從再生高手蠑螈的身上,人類能否找出誘發斷肢的奧秘?這個研究,將改變截肢和重大傷口的治療方法!
撰文╱宗岡賢(Ken Muneoka)、韓萬鍾(Manjong Han)、賈迪納(David M. Gardiner)
翻譯/涂可欣

重點提要
■蠑螈是肢體再生的典範,終其一生都能完美長回失去的肢體。了解蠑螈的再生機制,將可指引人類肢體再生研究的發展方向。

■遭遇截肢創傷時,蠑螈與人類傷口組織的初期反應大同小異,但人類的傷口之後會形成傷疤,蠑螈則會重新啟動胚胎發育程式,以長回新的肢體。

■若能控制人類傷口的情況,誘導傷口走向蠑螈般的癒合過程,或許人類就可再生出較大部位的肢體。

蠑螈的腳和人類的四肢比起來雖然細小許多,但結構大致相同:外有皮膚包裹,內部有骨骼、肌肉、韌帶、肌腱、神經和血管,此外還有一些排列疏鬆的纖維母細胞連結、固定這些內部組織,並賦予肢體特定外形。

然而蠑螈的腳,卻是脊椎動物界裡最獨特的,如果斷了,牠可以從傷口重新長出完整的肢體,而且不管斷了 多少次,成年的蠑螈還是能一次又一次地長回腳來。青蛙在蝌蚪時期剛長出來的腳也可以再生,然而一旦進入成年期即失去了這項能力;即便哺乳動物的胚胎也有一 些能取代成長中肢芽(limb bud)的能力,但是出生之前這項能力也會消失。事實上,再生能力隨生物發育程度而降低的趨勢,正好反映了高等動物形態的演化,也讓較低等的蠑螈成為終其 一生都能再生複雜肢體的唯一脊椎動物。

人們對於蠑螈的這項本領好奇已久,再生部位是怎麼「知道」它需要取代的失去肢體有多長?為什麼牠們斷 腳處的皮膚不會像人類一樣形成封閉的疤痕?成年蠑螈如何讓組織保持胚胎一樣的潛能,而能多次從無到有長出整段肢體?生物學家正試圖找出這些問題的答案,如 果能了解自然界的再生機制,我們希望能誘發人體的再生,例如長回截斷的手或腳,並改善其他嚴重傷口的癒合。

人體遭受重大創傷時的初期反應,其實和蠑螈大同小異,但是傷口癒合的策略很快就分道揚鑣,結果是人類 無法進行再生,只會在傷口處留下疤痕。然而有一些跡象顯示,人類應該具備再造複雜部位的潛力,關鍵是喚醒人類潛藏的蠑螈式癒合反應。因此,我們研究的第一 步就是向再生專家蠑螈請益。

蠑螈教我們的幾件事
當蠑螈細小的腳被切斷時,截肢處的血管會立刻收縮,以減少失血,然後會有一層皮膚細胞很快覆蓋斷肢的傷口。在剛受傷的幾天內,這層傷口表皮層會轉變成一層 傳訊細胞,稱為「頂端上皮蓋」(apical epithelial cap),是再生不可或缺的關鍵。在此同時,纖維母細胞會掙脫結締組織網絡,移動到斷肢傷口表面的中央,然後增生形成芽基(blastema),這群性質 類似幹細胞的芽基細胞,將做為長成新肢體的前趨細胞(參見44頁〈完美再生〉)。

幾年前,美國加州大學爾灣分校我們的同事布萊恩特(Susan Bryant)證明了蠑螈的芽基細胞和胚胎發育中的肢芽(limb bud)細胞是相同的,顯示從芽基長成肢體的過程,其實是重演動物胚胎形成四肢的過程。這項發現的重要意義在於不管是新生或者是再生肢體,兩種情況都應用 了相同的基因程式;由於人類在胚胎時期也經歷了長出手腳的過程,理論上成人也應該擁有再生必要的基因程式。因此科學家的目標,就是找出如何誘導斷肢形成芽 基的方法。

作者賈迪納數年前曾與爾灣分校的同事遠藤哲也(Tetsuya Endo)合作,以「化繁為簡」的策略來探究芽基如何形成的基本問題。賈迪納並不直接研究會自然形成芽基的斷肢,而是觀察蠑螈腿上的簡單傷口,看牠的皮膚 如何再生、癒合。我們的想法是,這類傷口類似哺乳動物無法長出新肢體的斷肢傷口,但如果我們能讓只有簡單癒合反應的傷口也長出完整的腳,那就可以進一步分 析再生過程。

我們在蠑螈腿上劃了一道小傷口,其表皮細胞便會移動到割傷處將傷口密合起來,就像處理截肢傷口一樣, 而位於真皮層的纖維母細胞也會前往傷口來取代失去的皮膚。但如果我們小心地將一條神經轉向受傷的地方,我們就可誘導那些纖維母細胞形成芽基。美國凱斯西儲 大學的辛格爾(Marcus Singer)在半個世紀前即已證明再生反應需要神經分佈,但我們的實驗則證實神經提供的某些未知因子可改變附近纖維母細胞的行為,進而影響再生。

 

然而這些誘導形成的芽基卻無法繼續進展到後期而長出新腳,顯然我們還缺少了其他要素。而促使 芽基長成肢體的關鍵,是移植對側肢體的皮膚到傷口,讓身體對側肢體的纖維母細胞也參與癒合反應。這個從割傷處新長出的腳,位置當然異常了,但其解剖構造卻 完全正常(見48頁〈再生之路〉),因此促進芽基形成的基本配方看來相當簡單:傷口表皮層、神經,和來自對側肢體的纖維母細胞。有了肢體再生的基本配方 後,我們即可開始釐清每一個要素所扮演的角色。

 

我們知道表皮層是從胚胎發育初期三個原始胚層中的外胚層衍生而成,也知道外胚層所提供的信號 分子,控制了胚胎肢芽長出四肢的過程。外胚層細胞會聚集在肢芽處形成「頂端外胚層脊」(apical ectodermal ridge),這個構造會在特定時期分泌化學信號分子,引導下方肢芽細胞的移動和增生。

 

雖然我們尚未確定來自表皮層的關鍵信號分子為何,但我們知道有某幾種纖維母細胞生長因子 (fibroblast growth factor, FGF)參與其中。頂端外胚層脊製造了多種FGF來刺激下方的肢芽細胞,肢芽細胞又會製造其他種FGF,形成頂端外胚層脊和肢芽細胞間的反饋迴路,這是生 成肢體必要的機制。一般相信,肢體再生時形成的頂端上皮蓋也會引發類似的反饋迴路。日本東北大學的田中幹子(Hiroyuki Ide)發現,蝌蚪逐漸喪失再生能力的現象與無法活化FGF迴路有關,如果以FGF10處理已無法再生肢體的蝌蚪,可啟動信號迴路而刺激斷肢部份再生。

 

這項結果雖令人興奮,卻有一個問題:利用FGF10誘導形成的再生肢體,其內部構造發生了異常,而引發出該如何控制再生、確保新肢體有正確解剖構造的重要問題。從這個結果又發現另一個再生的要角:纖維母細胞,它負責了這項功能。

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