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斑马鱼行为篇：斑马鱼在心血管疾病中应用

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2024-09-23 20:04

斑马鱼是脊椎动物，与人类基因有着87%的高度相似性，可以针对某个生物学表型进行药物筛选及寻找未知的药物靶点。斑马鱼的水生环境使其用药简单，溶于水的小分子化合物即可扩散到胚胎中。胚胎及幼鱼呈透明状，其心脏搏动、心脏收缩、血液循环等能够被清晰地观察到。严重损伤后的成年斑马鱼心脏表现出惊人的再生能力，已被用于制作可能导致人类心脏损伤再生修复方法的研究模型。在发育初期，斑马鱼胚胎可以在水中通过被动扩散获得充足的氧气和营养物质，使其可以在没有心脏功能和血液循环的情况下存活。哺乳动物的心血管系统发育缺陷可致胚胎早死，而斑马鱼的这一特点对于血液和心血管发育缺陷的研究是十分有益的。斑马鱼也被广泛应用于心血管疾病研究领域，在研究心血管病理机制、毒性作用、药物筛选等方面提供了极好的模型。

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心血管疾病相关基因筛选模型

斑马鱼的基因组序列是已知，已确定用于研究特定基因功能的分子途径。正向遗传学是确定导致生物体特定表型的遗传基础。对患有心肌病的斑马鱼突变体进行的正向遗传筛选表明，层粘连蛋白α4、肌联蛋白和整合素连接激酶的突变可导致心力衰竭。通过高效转座子介导的诱变实现的斑马鱼无偏正向遗传筛选，似乎是系统鉴定新型致心律失常性心肌病致病基因的一种有吸引力的策略，例如Sorbin和SH3结构域包含蛋白2（Sorbin and SH3 domain-containing protein 2，SORBS2）基因最近在斑马鱼正向诱变筛选中被鉴定为心肌病基因。然而，反向遗传学是选择性地操纵先前确定的基因并分析这种操纵对生物体的影响。斑马鱼可以应用多种反向遗传工具研究心血管疾病，主要有转基因、mRNA过表达、吗啉代修饰的反义寡核苷酸介导的敲低和基因组编辑技术。其中成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白基因系统（CRISPR/Cas9）是斑马鱼反向遗传学最有效的基因组编辑方法，由于其简单性和适用性，因此在斑马鱼领域现有技术中被选为主要的基因组编辑工具。在一项研究中，扩张型心肌病患者的具有表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）样结构域的心脏发育蛋白1（heart development protein with EGF-like domains 1，HEG1）突变后，通过 CRISPR/Cas9技术生成了斑马鱼HEG1突变体，由此产生的表型具有心肌病特征，证明了HEG1突变在该疾病中的作用。

心脏再生模型

心肌梗死后受损的心脏组织未能正确修复或再生是心力衰竭的主要原因。与人类和其他哺乳动物相比，斑马鱼的心脏在受到实质性损伤或组织损伤后会再生。斑马鱼在切除了20%的心室尖端组织后，可依靠心肌细胞的增生完全修复心脏损伤。斑马鱼心脏损伤再生模型的构建，有利于更好地理解心脏再生的生物学机制以及开发人类心脏疾病的治疗方法。有研究发现，在缺氧条件下亚硝酸盐能够提高斑马鱼心脏再生损伤模型受伤后心脏的修复能力。亚硝酸盐通过一氧化氮（NO）信号调节免疫反应来增强再生，该机制可能会提供改善宫内胎儿或新生儿心脏手术结果的机会。目前，斑马鱼心脏损伤再生模型常用的有缺氧/复氧模型、心肌细胞遗传消融模型、冰冻损伤模型和心尖切除模型等。

药物筛选模型

血管生成是血管前体细胞融合形成的背主动脉发芽及延伸形成的体节间血管。研发促进血管再生的药物可以满足机体组织生长和修复，有利于治疗相关疾病，如冠心病、心肌梗死、血栓性血管病等。斑马鱼胚胎透明性为此研究提供了极好的模型，可以直接观察椎骨的发育。血管生成过多是引发肿瘤的原因之一，抑制血管生成有利于治疗肿瘤。高脂血症是以血浆总胆固醇升高，甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇升高，高密度脂蛋白胆固醇降低为特征的一种脂代谢紊乱疾病。长期血脂水平过高可导致动脉硬化，引起心脑血管疾病。近年来，通过高胆固醇食物喂养斑马鱼，构建动脉粥样硬化、高血脂模型来研究调脂药物已成为热点。有研究采用高胆固醇饮食、脂多糖诱导和二者结合构建了三种斑马鱼动脉粥样硬化模型，三种模型均出现与人类动脉粥样硬化相似的症状，主要是胆固醇堆积、血管炎症、脂质代谢紊乱和氧化应激等。

斑马鱼免疫细胞类型和形态与人类相同，且遵循相同的免疫反应规律，是研究人类炎症免疫性疾病和高通量药物筛选的良好模式生物。抗炎药物对治疗心血管疾病（如动脉粥样硬化和心肌梗死）起着重要作用。

毒性评估模型

心血管毒性是药物研发失败及已上市药物撤回的最主要原因。在心血管毒性预测方面，斑马鱼模型具有非常好的特异性和敏感性，许多国家均已接受用斑马鱼评价心血管毒性申报临床药物。

参考文献：

1、Using Zebrafish Animal Model to Study the Genetic Underpinning and Mechanism of Arrhythmogenic Cardiomyopathy[J]. Niu Yujuan;Sun Yuanchao;Liu Yuting;Du Ke;Xu Xiaolei;Ding Yonghe.International Journal of Molecular Sciences,2023

2、斑马鱼心脏再生模型及研究进展[J]. 张维嘉;梁金秀;韩佩东.浙江大学学报(农业与生命科学版),2022(01)

3、董顺雨,张态.斑马鱼心血管疾病模型研究进展[J].广州医药,2024,55(03):231-235.

4、Quantitative measurements of zebrafish heartrate and heart rate variability: A survey between 1990–2020[J]. Ling Dongmin;Chen Huanxian;Chan Ging;Lee Simon Ming-Yuen.Computers in Biology and Medicine,2022

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