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神經(jīng)內(nèi)科 | 斑馬魚模型在神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病研究中的應(yīng)用

來源:[1]郭弘揚(yáng),唐天樂,朱曉鵬.斑馬魚模型在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展[J].中國海洋藥物,2020,39(3):71-79 | 作者:木芮生物 | 發(fā)布時(shí)間: 2023-07-22 | 1248 次瀏覽 | 分享到:

神經(jīng)系統(tǒng)是人體內(nèi)的一個重要系統(tǒng)，它協(xié)調(diào)人體內(nèi)部各器官的功能以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，起著“司令部”的作用。神經(jīng)系統(tǒng)疾病是由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)或植物神經(jīng)系統(tǒng)的組織發(fā)生病變或機(jī)能發(fā)生障礙而引起的疾病。神經(jīng)系統(tǒng)疾病主要包括癲癇、帕金森綜合征、阿爾茨海默病、腦炎、腦膜炎、脊髓炎、神經(jīng)衰弱等。神經(jīng)系統(tǒng)疾病嚴(yán)重?fù)p傷人類的身心健康，在全球范圍內(nèi)造成巨大的疾病負(fù)擔(dān)，且患病人數(shù)逐年呈增長趨勢，與心血管疾病和循環(huán)系統(tǒng)疾病共同構(gòu)成全球主要的疾病負(fù)擔(dān)。

前言

神經(jīng)疾病中慢性病占多數(shù)，往往遷延不愈，給患者的工作、生活帶來很大影響，致殘率很高。神經(jīng)病可由病機(jī)制尚不明確，市場上也嚴(yán)重缺乏針對該類疾病的有效藥物。因此，探索神經(jīng)系多種病因引起，許多神經(jīng)病病因不明，也有許多是遺傳病。腦CT掃描和磁共振成像等技術(shù)的應(yīng)用使許多腦和脊髓疾病能得到迅速準(zhǔn)確的診斷。但因神經(jīng)細(xì)胞損傷后不易再生，許多神經(jīng)疾病仍無有效療法。

由于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的復(fù)雜性、多因素性及多基因調(diào)控性，導(dǎo)致相關(guān)疾病的發(fā)統(tǒng)疾病的病理機(jī)制對藥物的開發(fā)十分重要，急需一種模式生物來構(gòu)建神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型。斑馬魚作為一種重要的模式生物，在該研究領(lǐng)域也發(fā)揮著重大的作用！接下來從斑馬魚在幾大神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究中的相關(guān)進(jìn)展對其進(jìn)行介紹。

斑馬魚模型在神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病研究中的進(jìn)展

斑馬魚模型在癲癇中的研究進(jìn)展

癲癇的主要特征是出現(xiàn)自發(fā)性反復(fù)發(fā)作和高患病率的共病，如認(rèn)知障礙、抑郁和焦忠，會嚴(yán)重影響個人生活。現(xiàn)有的 20 多種抗癲癇藥物只能提供對癥治療，且可能出現(xiàn)認(rèn)知改變、記憶混亂的副作用。此外，有 30%的病人對現(xiàn)有抗癲癇藥物沒有反應(yīng)。因此，新的癲癡治療藥物亟待研發(fā)。

斑馬魚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)。而且，與嚙齒類動物的小鼠相比，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)對藥物具有很高的敏感性，配合其完善的行為測試的可用性，以及自動化行為測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物模型。

在早期研究中，已經(jīng)使用各種體外和體內(nèi)模型對 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?。?/span>HD）、多發(fā)性硬化癥（MS）、腦缺血和創(chuàng)傷性腦損傷(TBI）等病癥。目前，有關(guān)實(shí)驗(yàn)開始通過三軸迷宮試驗(yàn)在藥物篩選中判斷斑馬魚模型的記憶問題。在成年斑馬魚身上使用戊四領(lǐng)（PTZ），使斑馬魚產(chǎn)生進(jìn)行性慢性癲病樣行為，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隔問，而不是向前移動到喂食環(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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示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（如丁軸或丫軸迷宮、光/色偏好測試和三軸迷宮）對斑馬魚進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶功能測試，可見利用斑馬角作為癲癇研究的趨勢越來越明顯。

斑馬魚模型在帕金森綜合征中的研究進(jìn)展

帕金森綜合征（parkinson's disease，PD）是常見的運(yùn)動障礙和神經(jīng)退行性疾病，每10萬人中就有100~200人患病。PD發(fā)病原因及機(jī)制尚不明確，目前研究表明其病理特征是黑質(zhì)致密部的多巴胺能神經(jīng)元變性和蛋白質(zhì)包涵體（路易體）的積累。人類PD相關(guān)的多個基因都可以在斑馬魚身上找到對應(yīng)，如：人類 α-synuclein 基因?qū)?yīng)斑馬魚中的 β-、γ1-、及 γ2-synucleins 基因，敲除 β- 或 γ1-synucleins 基因會誘導(dǎo)斑馬魚運(yùn)動障礙；用嗎啉基敲除 pink1 基因后，斑馬魚發(fā)育遲緩，神經(jīng)元數(shù)量減少（主要在多巴胺能系統(tǒng)中）。

研究發(fā)現(xiàn)，魚藤酮可以誘導(dǎo)斑馬魚產(chǎn)生PD癥狀。氰戊菊酯（FEN）是Ⅱ型擬除蟲菊酯的 1 種，用于殺滅多種昆蟲。有研究人員利用FEN來誘導(dǎo)斑馬魚PD模型。在 PD 模型中發(fā)現(xiàn)，FEN 可通過增強(qiáng) p-mTOR 和 LC3-II 蛋白的表達(dá)來激活斑馬魚體內(nèi)自噬過程，導(dǎo)致 TH 和 DA 水平降低，產(chǎn)生 PD 相關(guān)癥狀。MPTP（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6 tetrahydropyri dine）是 1 種神經(jīng)毒素，也可用作構(gòu)建 PD 模型。MPTP 誘導(dǎo)的斑馬魚 PD 模型作為目前重要的 PD 疾病模型之一，為相關(guān)藥物的篩選提供了重要基礎(chǔ)。

斑馬魚模型在阿爾茨海默病中的研究進(jìn)展

阿爾茨海默病（alzheimer's disease，AD）是一種慢性神經(jīng)退行性疾病，與認(rèn)知功能下降有關(guān)。AD 的 2 個主要神經(jīng)病理學(xué)標(biāo)志是不溶性細(xì)胞外淀粉樣蛋白 -β（amyloid-beta，Aβ）斑塊和細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)（NFTs）的聚集。雖然有多種動物模型可用來輔助 AD 的研究，然而大多數(shù)模型只能表現(xiàn)出 AD 的部分癥狀，且部分動物模型還要受到時(shí)間和成本的限制，因而不適宜用作 AD 模型的構(gòu)建。斑馬魚與人類具有高度保守的大腦組織，可用做研究神經(jīng)退行性疾病的工具。

斑馬魚背側(cè)大腦皮層區(qū)對應(yīng)人腦的海馬區(qū)，該區(qū)域包含一系列 AD 相關(guān)的基因和分子標(biāo)記物，因此可以作為構(gòu)建 AD 疾病模型的模式生物。有研究發(fā)現(xiàn) AD 患者體內(nèi)蛋白磷酸酶 2A（protein phosphatase 2A，PP2A）的活性降低，大田軟海綿酸（okadaic acid，OKA）是PP2A的抑制劑。研究發(fā)現(xiàn) PP2A 是 Tau 蛋白的主要去磷酸化酶，經(jīng)過 OKA 處理的斑馬魚，其 PP2A 的活性被抑制，Tau 蛋白的磷酸化程度增加，過量的磷酸化 Tau 蛋白聚集在 CNS 形成有毒的 NTFs，導(dǎo)致斑馬魚認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶功能下降，表現(xiàn)出AD 癥狀；此外，OKA 還可以使斑馬魚體內(nèi) Aβ 的表達(dá)量增多，造成 Aβ 的沉積及老年斑的產(chǎn)生；OKA 還可以增加斑馬魚體內(nèi) Tau 蛋白磷酸化激酶糖原合成酶 3β（GSK3β）的數(shù)量，導(dǎo)致Tau 蛋白的過度磷酸化；另外有研究發(fā)現(xiàn) OKA 可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、膠質(zhì)細(xì)胞激活、神經(jīng)炎癥、膽堿功能障礙、谷氨酸興奮性毒性和線粒體功能障礙。因此，OKA 可以作為斑馬魚 AD 疾病模型的誘導(dǎo)物，使斑馬魚表現(xiàn)出 AD 的絕大部分癥狀，該模型為AD先導(dǎo)化合物及藥物的篩選提供了平臺。

結(jié)語

由于神經(jīng)系統(tǒng)疾病在世界范圍內(nèi)的影響人數(shù)不斷增長，掌握神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制及治療方法迫在眉睫。斑馬魚的眾多優(yōu)勢使得其在構(gòu)建神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型方面具有重要的效用，也為神經(jīng)系統(tǒng)疾病病理機(jī)制和相關(guān)藥物研發(fā)提供了重要基礎(chǔ)。