蔡靖 李潔 蔣韻純 卞薇潔 仲兆民
摘 要:斑馬魚作為一種良好的脊椎動(dòng)物模式生物,因其與人類基因相似度高、飼養(yǎng)成本低、繁殖速度快、胚胎透明、個(gè)體較小、實(shí)驗(yàn)操作容易等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于遺傳學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的研究。隨著研究的深入,斑馬魚已拓展到疾病模型和藥物篩選等領(lǐng)域。研究表明,通過斑馬魚藥物篩選獲得的活性化合物大多在哺乳動(dòng)物模型中有相似的效果,預(yù)示著斑馬魚模型在藥物篩選中充滿潛力。本文主要介紹斑馬魚模型在藥物篩選中的優(yōu)勢(shì),以及近年來斑馬魚模型在注意缺陷多動(dòng)障礙、癲癇、阿爾茲海默癥和帕金森病等神經(jīng)性疾病的實(shí)驗(yàn)室模型建立與藥物篩選的進(jìn)展,旨在幫助人們了解斑馬魚在神經(jīng)性疾病新藥研發(fā)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:斑馬魚;疾病模型;藥物篩選;注意缺陷多動(dòng)障礙;癲癇;阿爾茲海默癥;帕金森病
中圖分類號(hào):Q95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2020)08-0210-04
1 斑馬魚模型在藥物篩選中的優(yōu)勢(shì)
藥物研發(fā)周期往往漫長(zhǎng),如何在各研發(fā)階段提高藥物研發(fā)效率是迫切需要解決的問題。在臨床前研究階段,早先的研究人員主要通過各種細(xì)胞系進(jìn)行高通量藥物篩選。然而,細(xì)胞水平的篩選也存在一定的缺陷:細(xì)胞系是體外水平的篩選,并不能完全反映動(dòng)物復(fù)雜的整體水平的狀態(tài);人類或動(dòng)物體內(nèi)不同細(xì)胞、不同組織、不同信號(hào)通路之間錯(cuò)綜復(fù)雜,難以通過簡(jiǎn)單的細(xì)胞系模擬。因此,應(yīng)用動(dòng)物疾病模型進(jìn)行藥物篩選成為近年來的趨勢(shì)。過往經(jīng)驗(yàn)顯示,非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物和嚙齒類動(dòng)物模型雖然在解剖、生理和行為上與人類更加相似,但飼養(yǎng)成本高、難度大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),在藥物篩選研究中的優(yōu)勢(shì)不明顯。與嚙齒動(dòng)物相比,在斑馬魚模型中進(jìn)行研究所需的成本和時(shí)間更少,因此斑馬魚在藥物篩選中脫穎而出,成為經(jīng)濟(jì)高效的藥物篩選新寵。
斑馬魚的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)成年魚個(gè)體小,易于飼養(yǎng):成年斑馬魚個(gè)體長(zhǎng)約3~4cm,在有限的空間可以養(yǎng)殖相當(dāng)大的群體,因此可開展大樣本研究;(2)斑馬魚發(fā)育快速、性成熟期短、繁殖力強(qiáng):其性成熟期一般為3個(gè)月左右,一尾雌魚一般每次可產(chǎn)卵100~300枚,每周可產(chǎn)卵一次;(3)胚胎體外發(fā)育:斑馬魚體外受精,胚胎在母體外發(fā)育并且透明,受精卵的直徑約1mm,易于觀察和進(jìn)行顯微注射、細(xì)胞移植等操作;(4)斑馬魚屬于脊椎動(dòng)物,與人類的基因相似度高達(dá)85%。(5)具有較完善的胚胎和遺傳學(xué)操作技術(shù):例如利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)構(gòu)建遺傳突變體、轉(zhuǎn)基因品系、斑馬魚的細(xì)胞標(biāo)記、細(xì)胞譜系跟蹤、胚胎的細(xì)胞移植技術(shù)與低等模式生物類似,已經(jīng)比較成熟;也可像在爪蟾上一樣做胚胎的細(xì)胞移植[1]。綜上所述,斑馬魚以其個(gè)體小、子代數(shù)量多、體外受精、胚胎透明等生物學(xué)特性可以適應(yīng)高通量、實(shí)時(shí)和長(zhǎng)時(shí)行為追蹤及分析技術(shù)的應(yīng)用,有助于研究人員進(jìn)行全面地檢測(cè)并評(píng)估藥物的作用效果。同時(shí),針對(duì)上文提到的藥物在細(xì)胞水平的篩選具有的缺陷,作為一種整體動(dòng)物模型的斑馬魚優(yōu)勢(shì)突出。此外,斑馬魚的基因組已經(jīng)被完全測(cè)序,這有利于研究人員明確基因水平上的致病原理和藥物作用機(jī)制,進(jìn)一步提高藥物篩選效率。
隨著近期迅速發(fā)展的TALEN、CRISPR-Cas9等技術(shù)在斑馬魚中成功應(yīng)用,對(duì)斑馬魚進(jìn)行基因敲除、敲入等基因修飾的實(shí)驗(yàn)得到普及。在基因功能研究方面,轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因過量表達(dá)技術(shù)、利用反義寡核苷酸抑制基因表達(dá)的技術(shù)、隨機(jī)或定向誘變靶基因的技術(shù)、體細(xì)胞克隆技術(shù)等[2]蓬勃發(fā)展。尤為重要的是,在中高通量藥物篩選中斑馬魚優(yōu)勢(shì)顯著:(1)與嚙齒類動(dòng)物不同,斑馬魚幼體更接近“幼年”狀態(tài),神經(jīng)系統(tǒng)成熟,重要器官功能正常,組織結(jié)構(gòu)在受精后的最初幾天內(nèi)完全發(fā)育;(2)在96孔板中篩選幼魚只需要毫克級(jí)別的化合物;(3)斑馬魚對(duì)藥物庫(kù)中通常使用的二甲基亞砜具有較好的耐受性;(4)溶解在游泳介質(zhì)中的小分子化合物可通過皮膚從而快速擴(kuò)散到達(dá)幼體的目標(biāo)組織;(5)斑馬魚幼魚的血腦屏障尚未形成,因此對(duì)于篩選能夠影響神經(jīng)系統(tǒng)的藥物具有重要意義。
2 以斑馬魚為模式生物研究的相關(guān)行為疾病
斑馬魚具有強(qiáng)大的行為能力、完善的行為測(cè)試可用性和自動(dòng)化行為測(cè)試儀器軟硬件的適應(yīng)能力[2],因而成為研究神經(jīng)紊亂疾病機(jī)制的高效模式生物(如圖1所示)。斑馬魚幼體和成體在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)有了很大發(fā)展,因?yàn)樗鼈兣c包括人類在內(nèi)的其他脊椎動(dòng)物具有高度的遺傳和生理相似性,基因操作相對(duì)容易,中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能也有同源性,因此斑馬魚作為模式生物在研究人類行為相關(guān)疾病時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。
2.1 注意力缺陷多動(dòng)癥(ADHD)
注意缺陷多動(dòng)障礙是一種常見的去膽汁性神經(jīng)發(fā)育障礙,影響全世界3%~7%的兒童,患者的癥狀大多數(shù)會(huì)持續(xù)到成年[3]。臨床表現(xiàn)為與年齡和發(fā)育水平不相稱的注意力不集中和注意時(shí)間短暫,活動(dòng)過度與沖動(dòng),常伴有學(xué)習(xí)困難、品行障礙和適應(yīng)不良的現(xiàn)象。但目前用于治療ADHD的藥物僅限于緩解癥狀,并不能徹底治療或者及時(shí)預(yù)防。在已開發(fā)的幾種ADHD嚙齒動(dòng)物模型,如大鼠、小鼠,并不能符合所有的有效性標(biāo)準(zhǔn),如多動(dòng)癥相關(guān)行為。因此,開發(fā)、創(chuàng)新和驗(yàn)證替代補(bǔ)充模型以進(jìn)一步探索多動(dòng)癥相關(guān)機(jī)制、研發(fā)篩選有關(guān)藥物至關(guān)重要。
在斑馬魚的各種行為測(cè)試可以用來評(píng)估與研究多動(dòng)癥。例如,可以通過將斑馬魚幼魚放在96孔板中,放入行為儀進(jìn)行行為軌跡監(jiān)測(cè),以測(cè)量游泳發(fā)作頻率(Hz)和持續(xù)時(shí)間(mm)、游泳速度(mm/s)、活躍游泳時(shí)間和總距離(cm)為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的記錄來對(duì)斑馬魚幼體活動(dòng)量進(jìn)行評(píng)估。在五項(xiàng)選擇系列反應(yīng)時(shí)任務(wù)(5-CSRTT,5-choice serial reaction time task)中,研究人員通過測(cè)量成年斑馬魚對(duì)五種感知相同的刺激(呈現(xiàn)在五個(gè)不同的空間位置)的反應(yīng)能力來評(píng)估其沖動(dòng)程度和注意力。研究數(shù)據(jù)顯示了這種實(shí)驗(yàn)?zāi)P驮谠u(píng)估斑馬魚注意力缺陷多動(dòng)癥相關(guān)癥狀方面十分有效。
新型水箱測(cè)試也可以預(yù)測(cè)成年斑馬魚的多動(dòng)癥。新型水箱測(cè)試是最常用的評(píng)估運(yùn)動(dòng)和焦慮樣表型的測(cè)試。該測(cè)試將單個(gè)斑馬魚放在一個(gè)新的環(huán)境中,它們通常在底部游泳,之后逐漸增加在水箱上部的活動(dòng)。而評(píng)估總行程(m)、平均速度(m/s)、絕對(duì)轉(zhuǎn)角和不動(dòng)度(s)這些參數(shù)的變化均可用于多動(dòng)癥的表述。在斑馬魚中,性別差異會(huì)造成不同的行為,活動(dòng)水平也會(huì)受到影響,這是研究多動(dòng)癥的一個(gè)重要因素。測(cè)試結(jié)果顯示,與低活動(dòng)度亞組的雌斑馬魚相比,高活動(dòng)度亞組的雌斑馬魚更喜歡水箱的頂部,而雄斑馬魚則沒有這種偏好[4]。
斑馬魚正迅速成為多動(dòng)癥研究的一種重要新型模式生物。已有多項(xiàng)斑馬魚行為測(cè)試顯示了與這種疾病相似的行為表現(xiàn),可以用來研究其背后的遺傳與神經(jīng)化學(xué)機(jī)制。最后,將基于行為的現(xiàn)象分析與藥物篩選技術(shù)相結(jié)合,斑馬魚將成為發(fā)現(xiàn)治療注意力缺陷多動(dòng)癥新藥的重要?jiǎng)游锬P汀?/p>
2.2 癲癇(Epilepsy)
癲癇的主要特征是出現(xiàn)自發(fā)性反復(fù)發(fā)作(SRS,spontan-eous recurrent seizures)和高患病率的共病,如認(rèn)知障礙、抑郁和焦慮,會(huì)嚴(yán)重影響個(gè)人生活。現(xiàn)有的20多種抗癲癇藥物只能提供對(duì)癥治療,且可能出現(xiàn)認(rèn)知改變、記憶混亂的副作用。此外,有30%的病人對(duì)現(xiàn)有抗癲癇藥物沒有反應(yīng)。因此,新的癲癇治療藥物亟待研發(fā)。嚙齒類動(dòng)物模型且試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本大、占用空間大;無脊椎動(dòng)物雖為研究癲癇提供了重要的參考,但缺乏復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)。因此,尋找簡(jiǎn)單、快速、特異和敏感的體內(nèi)測(cè)試模型十分關(guān)鍵。
斑馬魚動(dòng)物模型可以通過使用許多不同的基因編輯技術(shù)(如TALEN、CRISPR-Cas9技術(shù)),結(jié)合癲癇的獨(dú)特特征來研究這種疾病的分子結(jié)構(gòu)和行為基礎(chǔ)。斑馬魚具有完全特化的基因組,與人類同源性較近;且具有一些傳統(tǒng)嚙齒動(dòng)物模型所缺乏的,但有助于研究癲癇的關(guān)鍵特征:與嚙齒類動(dòng)物的小鼠相比,斑馬魚的胚胎發(fā)育很快,易于細(xì)胞觀察和表型分析,可以作為研究癲癇發(fā)病機(jī)制(如早期暴露或老化)的理想選擇。此外,斑馬魚幼魚的血腦屏障尚未形成,神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)藥物具有很高的敏感性,配合其完善的行為測(cè)試的可用性,以及自動(dòng)化行為測(cè)試儀器軟硬件的適應(yīng)能力,使斑馬魚成為癲癇藥物篩選十分重要的動(dòng)物模型。
基于于癲癇自發(fā)性反復(fù)發(fā)作的特性,我們可以通過Danio Vision裝置——一種帶有紅外攝像機(jī)被用作避光記錄室的儀器,來監(jiān)測(cè)斑馬魚的活動(dòng)狀況。在黑暗中斑馬魚度過1h,研究人員可以通過打開儀器內(nèi)置的冷白色發(fā)光二極管發(fā)光至少1min,誘發(fā)斑馬魚光誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作,再通過紅外線分析游程和最大加速度,并提取游程軌跡,研究癲癇的獨(dú)特特征。
目前,有關(guān)實(shí)驗(yàn)開始通過三軸迷宮試驗(yàn)(three-axis maze test)在藥物篩選中判斷斑馬魚模型的記憶問題。三軸迷宮是一種評(píng)估斑馬魚學(xué)習(xí)能力和自我中心記憶的方法,迷宮由一分為五的小室水槽組成,每個(gè)小室的角落或中心有一個(gè)窗口,一個(gè)漂浮的喂食環(huán)附在目標(biāo)室迷宮的末端,魚需要從一個(gè)腔室游到另一個(gè)腔室,通過插入物的窗口到達(dá)目標(biāo)腔室獲取食物。在三軸迷宮中,魚需要根據(jù)x(向前/向后)、y(水平)和z(垂直)軸導(dǎo)航。在早期研究中,已經(jīng)使用各種體外和體內(nèi)模型對(duì)EMB(2,5-二羥基-3-十一烷基-1,4苯醌)進(jìn)行了廣泛研究,顯示出EMB有強(qiáng)抗驚厥、抗焦慮和抗抑郁的特性,可以改善亨廷頓氏?。℉D)、多發(fā)性硬化癥(MS)、腦缺血和創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)等病癥[5]。此外,在成年斑馬魚身上使用戊四氮(PTZ),給予少量促驚厥藥(PTZ)10d,使斑馬魚產(chǎn)生進(jìn)行性慢性癲癇樣行為,再進(jìn)行三軸迷宮試驗(yàn),每天檢查記憶狀態(tài)和癲癇發(fā)作的進(jìn)展。結(jié)果顯示PTZ處理過的魚找不到它們?nèi)ノ故抄h(huán)的路,反復(fù)迷路并返回到前一個(gè)隔間,而不是向前移動(dòng)到喂食環(huán)。這意味著PTZ的使用損害了成年斑馬魚的記憶,之后給藥(EMB)的魚在三軸迷宮中則顯著縮短了迷宮導(dǎo)航時(shí)間并減少了誤差。上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)EMB具有抑制癲癇樣行為,并改善因慢性癲癇而改變的認(rèn)知功能的作用。
通過幾種藥理學(xué)方法誘導(dǎo)成年斑馬魚癲癇樣行為反應(yīng)、使用各種類型的迷宮(如T軸或Y軸迷宮、光/色偏好測(cè)試和三軸迷宮)對(duì)斑馬魚進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶功能測(cè)試,可見利用斑馬魚作為癲癇研究模型的趨勢(shì)越來越明顯。
2.3 阿爾茨海默癥(AD)
阿爾茨海默病是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病,其臨床表現(xiàn)為記憶、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)技能的障礙,以及影響運(yùn)動(dòng)的癥狀,如平衡、震顫、協(xié)調(diào)、失禁和進(jìn)食困難等,而精神問題如抑郁、幻覺和妄想等也可能會(huì)出現(xiàn)。目前對(duì)人類阿爾茨海默癥的治療是基于護(hù)理,而不是預(yù)防性治療。因此進(jìn)行有效預(yù)防以及篩選出能夠特異性治療阿爾茲海默癥的藥物對(duì)于該疾病的防治具有十分重要的意義。
斑馬魚的神經(jīng)系統(tǒng)保守簡(jiǎn)單,且擁有與人類阿爾茨海默癥相關(guān)的同源基因(包括app、mapt、pesn1和pesn2等)。于此同時(shí),斑馬魚還有一套與人類的行為表型相當(dāng)?shù)囊子^察量化的行為特征,被認(rèn)為是研究神經(jīng)退行性疾病的可靠脊椎動(dòng)物模型。在阿爾茨海默癥斑馬魚模型中,斑馬魚不僅表現(xiàn)出與人類相當(dāng)?shù)恼J(rèn)知和記憶缺陷,還表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)障礙。研究人員可以通過用驚嚇反應(yīng)、懲罰性學(xué)習(xí)記憶模型和光介導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)性實(shí)驗(yàn)來測(cè)試斑馬魚學(xué)習(xí)和記憶能力。對(duì)比健康斑馬魚的學(xué)習(xí)和回憶信息的能力,可檢測(cè)出斑馬魚在阿爾茨海默癥樣狀態(tài)誘發(fā)后的學(xué)習(xí)和記憶障礙,從而篩選用于治療阿爾茨海默癥的藥物。
此外,斑馬魚非常適合Ca2+成像,它們相對(duì)簡(jiǎn)單的神經(jīng)系統(tǒng)和胚胎的光學(xué)透明度允許實(shí)時(shí)神經(jīng)成像。三維成像技術(shù)的快速發(fā)展,使整個(gè)生物體可視化,在疾病狀態(tài)下可以進(jìn)行詳細(xì)的體內(nèi)功能和神經(jīng)生理學(xué)分析。目前,研究人員已經(jīng)利用斑馬魚模型證明管花肉蓯蓉提取物可以同時(shí)治療阿爾茲海默癥和骨質(zhì)疏松,斑馬魚正在成為重要的阿爾茨海默病生物模型,尤其在神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退化方面進(jìn)一步的研究空間,預(yù)示著令人興奮的研究機(jī)會(huì)。
2.4 帕金森癥(PD)
帕金森病通常表現(xiàn)為肌肉僵硬、靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩和姿勢(shì)不穩(wěn)等,患者除了具有運(yùn)動(dòng)性障礙,甚至可能伴隨著精神問題,如煩躁、抑郁、焦慮、睡眠障礙等非運(yùn)動(dòng)性癥狀[6-7]。
斑馬魚是研究運(yùn)動(dòng)障礙的一種良好的脊椎動(dòng)物模型,研究人員通過免疫組化和原位雜交技術(shù)在斑馬魚胚胎中觀察到一些特殊的神經(jīng)元,此外,又在斑馬魚中發(fā)現(xiàn)了與帕金森癥相關(guān)的蛋白同源物(PARKIN,DJ-1,PINK1和LRRK2),這些發(fā)現(xiàn)都預(yù)示著斑馬魚是一種篩選帕金森癥潛在有效藥物的優(yōu)秀模式生物。
斑馬魚帕金森癥模型的行為表型通常為運(yùn)動(dòng)能力遲緩(運(yùn)動(dòng)速度和幅度的下降),焦慮、抑郁,嗅覺障礙等。而引起斑馬魚上述行為表型的原因可能是多巴胺水平降低。有研究顯示,rotenone處理后的斑馬魚是研究帕金森癥的合適模型。通過明暗箱實(shí)驗(yàn),rotenone處理后的魚較正常組,在亮室中和進(jìn)入暗室前的潛伏期都會(huì)變長(zhǎng),表現(xiàn)出焦慮和抑郁;在可監(jiān)測(cè)斑馬魚行為的魚缸中監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)組斑馬魚的運(yùn)動(dòng)軌跡并處理數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組斑馬魚的運(yùn)動(dòng)能力顯著降低;向魚缸中以一定速率輸送氨基酸混合物,并軟件跟蹤斑馬魚的游泳路徑,依據(jù)斑馬魚對(duì)氨基酸的特殊偏好性,發(fā)現(xiàn)rotenone也導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)組斑馬魚的嗅覺障礙。
斑馬魚大腦中的蛋白質(zhì),如NEFL、C13-1、NAV2和GAPVD1會(huì)在帕金森病表型中下調(diào),這表明帕金森病表型與神經(jīng)通路相關(guān)。斑馬魚相對(duì)較小的尺寸、光學(xué)透明性和生命周期是同時(shí)促進(jìn)多種化合物研究的有效條件,如6-羥基多巴胺(6-OHDA)斑馬魚模型的建立,以篩選神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)恢復(fù)能力的藥物。
因此,無論是從行為表型尋找、篩選潛在的帕金森癥治療藥物,還是從分子層面分析其具體機(jī)制、通路,斑馬魚都是一種良好的模式生物。
3 總結(jié)與展望
斑馬魚良好的生物學(xué)特性使其非常適合活體高通量藥物篩選,特別是在行為學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病進(jìn)行藥物篩選,更有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是基于靶標(biāo)的藥物篩選策略模式生物的有益補(bǔ)充。而近年來靈活、快捷和易操作性的定點(diǎn)基因組修飾技術(shù)和深度、高通量新一代RNA測(cè)序技術(shù)以及單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn),使斑馬魚作為模式生物的應(yīng)用更加廣泛。因此,我們能夠利用斑馬魚的優(yōu)勢(shì)構(gòu)建新基因型的斑馬魚,研究基因調(diào)控機(jī)制,進(jìn)而利用斑馬魚模型篩選出能夠治療相關(guān)疾病的藥物。但斑馬魚動(dòng)物模型進(jìn)入藥物篩選領(lǐng)域的時(shí)間短,積累的數(shù)據(jù)不夠多,與傳統(tǒng)哺乳動(dòng)物模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系不完備。相信在不同領(lǐng)域研究者的共同努力下,斑馬魚模型在藥物篩選領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛深入,同時(shí)可以將藥物篩選與斑馬魚已有的優(yōu)勢(shì)研究領(lǐng)域相結(jié)合,進(jìn)一步加快藥物研發(fā)進(jìn)程,為人類健康做出貢獻(xiàn)。
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