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耳鼻喉科 | 斑馬魚模型在聽覺領(lǐng)域研究中的應(yīng)用

來源: | 作者:木芮生物 | 發(fā)布時(shí)間: 2023-07-22 | 1392 次瀏覽 | 分享到:

聽力殘疾是指由于各種原因?qū)е碌碾p耳聽力喪失或聽覺障礙，嚴(yán)重影響著患者的生存質(zhì)量。據(jù)世界衛(wèi)生組織2014年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球約有3.6億人患有耳聾疾病，占全球總?cè)丝诘?％，其中，7歲以下患兒高達(dá)80萬。耳聾疾病嚴(yán)重影響患者的生活、工作和人際交往等。因此，利用合適的動物模型對耳聾疾病的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行研究，可為該類疾病的治療及相關(guān)藥物的研發(fā)提供新的理論依據(jù)，具有非常重要的意義。

前言

聽力殘疾是指由于各種原因?qū)е碌碾p耳聽力喪失或聽覺障礙，嚴(yán)重影響著患者的生存質(zhì)量。據(jù)世界衛(wèi)生組織2014年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球約有3.6億人患有耳聾疾病，占全球總?cè)丝诘?/span>5％，其中，7歲以下患兒高達(dá)80萬。耳聾疾病嚴(yán)重影響患者的生活、工作和人際交往等。因此，利用合適的動物模型對耳聾疾病的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行研究，可為該類疾病的治療及相關(guān)藥物的研發(fā)提供新的理論依據(jù)，具有非常重要的意義。

斑馬魚是近年來興起研究的一種新型脊椎動物模式生物，斑馬魚雖無外耳和中耳，但具有脊椎動物典型的內(nèi)耳解剖結(jié)構(gòu)。斑馬魚內(nèi)耳由三個(gè)半規(guī)管（前、后和水平半規(guī)管）、耳石器官（橢圓囊、球囊和聽壺）組成；半規(guī)管、橢圓囊主要行前庭平衡功能，而球囊及聽壺則司聽覺感知功能。除內(nèi)耳外，斑馬魚還具有另一感覺神經(jīng)器官——側(cè)線系統(tǒng)，其由大量單個(gè)神經(jīng)丘組成，每個(gè)神經(jīng)丘中央包含一簇由神經(jīng)支配的感覺毛細(xì)胞，其功能為探測自身局部水流及低頻振動、調(diào)節(jié)諸如學(xué)習(xí)、逃避及撲食等行為。由于側(cè)線毛細(xì)胞與內(nèi)耳毛細(xì)胞功能及分子結(jié)構(gòu)極為相似且便于活體觀察及干預(yù)，現(xiàn)已廣泛用于毛細(xì)胞發(fā)育、再生、聽覺及前庭功能障礙研究。鑒于以上生物學(xué)特性，斑馬魚在聽力研究領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，耳科學(xué)研究者亦采用斑馬魚模型探討毛細(xì)胞再生、遺傳性聾機(jī)制、耳毒性和抗耳毒性藥物篩查等?；诖?/span>，本文對近年來斑馬魚模型在聽覺領(lǐng)域的研究進(jìn)展及應(yīng)用對其進(jìn)行介紹。

斑馬魚模型在聽覺領(lǐng)域研究中的進(jìn)展

斑馬魚模型在遺傳性耳聾中的研究進(jìn)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國新生兒極重度聾發(fā)病率約為1／1000，其中50％以上與遺傳因素有關(guān)。經(jīng)過科研人員二十多年的努力，目前已鑒定出超150個(gè)遺傳性聾基因。

2000年，Ernest等首先報(bào)道斑馬魚mariner突變體可出現(xiàn)內(nèi)耳毛細(xì)胞束異常、內(nèi)耳微音器電位減弱等，此形態(tài)及功能缺陷與編碼異常肌球蛋白7a（myosin Ⅶa）小鼠shaker-1突變體極為類似。研究發(fā)現(xiàn)，grh12b^T086突變系斑馬魚表現(xiàn)為聽泡擴(kuò)大、耳石變小及半規(guī)管畸形，但其毛細(xì)胞發(fā)育正常，而注射人工合成野生型斑馬魚grh12b、人類grh12或小鼠grh12（grainyhead-like2）mRNA則可拯救突變表型，表明grh12b^T086突變斑馬魚品系為研究人類DFNA28漸進(jìn)性聽力損失的理想動物模型。此外可用于遺傳性聾的斑馬魚模型還包括eyal、colorless、sputnik等。

斑馬魚模型在耳毒性藥物評價(jià)中的研究進(jìn)展

耳毒性藥物是指其毒副作用主要損害聽覺系統(tǒng)，中毒癥狀為耳鳴、眩暈、耳聾和平衡失調(diào)等的一類藥物。目前由于缺少簡便而有效的耳毒性評價(jià)模型，因此臨床上批準(zhǔn)上市的藥物大多數(shù)缺乏耳毒性的評價(jià)指標(biāo)。

2005 年，Ton等首次以斑馬魚作為實(shí)驗(yàn)動物，評價(jià)了藥物的耳毒性，并初步建立了斑馬魚藥源性耳毒模型。2011年，趙壯等利用斑馬魚模型，研究了3種氨基糖苷類抗生素（慶大霉素、新霉素和鏈霉素）的耳毒性作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述3種藥物均可影響斑馬魚的耳囊結(jié)構(gòu)和感覺毛細(xì)胞數(shù)量，同時(shí)還可影響聽覺器官發(fā)育相關(guān)的4種基因（Eya1、Val、Otx2和Dlx6a）的表達(dá)。2016年，Yoo等研究了納米銀離子的耳毒性作用，結(jié)果顯示，納米銀離子對斑馬魚的感覺毛細(xì)胞具有明顯的破壞作用。而后年，Yoo等利用斑馬魚作為實(shí)驗(yàn)動物，研究了尼古丁對感覺毛細(xì)胞的毒害效應(yīng)。結(jié)果顯示，尼古丁可誘導(dǎo)感覺毛細(xì)胞發(fā)生凋亡，且其毒性效果與尼古丁的作用濃度呈劑量依賴性。

斑馬魚模型在抗耳毒性藥物篩選中的研究進(jìn)展

氨基苷類抗生素是一種由氨基糖與氨基環(huán)醇通過氧橋連接而成的苷類抗生素，因具有抗菌譜廣、抗菌能力強(qiáng)、用藥成本低、過敏反應(yīng)少等特點(diǎn)，在臨床上應(yīng)用非常廣泛。目前，最常見的氨基糖苷類抗生素包括慶大霉素、新霉素、鏈霉素、妥布霉素和阿米卡星等，但是，這類藥物具有較強(qiáng)的耳毒性，能夠殺死哺乳動物內(nèi)耳中的感覺毛細(xì)胞，導(dǎo)致聽力的永久性損傷。截止目前為止，氨基糖苷類藥源性耳聾尚無理想的治療方法或者藥物，所以應(yīng)用合適的動物模型篩選防治該類疾病的藥物顯得至關(guān)重要。

與人類內(nèi)耳中的感覺毛細(xì)胞類似，斑馬魚的感覺毛細(xì)胞對氨基糖苷類抗生素的耳毒性反應(yīng)也相當(dāng)敏感，因此以斑馬魚作為動物模型，篩選具有抗耳毒性的藥物正日益受到人們的重視。

有研究人員分別利用斑馬魚模型，對美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的部分藥物進(jìn)行了耳毒性保護(hù)活性篩查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，六氫芬寧、萊克多巴胺和他莫昔芬等可抑制部分氨基糖苷類抗生素的耳毒性。2014年，Song等應(yīng)用斑馬魚模型研究了一種新型壞死抑制劑（NecroX-5）的感覺毛細(xì)胞保護(hù)活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NecroX-5對新霉素誘導(dǎo)的感覺毛細(xì)胞凋亡和線粒體損失具有明顯抑制效果。Wu等應(yīng)用斑馬魚模型證實(shí)，維生素C、N-乙酰半胱氨酸和羅布麻素等，均可通過降低體內(nèi)ROS的含量，進(jìn)而緩解新霉素對感覺毛細(xì)胞的損傷。2016年，Oh等以斑馬魚作為實(shí)驗(yàn)動物，研究了抗氧化類物質(zhì)——褪黑素的耳毒性保護(hù)作用，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，褪黑素可減少新霉素對感覺毛細(xì)胞的損傷。Hirose等利用斑馬魚模型對18種候選藥物的耳毒性保護(hù)活性進(jìn)行了篩查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)槲皮素、兒茶素和單寧酸等3種化合物對新霉素誘導(dǎo)的感覺毛細(xì)胞損傷具有保護(hù)作用。Esterberg等研究了氨基糖苷類抗生素耳毒性的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨基糖苷類抗生素作用于斑馬魚后，線粒體對鈣離子的攝取可發(fā)生改變，進(jìn)而誘導(dǎo)大量ROS的產(chǎn)生，而這可能就是氨基糖苷類抗生素誘導(dǎo)感覺毛細(xì)胞死亡的作用機(jī)制。2019年，吳艾欣等利用斑馬魚模型研究了丹參提取物對慶大霉素導(dǎo)致的毛細(xì)胞損傷的保護(hù)作用，結(jié)果顯示，丹參提取物對慶大霉素誘導(dǎo)產(chǎn)生的耳毒性具有一定的保護(hù)功效，其中，丹酚酸Ｂ的穩(wěn)定性經(jīng)過改善后，有望成為潛在的耳毒性保護(hù)藥物。

斑馬魚模型在毛細(xì)胞再生領(lǐng)域中的研究進(jìn)展

哺乳動物內(nèi)耳中的感覺毛細(xì)胞是一種終末分化的細(xì)胞，因此不可再生，如何通過技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)感覺毛細(xì)胞的再生，一直是聽力研究領(lǐng)域的難題之一。

2003年，Harris等首次報(bào)道，斑馬魚的感覺毛細(xì)胞在缺損后存在再生現(xiàn)象，因此斑馬魚模型在感覺毛細(xì)胞再生領(lǐng)域具有區(qū)別于哺乳動物的獨(dú)特優(yōu)勢。通過研究斑馬魚感覺毛細(xì)胞再生的機(jī)制，有助于科研人員早日破解哺乳動物感覺毛細(xì)胞再生這一難題。后又有研究證實(shí)，斑馬魚再生的側(cè)線感覺毛細(xì)胞多來源于表達(dá)Sox2基因的前體細(xì)胞。Millimaki等發(fā)現(xiàn)，Sox2基因可維持斑馬魚感覺毛細(xì)胞的正常生存。除此之外，在感覺毛細(xì)胞再生過程中，該基因還具有調(diào)控支持細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為毛細(xì)胞的功能。2011年，Schuck等發(fā)現(xiàn)，腹腔注射人工合成的生長激素，可促進(jìn)斑馬魚內(nèi)耳中感覺毛細(xì)胞的增殖。2012年，Mackenzie等證實(shí)，支持細(xì)胞在斑馬魚感覺毛細(xì)胞的再生過程中起著重要作用。2013年，周婷婷等發(fā)現(xiàn)，Eya1和Six1b兩基因在斑馬魚神經(jīng)丘處感覺毛細(xì)胞再生的過程中起著重要作用。2014年，Jiang等發(fā)現(xiàn)Wnt／β-catenin信號通路不參與調(diào)控斑馬魚感覺毛細(xì)胞再生過程的啟動，只在感覺毛細(xì)胞再生過程的后期起作用，他們的工作為感覺毛細(xì)胞再生相關(guān)的信號通路研究奠定了基礎(chǔ)。2016年，Lee等發(fā)現(xiàn)MYC與FGF兩條信號通路對于斑馬魚感覺毛細(xì)胞的再生是必須的，其中MYC主要參與細(xì)胞增殖，FGF主要參與細(xì)胞分化。2019年，Tang等應(yīng)用斑馬魚模型研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斑馬魚的神經(jīng)丘毛細(xì)胞被新霉素破壞時(shí)，Wnt和FGF兩條信號通路可以緊密結(jié)合，共同調(diào)控祖細(xì)胞與再生細(xì)胞的增殖。

結(jié)語

斑馬魚作為一種介于細(xì)胞與哺乳動物之間的新型脊椎動物模式生物，在聽力研究領(lǐng)域擁有巨大的潛力，以其作為實(shí)驗(yàn)動物，有助于科研人員對藥物或化合物的耳毒性及耳毒性保護(hù)活性進(jìn)行高通量的快速篩選評價(jià)。除此之外，科研人員還可借助斑馬魚模型，對聽力相關(guān)基因的功能進(jìn)行深入研究，為人類聽覺毛細(xì)胞再生這一難題的破解提供新的實(shí)驗(yàn)思路與科研數(shù)據(jù)。目前，隨著斑馬魚基因組計(jì)劃的進(jìn)一步完善，以及轉(zhuǎn)基因和基因編輯等分子生物學(xué)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，斑馬魚模型在聽力研究領(lǐng)域的應(yīng)用必將更為廣泛。