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扭轉細胞命運

我們全身上下由數萬億個細胞組成。該如何讓細胞活得健康、讓細胞能正常繁殖更新,是維護生命最重要的一件事。這也就是為什麼,目前對於重大疾病的研究,幾乎都關注開發細胞的免疫力,不管是透過藥物或體外培養等各種方法,目的就是要讓細胞恢復正常的運作機制,來修復或更新那些出問題的細胞與組織。

那麼,細胞為什麼會生病、突變或凋亡?我們又該如何掌控細胞的命運?

以往,研究者都只重視細胞的基因與化學反應,但根據細胞生物學近年的前沿研究,影響細胞命運的關鍵因素,竟然是「」!沒錯,就是那股我們看到讓物體運動、形變,用來推拉、擠壓、扭轉的「力」!

哈佛大學細胞生物學家、生物啟發工程研究所所長 Donald Ingber 對此提到:「一百年前,人們看著胚胎,發現它是一個不可思議的物理過程!然後當生物化學和分子生物學興起的时候,大家就良莠不分將其他一切都抛掉,只專注於化學和基因。」

但就在過去幾年,隨著原子力顯微鏡(可掃描「力」的變化,能 3D 觀察到活體非常精確的微小移動)等設備越來越普及,生物學家們發現,機械力 (Mechanical Force) 會影響胚胎、幹細胞以及其他已分化細胞的發展,並開始研究「力」是如何塑造細胞的行為。 



上部影片是哈佛教授 Donald Ingber 的短篇講說。他首先提到,過往30年,細胞生物學界都在研究基因、化學與賀爾蒙,認為這些是控制細胞行為的主要因素。但透過觀察細胞生長活動,很多生物學家開始慢慢懷疑,細胞的行為其實會受到細胞外部的「機械力」(Mechanical Force)改變,而這種機械力的影響,與基因同等重要。

這個觀點,對生物學界是一個非常大的革新,使生物界重新看待細胞的長成。Ingber 教授投入幾十年研究「機械力」對細胞行為的調控,他認為打從胚胎開始,細胞的分化複製、生長遷徙移動或病變死亡,都會根據細胞外部的「機械力」做出反應。這種機械力大從我們舉手投足的動作,小至細胞外部的體液壓力與收縮張力,會決定細胞、組織乃至器官的發育。

Ingber 近年的研究成果,已刊登在 2013年的《細胞與發育生物學年鑒》期刊發育生物學領域中排名第一的期刊)。2014年美國科普期刊《科學人》雜誌,也刊登了這方面的研究:「扭轉細胞命運」


「帳篷」般的細胞

為什麼細胞的生老病死,會與這種物理性的「力」息息相關?這得從細胞的構成來說。

以往人們認為,細胞不過是裝滿水的氣流而已。但如果從「力學」的角度來看,細胞更像由許多繃緊繩索拉起來的帳篷。只要帳篷某條繩索受力,整個細胞都會受到影響。而將細胞撐起來的架構,就是細胞內的結締組織:包括細胞骨架(由許多微管與微絲組成)、內質網與細胞質。可以說,細胞內90%以上的內容,都是這些結締組織。更關鍵的是,這些結締組織彼此間構成一個網絡,只要有任何壓力的變化,這整個網絡都會有所反應,牽一髮而動全身。


細胞內的結締組織:細胞內外部「力」的變化,都為透過圖中微細的纖維網絡,傳遍整個細胞。

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細胞內的結締組織:細胞實體圖,可清楚看細胞內幾乎都是結締組織,細胞核被結締組織團團纏繞。

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細胞新看法:細胞就如同「帳篷」一樣,被結締組織纖維撐起來,深受「力」的影響,牽一絲而動全網

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「力」,傳遍細胞內外

這些結締組織的重要性在於,它們將細胞內的重要胞器纏住包圍著,如細胞的中樞「細胞核」,以及發電廠「粒線體」,都被結締組織固定住。因此,細胞內外環境的各種力量變化,都會透過這些結締組織,直接傳遞給細胞內的胞器,使它們做出反應。

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這代表什麼呢?一旦細胞外部有任何風吹草動,不管是多微弱的壓力或張力變化,這些「力」就會透過結締組織傳遍整個細胞,而細胞內部正是根據這些「力」,來判斷外部局勢改變行為。


「力」在細胞內、外部的傳遞

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「力」,決定細胞的功能

簡單來說,細胞是靠「觸覺」回應外在環境的。賓州大學生物物理學工程師 Denis Discher 說到:「細胞並沒有眼耳。如果你又瞎又聾,你就得靠觸覺來感知周圍。透過觸覺,細胞能弄清它們自己在哪裡,它們應該幹嘛。如果細胞沒有接受到正確的物理「力」的提示,它們就不知道該幹什麼。」這就如同盲人摸到一把柔軟的椅子,知道自己可以坐下來;或者走路遇到一堵牆,知道自己需要移動繞開。

當生物學家從細胞的「觸覺」出發,越來越了解細胞行為與外部力量環境的關聯後,他們的研究有了非常大的突破!生物學家們過去有個疑問:我們全身細胞那麼多,怎麼細胞會知道它該分化成骨頭、皮膚、肌肉還是各種器官組織?結果,生物學家們發現,正是外部的力量環境,如軟硬度或收縮張力,決定細胞該長成什麼樣,尤其是幹細胞。

透過實驗,他們觀察到把幹細胞放置於流動的液體中,幹細胞就會變成血管;放到柔軟如腦組織的凝膠中,幹細胞就會長成神經細胞;放到硬度更強如肌肉的凝膠中,幹細胞就會長成肌肉細胞;如果凝膠硬度再加強,幹細胞就會長成骨骼細胞。

於此同時,生物工程師發現,通過模仿組織在體內常受到的壓力,就能培養出更好的骨頭和軟骨!從前,實驗室為了培養人造骨頭或軟骨,會將幹細胞放入跟需求形狀一樣的培養箱內,但這種實驗並不十分成功。因為細胞經常會死亡,有時只長出嬴弱的骨頭,或者長出來的人造軟骨與真實軟骨的強度比起來相差甚遠。

但是,生物醫學工程師們發現了一種方法,能使人造的和真實的硬度相差無二!這秘訣就是:模擬體內的壓力施加於細胞!紐約哥倫比亞大學教授 Clark Hung 發現,在骨頭的生長過程中,有規律地對軟骨細胞進行擠壓,模擬走路時的壓力來刺激軟骨生長,就能培養出强度與真實軟骨相差無二的人造軟骨。

另一位教授 Gordana Vunjak-Novakovic 也採用這種方法,她模擬骨頭發育過程中內部體液流動的壓力,在幾週的時間內,就成功用幹細胞培養出ㄧ塊形狀自然、硬度完全一樣,可順利植入人體的骨頭。Vunjak-Novakovic 說:「如果你不去刺激骨细胞,它們就會無動於衷。但只要你用正確的方法刺激它們,它們就會甦醒過來,以更快的速度生長出骨頭來。」

因此,越來越多生物學家認為,外部環境「力」的變化,是影響幹細胞發育的關鍵因素。這意味著,一旦我們改變外部張力,這些張力就會傳遞到細胞內部,最終達到細胞核——那裡细胞就會下達指令,決定它的命運該何去何從。


「力」出問題,就會產生疾病

根據近年陸續發表的研究論文,「力」對細胞的影響包括:胚胎發育、控制基因轉錄(gene transcription)、細胞核再程序化(nuclear reporgramming, 將成熟體細胞重新誘導回早期幹細胞狀態)、細胞繁殖(cell proliferation)、組織成型(tissue morphogenesis)、器官發育(具體實驗有造血系統、血管、肺、心臟、腎臟、肌肉、關節、骨頭等)、疾病產生(具體實驗有心血管疾病、血管硬化、神經退化、癌腫瘤、肝硬化、肺纖維化、皰疹性皮膚病、多發性硬化症、骨質疏鬆等)。

這些研究告訴我們一件事:細胞/幹細胞會根據它感受的「力」,決定它要往好的壞的方向生長。當周邊壓力不斷累積,阻塞或妨礙體液的流動或張力的舒放時,細胞就很容易病變,輕則讓你痠痛或發炎,重則演變成腫瘤形成癌症。這種情況,與中醫講的「氣滯」、「血瘀」道理相同,屬於結締組織張力失衡或阻滯而產生的問題。

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換句話說,只要你體內哪裏結締組織不通、不順、受迫或緊繃,那裡的細胞就會開始鬧彆扭,叛逆成讓你生病老化的病態細胞。而要讓細胞、組織乃至器官、神經健康的方法,就是靠「力」疏通結締組織,讓細胞擁有流通、無壓迫的生長環境。


如何用「力」?戴牙套咬一咬、壓一壓

看到這裏,你可能會覺得,細胞這麼微觀的身體單位,我們怎麼可能靠自己去影響它?這些事情應該只能交給細胞生物學家們處理,一般普羅大眾不可能有所作為。然而,這就是我們要告訴你的重點了:每個人都可以透過簡單的方法,靠自己幫體內的細胞「按摩」!這並不是癡人說夢。

其實,我們去找中醫師針灸、找物理治療師做復健、找按摩師推拿放鬆,全都是在做同樣的事:幫細胞外的結締組織疏通壓力。這也就是為什麼,不少人在接受這些治療後,身體症狀都有所改善。

但,我們這邊要告訴你的方法,是要從體內幫你調整全身的細胞環境!這個施力方法很簡單,就是配戴牙套咬一咬、壓一壓!

我發現,我們口腔有兩大重要的施力處:一處是舌頭,一處是下顎。

舌頭的重要性在於,它是身體中樞筋膜(深前線)的發端。由於這條中樞筋膜串連身體各大內臟,並且貫穿循環系統、呼吸系統、消化道系統與迷走神經,因此透過按壓舌頭,就可將「力」往下傳,甚至外擴到遠端肢體。


中樞筋膜圖:上從舌頭,一路往下延伸到腳趾的肌筋膜系統,整條連在一起。

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下顎的重要性在於,它是頭頸、前胸、後背等路筋膜的集合處。由於下顎的「咬力」夠強(幾乎可算是全身施力最強的地方),再加上「咬」可以隨時隨地、長時間地操作,因此可以讓「力」的刺激持續地往全身傳遞,上至頭部下至腳趾。

戴牙套「施力」的好處是:

第一,你不用靠別人,靠自己就可以隨時隨地幫體內的細胞按摩。

第二,針灸、推拿與按摩等方法,無法觸及體內(尤其是中樞筋膜系統),但牙套卻可以從體內施力,直接將刺激傳遞到外部難以觸及的部位。

第三,牙套可以長時間地幫你施力,尤其當你晚上睡覺全身放鬆時,配戴牙套就能整晚幫你的身體做體內按摩。

我設計牙套,其實就是運用結締組織全身共織在一起,「力」可以傳遍全身的原理。藉由從體內最容易施力的地方:舌頭與下顎,長時間地幫自己活絡結締組織,疏通體內的壓力與張力。


牙套配戴示意圖:◎ 上顎牙套按壓舌頭刺激深層筋膜  下顎牙套刺激淺層筋膜

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別小看這樣的施力刺激。當你日復一日夜復一夜地持續施力,你體內細胞的力學環境就會改變。別忘了,你的細胞對「力」是很敏感的,幹細胞更是敏感!當你把體內的「力學環境」調好,你根本不用費心去干涉細胞,它們自己就會「觸」摸出一條生路,幫你把身體經營得好好的。


◎ 更多關於結締組織與身體健康的專文,請參考本部落格「結締組織」專欄連結



全文乃作者原著,引用請尊重智慧財產權註明出處。

引用文獻

◎ 皮克洛(Stefano Piccolo),「扭轉細胞命運」,《科學人雜誌》 (2014年11月第153期2014年11月第153期)。 

◎ Tadanori Mammoto, Akiko Mammoto, Donald E. Ingber, "Mechanobiology and Developmental Control", Annual Review of Cell and Developmental Biology. 2013(29): 27-61

◎ Frans CS Ramaekers, Fred T Bosman, "The cytoskeleton and disease", Journal of Pathology. 2004(204): 351-354.


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