重要的方向。
從斑馬魚這種「模式動物」去提出問題，需植基於許多理論基礎，要建立模型、問對問題，這個過程的確很難。
當時實驗室老闆肯尼斯是建立斑馬魚心臟再生模型的初始者，他曾說過一開始要說服人們，以斑馬魚來做心臟再生的研究，大家都很難理解。很幸運的是，現在我們已經可以站在這些巨人的肩膀上進行研究。

研究「再生」的過程，遇到哪些困難？
建立「研究工具」最花時間。
研究老鼠與果蠅的科學家非常多，可以共享某些研究工具。然而，利用斑馬魚成魚做研究，大部分的研究工具需要自己建立（例如斑馬魚表皮細胞的多顏色標誌工具Skinbow），因此實驗時間拉得很長。
斑馬魚的生長週期是3個月，但建立新的基因轉殖魚作為研究工具，一般就要花上6個月到9個月的時間。

研究過程，曾有想放棄的時候嗎？
在我讀書的年代，生命科學是明日產業，生命科學系是非常熱門的明星科系，但現在大環境的就業情況並不理想，學生也紛紛退卻。我的想法是，要預測明日產業是困難的，你只能問自己的興趣在哪裡，只要真的有熱情，就有理由和動力堅持下去。
無論是我在博士班的黴菌生理時鐘研究，或現在進行的斑馬魚再生研究，都是從黴菌和斑馬魚這種模式生物來回答問題。利用各種模式生物的強項，問適合的問題，就可以找到答案。再生能力的研究是個新領域，就像一座待探索的西部大荒野，還有好多問題可以問。
這些發現除了以研究論文呈現，我也希望能與小朋友分享。因為小朋友非常有創造力，也許能問出我們想不到的問題。如果學校有興趣，實驗室可以提供斑馬魚與如何觀察尾鰭再生的方法，讓小朋友一起動手體驗再生的科學奧妙。
每天一早，我都很期待到實驗室，看看研究有什麼進展，想知道自己設計的實驗有什麼發現，很像「我一直在做自己喜歡做的事，還剛好有人給我薪水」。雖然研究工作並非一帆風順，實驗結果不如預期是科學常態，永遠都有不同的挑戰需要克服。但若是能重新選擇，我還是希望自己可以走上學術研究這條路。

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2017年，中央研究院創立「研之有物」科普網站，4年多來橫跨數理科學、生命科學與人文社會科學三大領域，累積快300篇的科普文章，帶領讀者深入各個研究現場，揭開學術研究的神祕面紗，了解成果如何應用在生活之中，也縮短了專業嚴肅的學問與讀者間的距離。近年來陸續有同仁、朋友跟我分享，「研之有物」文章真的讓更多人知道中研院在做什麼！
中研院生命科學的研究在許多領域都有突破性的進展，例如在轉譯醫學領域，在病人用藥前進行基因篩檢，可降低藥害風險、找出疾病致病基因，亦是未來發展精準醫學之關鍵；此外，為維繫糧食安全與生物多樣性，我們深入研究植物與農作物如何因應氣候變遷，並進行跨領域的南島研究，提出對生態保育的政策建言。
本書收錄的21篇文章，涵蓋生物、醫療藥物及生物工程三大面向，帶領讀者從認識生物體開始，逐漸拓展至藥物治療應用面，甚至了解如何進一步利用生物工程預測未來、幫助人類避開危機，由小至大，見微知著。從破解動、植物基因密碼，可發現細胞遺傳關鍵機制、尋找斷肢再生的醫學潛力，亦能證實南島語族遷徙歷史；藉由科學研究及分析，人們更加了解吃進身體裡的食物、藥物，如何在體內發生反應、對人體有何影響；利用電腦運算，可模擬藥物作用，降低藥害風險；藉由重新設計細胞的功能，設法解決淨零碳排的難題；甚至探索與利用基因編輯技術，設法預防疾病。每項研究的起源都萌生於探索未知，每篇文章都能感受到科學家日以繼夜追尋真理的熱情，值得用心體會。

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