一種在三維空間追蹤數千個細胞的新方法可助於揭露侏儒症和其他骨骼病症破壞骨骼生長的原因。

隨著我們的身體從童年到青春期的成長，我們最終的身高和骨骼的形狀有很大程度取決於生長板（長骨兩端的新生長區域），如位於胳膊、腿、手和腳上的生長板。當生長板的區域擴大時，它們所組成的軟骨逐漸變硬成為固體組織，因此增加了骨骼的長度和寬度。魏茲曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）的研究人員開發出一種方法，使我們首次能以三維方式檢視生長板的細胞構成。該方法使人們對骨骼的成長在健康或患有侏儒症等骨骼疾病的情況下如何被影響有了新的認識。

近一個世紀前，研究骨骼生長的科學家們已經注意到必需去關注長骨兩端軟骨細胞的變化，這些細胞會先製造一個架構，隨後被硬骨組織所取代。而不正常的軟骨細胞可以作為未來疾病有機會發生的警示。主持該研究小組的分子遺傳學系Elazar Zelzer教授解釋說：「如果軟骨不正常，你最後會得到不正常的骨頭，它可能太短、太長或畸形。」

然而，目前還沒有有效的方法來追蹤軟骨細胞在生長板內發育的過程。目前檢查這些細胞的方法所提供的二維影像只能讓研究人員捕捉到細胞體積和空間排列的部分樣貌。此外，高解析度的方法雖然呈現了細部的影像，但只是生長板的一小部分，因而無法一覽全貌。

Zelzer實驗室的博士生Sarah Rubin執行這項新研究，她和其他科學家創造了一種名為3D MAPs的多重步驟整合方法，用於在三維空間中探索數十萬個軟骨細胞。首先，科學家們用化學品處理生長板組織，使其變得透明，以便他們能用一種稱為層光螢光顯微鏡的技術（light-sheet microscopy）取得影像。接著他們將影像切成片段，並應用一系列的演算法來描述每個截面上的細胞。最後他們將細胞映射成完整的影像，並獲得整個生長板的高解析度三維圖，清楚地標示所有軟骨細胞的形狀、大小以及它們的空間方向與組織結構。

這個方法顯現了前所未有的細節，使研究人員得以觀察生長板內的細胞到底發生了什麼變化。它推翻了以前關於骨骼生長的假設。眾所周知，誕生於骨骼兩端的軟骨細胞不斷變化，因此「最古老」的細胞（也就是最接近骨骼中間的細胞）處於轉化的最後階段。在以往的研究中，這些「最古老」的細胞看起來比前一階段的細胞大近十倍。但是當科學家們使用3D MAPs觀察小鼠的生長板時，他們發現這種所謂尺寸的倍增實際上是由二維成像的扭曲所造成的錯覺。事實上，細胞大小的增加是相對漸進的，其中大部分發生在細胞最終轉化的前一階段。

透過3D MAPs，科學家們還成功地解決了兩個關於Grebe syndrome這種侏儒症的謎題，這個症候群是由Gdf5基因的一個突變所引起。而Gdf5基因被認為是與關節形成的調控有關，因此不清楚為什麼它的突變會導致人們出生時四肢嚴重縮短和畸形，也不清楚為什麼在該症候群患者中產生這種骨骼異常的生長板在早期研究中看似完全正常。

當科學家們將3D MAPs應用於具有Gdf5突變的年輕基因轉殖小鼠的骨骼時，發現了以前的研究中未曾發現過的一系列生長板異常的狀況。這些異常顯示Gdf5基因除了在關節形成中具有作用外，還調控著生長板內軟骨細胞的轉化。當這個基因發生突變時，軟骨細胞未能在正確的階段改變大小、形狀不正常而且沒有正確的方向性。

Rubin說：「想想密密麻麻的彈珠，如果你改變了它們的形狀，你就不能像以前那樣把它們裝進盒子里。同樣，形狀改變後的軟骨細胞不能在生長板內正確排列，這就阻礙了骨骼的正常伸長。」

這種新方法使科學家可以進一步探索健康骨骼及各種疾病如何影響生長板內細胞與骨骼生長的機制。它也可用於研究骨骼與外部互動的關係，例如骨骼與肌肉的互動如何影響骨骼生長。

Zelzer說：「生長板可以看作是驅動骨骼伸長的引擎。我們現在已經掀開了引擎蓋，近距離觀察這個引擎是如何運作的，以及當它發生故障時會發生什麼變化。」

研究參與者包括魏茲曼分子遺傳學系的Ankit Agrawal博士、Sharon Krief、Neta Felsenthal博士、Jonathan Svorai和Tomer Stern博士；該研究院生命科學核心設施部的Yoseph Addadi博士；RWTH Aachen University的Johannes Stegmaier教授以及Aix-Marseille University的Paul Villoutreix教授。

資料來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/making-bone-growth-transparent