斑马鱼——药物研究的重要模型动物
□董智
斑马鱼是一种起源于印度北部河流的小型淡水鱼，是一种与人类的生长发育和疾病非常相似的脊椎动物。上世纪七八十年代，世界上少数几个实验室发现，斑马鱼可用作动物实验模型，并利用它进行了脊椎动物神经发育方面的基因研究。诺贝尔奖获得者德国学者Christiane Nusslein-Volhard与美国学者Wolfgang Driever和Mark Fishman利用斑马鱼首次成功地在一种脊椎动物身上进行了大规模的基因筛选实验，这一研究工作促使斑马鱼作为人类发育与疾病的动物模型以前所未有的速度兴起，并引起了生物技术与制药业的关注。最近欧盟出资1200万欧元资助对斑马鱼用作人类疾病动物模型的研究，以提高对药物作用靶点与人类发育和疾病的基因通路的理解。而美国国立卫生研究院启动的斑马鱼基因组计划更起到了推动作用。斑马鱼信息网的注册人数已超过4000名，全球有500多个实验室参与其中，形成了一个人气十足的交流平台。
建立人类疾病的动物模型
, 百拇医药
采用正/反向遗传学、转基因技术、移植、化学诱导等现有技术，可利用斑马鱼进行疾病的机理研究和高通量的体内筛选实验。如斑马鱼的许多肿瘤在组织和分子水平上与人类肿瘤具有高度的相似性，癌症的病理状态在斑马鱼身上可得到非常好的再现。利用特定组织促发的致瘤基因表达已获得了患横纹肌肉瘤的斑马鱼和患T细胞淋巴管炎的斑马鱼。一项将转移性恶性黑素瘤细胞移植到斑马鱼体内的研究揭示了Nodal信号在疾病发展过程中所起的迄今为止尚未发现过的作用。进一步的研究发现，Nodal抑制剂可以抑制人恶性黑素瘤细胞的转移。
利用大规模的诱变筛选实验，研究人员获得了与人类疾病相关的在位变异斑马鱼。例如，一种变异的斑马鱼具有突变的营养失调基因，表现为显性的肌肉退化，非常类似于致命的杜兴肌营养不良症。2000年，吗琳基修饰的反义寡核苷酸的出现预示着斑马鱼功能基因组学进入了新纪元，因为利用这种反遗传学方法可以开发出许多人类疾病的斑马鱼模型。
发现药物作用新靶点
, http://www.100md.com
由于脊椎动物中基因通路具有高度的守恒性，例如，Wnt和骨形成蛋白(BMP)信号通路的各主要组件在斑马鱼体内都存在，并且在发育的早期阶段就起作用。因此，斑马鱼可用来筛选与哺乳动物疾病相关的基因通路的化合物。斑马鱼还可用于细胞水平、组织水平、器官水平、功能水平或行为水平的效能测定。最近进行的生物活性分子对斑马鱼造血干细胞数目影响的筛选实验揭示了前列腺素通路对造血干细胞的调节作用，而随后又发现哺乳动物也具有这一作用。这一研究说明，斑马鱼不仅可用于筛选实验，还可用于药物作用靶点的发现，从而用于现有药物寻找新适应证的研究。
新药安全性评价
药理学和毒理学评价是新药临床前安全性评价不可分割的一部分。随着创新药物开发成本的不断升高，降低药物开发过程中的损耗率日益得到关注。在非GLP的临床前安全性评价中，应用斑马鱼可在药物发现的早期阶段进行快速决策，这是近年来的一个进展。
是否可能导致心肌QT间期延长是心脏病药物开发过程中需考虑的一大问题。心肌QT间期延长与尖端扭转性室性心动过速有关，这是一种严重的经常致命的心律失常。药物导致的心肌QT间期延长是hERG钾通道阻断的结果，斑马鱼也存在非常类似的基因zERG。用已知的hERG阻滞剂处理斑马鱼，可使受精后第3天的幼体出现明显的心律失常。
, 百拇医药
由于斑马鱼具有一些人类同样也具有的可定量的显性行为，例如学习、记忆和睡眠等，目前它已经成为神经行为学研究的核心。通过观察浸浴于盛有药液的96孔平板的小孔内的斑马鱼，可研究药物对运动行为的不良影响。利用这种方法已经观察到了常用镇静剂如地西泮、褪黑激素对斑马鱼的镇静作用，以及兴奋剂咖啡因对斑马鱼的兴奋作用。将斑马鱼暴露于常用的惊厥剂中，可引发斑马鱼产生惊厥。这一系统可用来检测新化合物的致惊厥作用。由于斑马鱼具有与人类相似的锥体细胞密集的视网膜，因此在视觉功能测试方面，斑马鱼比夜习性的啮齿动物具有明显的优势。由于斑马鱼的幼体是透明的，能观察到完整的活体的内脏，还可用来研究药物引起的内脏运动情况。
利用斑马鱼幼体可在一周内完成体内毒理学实验，比相应的哺乳动物模型实验快得多。利用许多已知的胚胎毒性或致畸性化合物已证实斑马鱼实验的相关性良好。例如，将发育中的斑马鱼幼体暴露于乙醇中，可导致颅面畸形、视神经损伤以及随后的学习能力不足。这些都是与已知的人类胎儿酒精综合征相关的症状。斑马鱼还可用来评价新化合物的肝毒性、神经毒性和耳毒性。这说明斑马鱼体内存在着某种产生药物毒性的通路。
, 百拇医药
相关链接
斑马鱼通体透明，眼、耳和脑全部可见，利用简单的显微镜就能实时地观察斑马鱼体内的细胞、组织、器官和行为，还能观察到跳动的心室向血管泵血的过程。一对斑马鱼在一周内可产卵数百个。受精卵在体外发育，在受精后第一天就可完成整个体态的发育，随后几天内完成器官的形成与细化，受精后第三天即可观察到各主要器官，受精后第五天可观察到胃肠道的蠕动。受精后第3天的斑马鱼就能通过口或皮肤吸收化学物质。发育一周内的斑马鱼体长不超过5毫米，刚好能浸浴在盛有药液的96孔平板的小孔中。斑马鱼还能耐受有“万能溶剂”之称的二甲基亚砜。这样，只需利用溶媒溶解几毫克的待试化合物就能进行体内药物实验，而无须进行化合物的大量制备。
斑马鱼的基因组由25个染色体组成，约含140亿个碱基对，蛋白质编码的基因数目与哺乳动物接近(估计约2.2万个)。与疾病相关的基因通路与药物靶点在哺乳动物和斑马鱼之间的守恒，以及斑马鱼的其他一些特性，使得利用这种脊椎动物进行高通量的药物体内筛选实验、效能测定、早期的毒理、安全和药物的吸收、分布、代谢和排泄研究成为可能。, http://www.100md.com
斑马鱼是一种起源于印度北部河流的小型淡水鱼，是一种与人类的生长发育和疾病非常相似的脊椎动物。上世纪七八十年代，世界上少数几个实验室发现，斑马鱼可用作动物实验模型，并利用它进行了脊椎动物神经发育方面的基因研究。诺贝尔奖获得者德国学者Christiane Nusslein-Volhard与美国学者Wolfgang Driever和Mark Fishman利用斑马鱼首次成功地在一种脊椎动物身上进行了大规模的基因筛选实验，这一研究工作促使斑马鱼作为人类发育与疾病的动物模型以前所未有的速度兴起，并引起了生物技术与制药业的关注。最近欧盟出资1200万欧元资助对斑马鱼用作人类疾病动物模型的研究，以提高对药物作用靶点与人类发育和疾病的基因通路的理解。而美国国立卫生研究院启动的斑马鱼基因组计划更起到了推动作用。斑马鱼信息网的注册人数已超过4000名，全球有500多个实验室参与其中，形成了一个人气十足的交流平台。
建立人类疾病的动物模型
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采用正/反向遗传学、转基因技术、移植、化学诱导等现有技术，可利用斑马鱼进行疾病的机理研究和高通量的体内筛选实验。如斑马鱼的许多肿瘤在组织和分子水平上与人类肿瘤具有高度的相似性，癌症的病理状态在斑马鱼身上可得到非常好的再现。利用特定组织促发的致瘤基因表达已获得了患横纹肌肉瘤的斑马鱼和患T细胞淋巴管炎的斑马鱼。一项将转移性恶性黑素瘤细胞移植到斑马鱼体内的研究揭示了Nodal信号在疾病发展过程中所起的迄今为止尚未发现过的作用。进一步的研究发现，Nodal抑制剂可以抑制人恶性黑素瘤细胞的转移。
利用大规模的诱变筛选实验，研究人员获得了与人类疾病相关的在位变异斑马鱼。例如，一种变异的斑马鱼具有突变的营养失调基因，表现为显性的肌肉退化，非常类似于致命的杜兴肌营养不良症。2000年，吗琳基修饰的反义寡核苷酸的出现预示着斑马鱼功能基因组学进入了新纪元，因为利用这种反遗传学方法可以开发出许多人类疾病的斑马鱼模型。
发现药物作用新靶点
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由于脊椎动物中基因通路具有高度的守恒性，例如，Wnt和骨形成蛋白(BMP)信号通路的各主要组件在斑马鱼体内都存在，并且在发育的早期阶段就起作用。因此，斑马鱼可用来筛选与哺乳动物疾病相关的基因通路的化合物。斑马鱼还可用于细胞水平、组织水平、器官水平、功能水平或行为水平的效能测定。最近进行的生物活性分子对斑马鱼造血干细胞数目影响的筛选实验揭示了前列腺素通路对造血干细胞的调节作用，而随后又发现哺乳动物也具有这一作用。这一研究说明，斑马鱼不仅可用于筛选实验，还可用于药物作用靶点的发现，从而用于现有药物寻找新适应证的研究。
新药安全性评价
药理学和毒理学评价是新药临床前安全性评价不可分割的一部分。随着创新药物开发成本的不断升高，降低药物开发过程中的损耗率日益得到关注。在非GLP的临床前安全性评价中，应用斑马鱼可在药物发现的早期阶段进行快速决策，这是近年来的一个进展。
是否可能导致心肌QT间期延长是心脏病药物开发过程中需考虑的一大问题。心肌QT间期延长与尖端扭转性室性心动过速有关，这是一种严重的经常致命的心律失常。药物导致的心肌QT间期延长是hERG钾通道阻断的结果，斑马鱼也存在非常类似的基因zERG。用已知的hERG阻滞剂处理斑马鱼，可使受精后第3天的幼体出现明显的心律失常。
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由于斑马鱼具有一些人类同样也具有的可定量的显性行为，例如学习、记忆和睡眠等，目前它已经成为神经行为学研究的核心。通过观察浸浴于盛有药液的96孔平板的小孔内的斑马鱼，可研究药物对运动行为的不良影响。利用这种方法已经观察到了常用镇静剂如地西泮、褪黑激素对斑马鱼的镇静作用，以及兴奋剂咖啡因对斑马鱼的兴奋作用。将斑马鱼暴露于常用的惊厥剂中，可引发斑马鱼产生惊厥。这一系统可用来检测新化合物的致惊厥作用。由于斑马鱼具有与人类相似的锥体细胞密集的视网膜，因此在视觉功能测试方面，斑马鱼比夜习性的啮齿动物具有明显的优势。由于斑马鱼的幼体是透明的，能观察到完整的活体的内脏，还可用来研究药物引起的内脏运动情况。
利用斑马鱼幼体可在一周内完成体内毒理学实验，比相应的哺乳动物模型实验快得多。利用许多已知的胚胎毒性或致畸性化合物已证实斑马鱼实验的相关性良好。例如，将发育中的斑马鱼幼体暴露于乙醇中，可导致颅面畸形、视神经损伤以及随后的学习能力不足。这些都是与已知的人类胎儿酒精综合征相关的症状。斑马鱼还可用来评价新化合物的肝毒性、神经毒性和耳毒性。这说明斑马鱼体内存在着某种产生药物毒性的通路。
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斑马鱼通体透明，眼、耳和脑全部可见，利用简单的显微镜就能实时地观察斑马鱼体内的细胞、组织、器官和行为，还能观察到跳动的心室向血管泵血的过程。一对斑马鱼在一周内可产卵数百个。受精卵在体外发育，在受精后第一天就可完成整个体态的发育，随后几天内完成器官的形成与细化，受精后第三天即可观察到各主要器官，受精后第五天可观察到胃肠道的蠕动。受精后第3天的斑马鱼就能通过口或皮肤吸收化学物质。发育一周内的斑马鱼体长不超过5毫米，刚好能浸浴在盛有药液的96孔平板的小孔中。斑马鱼还能耐受有“万能溶剂”之称的二甲基亚砜。这样，只需利用溶媒溶解几毫克的待试化合物就能进行体内药物实验，而无须进行化合物的大量制备。
斑马鱼的基因组由25个染色体组成，约含140亿个碱基对，蛋白质编码的基因数目与哺乳动物接近(估计约2.2万个)。与疾病相关的基因通路与药物靶点在哺乳动物和斑马鱼之间的守恒，以及斑马鱼的其他一些特性，使得利用这种脊椎动物进行高通量的药物体内筛选实验、效能测定、早期的毒理、安全和药物的吸收、分布、代谢和排泄研究成为可能。, http://www.100md.com