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解析生命的藍圖：鍾正明院士分享組織圖案形成與類器官的奧秘

在第51屆台灣皮膚科醫學會年會上，國際知名發育生物學家、美國南加州大學教授暨中央研究院鍾正明院士，發表了題為「發育中皮膚和類器官的組織圖案形成」

張宏嘉 Benjamin Chang 皮膚科專科醫師 · VSKIN 院長 · PSKIN 主治醫師

更新於 2025年11月9日 會議筆記

在第51屆台灣皮膚科醫學會年會上，國際知名發育生物學家、美國南加州大學教授暨中央研究院鍾正明院士，發表了題為「發育中皮膚和類器官的組織圖案形成」(Tissue patterning in developing skin and organoids) 的專題演講。鍾院士從他對「圖案形成」(pattern formation) 的長期癡迷出發，帶領聽眾深入探索了生物體如何從「無中生有」，發展出如孔雀羽毛般精美、複雜的生物結構。

鍾院士指出，皮膚是生物體與環境溝通的介面，其圖案時而為了吸引，時而為了偽裝。他的演講藍圖圍繞三大核心機制展開：

新生圖案形成 (De Novo patterning)、適應性圖案形成 (Adaptive patterning)，

以及類器官 (Organoids) 中的再生圖案與自我組織。

1. 新生圖案形成：圖靈機制與生物電的協同作用

新生圖案形成是一種「由下而上」(bottom-up) 的過程，意指系統如何從無到有，自我組織出圖案。

圖靈原理 (Turing Principle)

演講的核心是「圖靈原理」，這是一個「短程活化，長程抑制」(Short-range activation, Long-range inhibition) 的數學模型。鍾院士以雞胚胎的羽毛發育為例，在羽毛芽中，FGF4 等分子扮演「活化劑」，BMP4 等分子則扮演「抑制劑」。這兩者的交互作用決定了毛囊的大小與間距——就像一百萬個細胞，可以分化成100根粗毛，或1000根細毛。

然而，Wnt、BMP這類可擴散的形態發生素 (morphogen) 擴散距離僅約200微米，對於整個身體尺度而言太小。鍾院士團隊提出，必定存在一種更快的長距離訊號。

間隙連接 (Gap Junction) 的關鍵角色

最新的研究（引用自 Tseng et al., 2024）揭示了「間隙連接」就是那個長距離訊號的傳遞者。當研究人員使用藥物 (AGA) 抑制間隙連接活性時，原有的圖案被破壞，導致在羽毛芽之間長出了不正常的「異位芽」(Ectopic buds)。這證實了間隙連接介導了一種長距離的抑制訊號，對維持圖案的穩定至關重要。

生物電與方向性 (Bioelectricity and Orientation)

圖案不僅關乎「有或無」，還關乎「方向」。鍾院士展示，羽毛的排列並非隨機，而是像「氣象圖」一樣具有一致的群體方向性。研究發現，這個群體方向會被外在電場改變。

這個機制與「鈣離子通道」密切相關。當鈣通道被抑制時，羽毛便失去方向性，呈現隨機排列。總結來說，皮膚芽體的拉長，是化學訊號（如 Wnt/Shh 引導的細胞遷移）與生物電訊號（如鈣離子震盪和間隙連接）共同協調的結果。生物電是超越 FGF/BMP 的「另一層細胞通訊語言」。

2. 適應性圖案形成：

追隨線索的「自我組裝」

演講的第二部分是「適應性圖案形成」，這是一種「追隨現有線索」(following the existing clue) 來建立更複雜結構的過程。

真皮肌肉網絡：烤鴨的啟示

鍾院士幽默地以「北京烤鴨」為例，指出烤鴨皮上美味的「烤架圖案」，就是其真皮肌肉網絡。這個網絡並非預先決定，而是「自我組裝」(Self assembly) 的。

機制是：一開始平滑肌細胞（綠色）向所有方向生長；凡是成功與毛囊建立連接的，就因機械力而穩定下來；而那些沒有成功連接的細胞，則會改變命運，轉化為脂肪細胞。

血管新生與脂肪生成的命運交織

演講接著介紹了國防醫學院歐醫師的研究，探討了皮膚中血管與脂肪的發育。

血管新生 (Vasculogenesis)： 皮膚中的血管不只是從中央分支而來（Angiogenesis），更存在「局部新生」(Vasculogenesis)。研究發現，真皮纖維母細胞在特定階段，會轉變命運，成為內皮細胞，進而組裝成血管。

脂肪組織 (Adipose tissue)： 皮膚脂肪的形成有「兩波」浪潮。它們的組裝有兩條路徑：一是沿著血管沈積，二是由前述那些「組裝失敗」的平滑肌細胞轉化而來，身體絲毫不浪費。

臨床意義：在疾病中「解析圖案」

鍾院士強調，皮膚科醫生是幸運的，因為他們可以「看見圖案」。

在 2024 年發表於《Cell》的「解析圖案」(Parsing patterns) 綜述中，團隊將這些基礎原理與臨床疾病聯繫起來。

投影片展示了乾癬 (Psoriasis)、白斑 (Vitiligo)、圓禿 (Alopecia areata)，乃至髓母細胞瘤 (Medulloblastoma) 等，這些疾病都呈現出特定的「圖案」。

鍾院士指出，理解這些圖案的形成機制，將為我們提供關於疾病發生學 的重要線索。

4. 未來展望：類器官的「自我組織」與應用

演講的最後一部分，聚焦於「類器官」(Organoids) 的研究價值。類器官不僅能用於基礎研究（如自我組織），更在應用研究上（如藥物篩選、疾病研究）具有巨大潛力，未來甚至可能用於患者治療。

皮膚類器官的奇妙再生

演講展示了一段令人驚嘆的影片：將分離的表皮細胞與真皮細胞混合培養。在11天內，這些細胞展現了驚人的「自我組織」能力。

細胞先是聚集 (Aggregation)，接著極化 (Polarization) 形成囊腫，然後融合 (Coalescence)，最終「像魔術一樣」轉變為一個平面 (Planarization)，並在上面形成了週期性圖案。

在解析這個過程的分子機制時，團隊透過單細胞定序發現了一個驚喜：干擾素-γ (Interferon-gamma) 參與其中。這是一種免疫訊號，卻在類器官的組織過程中被召喚，顯示了再生機制的高度複雜性。

從基礎到應用的轉化

鍾院士強調：「如果你想做應用，你就必須研究根本的機制」。

過去，成體細胞 (adult cells) 無法完成類器官的完整再生。但正是因為團隊從新生兒細胞 (newborn) 中學會了「配方」，現在已能成功誘導成體細胞也形成毛髮，這為未來的再生醫學提供了明確的治療靶點。

演講最後，鍾院士以他指導的兩位台灣傑出研究者——林頌然教授與陳志強主任為例，勉勵在場的年輕醫師。

他特別提到了陳志強主任關於毛髮再生的《Cell》研究：透過特定「圖案」的拓撲學設計去拔毛，被拔的毛髮會影響未被拔的鄰居，最終拔200根毛卻再生了1000根。

鍾院士總結道，圖案形成不僅是基礎生物學的根本機制，更蘊含著巨大的臨床應用潛力。他鼓勵新一代的皮膚科醫師勇於投入研究，繼續解析生命圖案中的奧秘。