前言
眼科的全稱是“眼病?？?/span>”，是研究發(fā)生在視覺系統(tǒng)，包括眼球及與其相關(guān)聯(lián)的組織有關(guān)疾病的學(xué)科。眼科一般研究玻璃體、視網(wǎng)膜疾病，眼視光學(xué)，青光眼和視神經(jīng)病變，白內(nèi)障等多種眼科疾病。
我國是全球眼病患者最多的國家，屈光不正和白內(nèi)障成為最大眼病群體。中國近視患者人數(shù)已超6億人，受疫情影響，2020年中小學(xué)生半年近視率持續(xù)上升，線上學(xué)習(xí)和娛樂習(xí)慣將導(dǎo)致近視率居高不下，2025年預(yù)計近近視患者將突破6.1億人，2015-2019年，我國白內(nèi)障患者從1.1億人增加至1.3億人，2025年預(yù)期增加至1.5億人。預(yù)期到2025年，我國屈光加白內(nèi)障患者人數(shù)將達(dá)7.69億。
數(shù)據(jù)來源 | 觀研天下整理
由于斑馬魚與人類的眼睛在形態(tài)、生理、功能和基因表達(dá)上具有高度相似性，且其胚胎容易獲得、發(fā)育很快而且易于觀察和操作等特點，使斑馬魚成為人類眼科疾病的良好的動物模型，并為進(jìn)一步探究疾病發(fā)生機(jī)制和治療方法提供新的見解。本文將從斑馬魚模型在眼科疾病及藥物療效、藥物眼毒性評估中的應(yīng)用對其進(jìn)行介紹。
1. 斑馬魚模型在眼科疾病的應(yīng)用
斑馬魚已廣泛用于了解人類疾病相關(guān)基因的生物學(xué)活性和功能，此外，一些基于藥物、光照或機(jī)械損傷等誘因建立的斑馬魚模型在眼科疾病中也得到了良好的應(yīng)用。以下將對斑馬魚模型在角膜疾病、白內(nèi)障、視網(wǎng)膜疾病和視神經(jīng)損傷等眼科疾病中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。
角膜疾病
角膜營養(yǎng)不良是一組具有遺傳異質(zhì)性的疾病。人類MAB21L基因突變會導(dǎo)致角膜營養(yǎng)不良，斑馬魚mab21l1基因突變表現(xiàn)為角膜變薄，并隨著年齡的增長而發(fā)展，還表現(xiàn)為角膜細(xì)胞死亡增加，角膜轉(zhuǎn)化為皮膚樣上皮細(xì)胞。Zebrabow是一組能夠?qū)φ麄€生物體或特定的組織進(jìn)行多色標(biāo)記的轉(zhuǎn)基因斑馬魚，有研究者使用Zebrabow成功實現(xiàn)了角膜細(xì)胞的可視化和跟蹤，這些發(fā)現(xiàn)對于深入了解這些細(xì)胞在角膜疾病如角膜緣干細(xì)胞缺乏癥中的作用至關(guān)重要。此外，Ikkala等使用機(jī)械損傷的方法建立了一種可重復(fù)操作的斑馬魚角膜上皮擦傷模型，該模型中角膜上皮傷口可以快速愈合，具有強(qiáng)大的上皮再生能力，使其成為揭示角膜上皮再生具體機(jī)制的有用模型。
青光眼
青光眼疾病風(fēng)險表型在斑馬魚中得到了很好的研究，低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白 2(low density lipoprotein receptor-related protein 2，lrp2) 基因突變的斑馬魚表現(xiàn)為成年發(fā)病的嚴(yán)重近視，眼球突出，眼壓升高和進(jìn)行性RGCs死亡。細(xì)胞色素P450家族1B1 (recombinant cytochrome P450 1B1，CYP1B1) 基因突變是原發(fā)性嬰兒型青光眼常見原因，有研究通過斑馬魚模型揭示了cyp1b1基因是通過改變神經(jīng)嵴遷移來影響眼前段的發(fā)育。
Axenfeld-Rieger綜合征(axenfeld-rieger syndrome，ARS) 是一組眼前段發(fā)育不良，并可伴全身發(fā)育異常的疾病，而眼前節(jié)畸形常導(dǎo)致繼發(fā)性青光眼，foxc1和 pitx2基因突變斑馬魚可表現(xiàn)出ARS眼相關(guān)表型。研究人員使用N-甲基D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)玻璃體腔注射或水浴建立了一種青光眼興奮性毒性模型，表現(xiàn)為視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層和RGCs層厚度增加，而RGCs數(shù)量減少。另有研究使用過氧化氫玻璃體腔注射建立了一種青光眼氧化應(yīng)激模型，表現(xiàn)為RGCs層凋亡細(xì)胞增加。
白內(nèi)障
白內(nèi)障在老年人群中最為普遍，具有遺傳易感性的兒童也會發(fā)生先天性白內(nèi)障。斑馬魚晶狀體蛋白基因突變體可表現(xiàn)為晶狀體中可見散在圓形閃亮液滴或晶狀體中央可見大小不規(guī)則的突起。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子包括熱休克蛋白轉(zhuǎn)錄因子4(heat shock factor 4，HSF4)，同源盒基因3(pituitary homeobox 3，PITX3) 等基因突變可導(dǎo)致晶狀體發(fā)育不良而引起晶狀體混濁。晶狀體膜蛋白包括水通道蛋白0(aquaporin 0，AQP0)，縫隙連接蛋白α8(gap junction protein alpha 8，GJA8)等基因突變，可引起膜蛋白結(jié)構(gòu)異常，導(dǎo)致細(xì)胞間營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和通訊障礙，晶狀體發(fā)生代謝紊亂而混濁。此外，在斑馬魚前房內(nèi)注射過氧化氫，幾乎可以立即形成高度不透明的白內(nèi)障，且隨著時間的推移，晶狀體清晰度逐漸恢復(fù)。
視網(wǎng)膜疾病-糖尿病視網(wǎng)膜病變
糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR) 是糖尿病常見的微血管并發(fā)癥。斑馬魚中參與糖代謝的器官如胰腺、肝等在進(jìn)化上具有保守性，使其成為糖代謝研究的理想動物模型。斑馬魚暴露于2%和0%葡萄糖交替條件下1個月后，血糖水平增加3倍，內(nèi)叢狀層和外叢狀層厚度增加，視網(wǎng)膜電圖受損。缺氧用于模擬增殖性DR，斑馬魚在相對空氣飽和度為10%的水中保持10d，可導(dǎo)致視網(wǎng)膜新生血管和血管通透性改變。鏈脲霉素(streptozotocin，STZ)可通過破壞胰島β細(xì)胞而導(dǎo)致高血糖。斑馬魚腹腔內(nèi)注射STZ，可引起血糖升高，表現(xiàn)出類似于人類DR的視網(wǎng)膜退化。乙二醛酶1(glyoxalase 1，GLO1) 缺失會導(dǎo)致甲基乙二醛水平升高和糖尿病表型，glo1-/-斑馬魚表現(xiàn)為空腹血糖水平升高，視網(wǎng)膜血管芽增加。
視網(wǎng)膜疾病-年齡相關(guān)性黃斑變性
年齡相關(guān)性黃斑變性 (age-related macular degeneration，AMD) 分為干性和濕性。Saito等將斑馬魚暴露在高強(qiáng)度白光下，建立了一種干性AMD模型，表現(xiàn)為視網(wǎng)膜外核層厚度和細(xì)胞核數(shù)量減少，凋亡細(xì)胞增加，而抗氧化劑可有效逆轉(zhuǎn)這些變化。
Cao等將斑馬魚暴露于不同濃度空氣飽和水并分析血管生成反應(yīng)，建立了一種血管生成與缺氧呈劑量依賴性關(guān)系的濕性AMD模型，且抗血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)藥物可阻斷新生血管的生成。希佩爾-林道( von hippel-lindau，vhl) 基因突變的斑馬魚在大腦、眼睛和軀干中形成嚴(yán)重的新生血管，出現(xiàn)視網(wǎng)膜新生血管、血管滲漏、黃斑水腫和視網(wǎng)膜脫離，而抗VEGF藥阻斷了眼部的血管生成，提示vhl-/-斑馬魚是濕性AMD的一個很好的模型。
先天性色覺障礙
先天性色覺障礙也稱為色盲，是由視錐細(xì)胞特異性光轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制或離子通道的異常改變引起，并阻止視錐細(xì)胞將信息傳遞給下游神經(jīng)元。生物鐘基因2(period2，PER2) 是一種光調(diào)節(jié)基因，per2 基因突變的斑馬魚表現(xiàn)為視網(wǎng)膜帶狀突觸結(jié)構(gòu)異常，視錐細(xì)胞視蛋白表達(dá)降低，視功能下降。
視神經(jīng)損傷
視神經(jīng)損傷(optic nerve injury，ONI)也稱為外傷性視神經(jīng)病變。與哺乳動物不同，斑馬魚中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的神經(jīng)再生能力，可在ONI后完全恢復(fù)視覺功能，RGCs 及其軸突再生是主要原因。Diekmann 等構(gòu)建了生長相關(guān)蛋白(growth associated protein-43，GAP-43) 啟動子調(diào)控綠色熒光蛋白(green fluorescent protein，GFP)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因斑馬魚，該模型可在ONI后，顯著誘導(dǎo)GFP高表達(dá)于RGCs及其軸突，使軸突再生的可視化成為可能，并且該模型與基因敲除或藥物處理相結(jié)合，可以分析軸突再生過程中的信號級聯(lián)反應(yīng)和特定蛋白的作用。
還有研究者使用GFP-微管相關(guān)蛋白1輕鏈3 (microtubule-associated protein 1 light 3，LC3)轉(zhuǎn)基因斑馬魚，觀察ONI后不同時間點的RGCs及其軸突的自噬反應(yīng)，并且證明了自噬參與RGCs及其軸突再生的過程，而自噬抑制劑可以促進(jìn)軸突再生，這些證據(jù)表明自噬反應(yīng)可作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生的潛在治療靶點。因此，進(jìn)一步明確斑馬魚視神經(jīng)再生機(jī)制，有望為人類視神經(jīng)損傷等疾病治療提供新的見解。
此外，斑馬魚還廣泛應(yīng)用到其他眼部疾病的研究中，如眼皮膚白化病2型(oculocutaneous albinism 2，OCA2)、早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜病變( retinopathy of prematurity，ROP)、視網(wǎng)膜色素變性( retinitis pigmentosa，RP)等。
2. 斑馬魚模型在藥物療效和眼毒性評估中的應(yīng)用
斑馬魚模型在眼科藥物療效評估中的應(yīng)用
斑馬魚動物模型為篩選治療眼部疾病的藥物提供了可能。由于斑馬魚的眼睛與人類的眼睛的相似性，并且斑馬魚還表現(xiàn)出強(qiáng)大的視覺行為，使其成為視網(wǎng)膜變性疾病如AMD、RP等疾病的藥物篩選的合適的動物模型。缺氧誘導(dǎo)的斑馬魚視網(wǎng)膜新生血管模型被用于測試抗VEGF藥物的作用，該藥逆轉(zhuǎn)了視網(wǎng)膜新生血管。此外，抗VEGF 藥物阻斷了vhl-/- 斑馬魚眼部的新生血管生成。高強(qiáng)度白光誘導(dǎo)的斑馬魚干性AMD模型中，抗氧化劑可以有效逆轉(zhuǎn)視網(wǎng)膜的退行性改變，且與藥物濃度呈劑量依賴性。這些研究表明斑馬魚可以作為新藥療效評估的有效工具。
斑馬魚動物模型在藥物眼毒性評估中的應(yīng)用
斑馬魚可作為一種臨床前階段預(yù)測藥物眼毒性的動物模型。在一項研究中，3dpf 的斑馬魚暴露于6種已知具有眼毒性的藥物2d后，其中5種藥物導(dǎo)致斑馬魚視覺功能受損，從而證實了這些藥物對人眼的潛在毒性。由于許多藥物表現(xiàn)出較差的水溶性，需要有機(jī)溶劑來溶解以保證適當(dāng)?shù)纳锢寐剩唏R魚胚胎可作為評估有機(jī)溶劑眼毒性的良好動物模型。此外，斑馬魚還可作為小分子的篩選工具，有研究使用斑馬魚胚胎成功從大約2000種小分子中篩選出4種在特定濃度下會影響視網(wǎng)膜血管形態(tài)的小分子。這些研究表明斑馬魚成功地反映了藥物眼毒性的特征，并可作為預(yù)測新藥眼毒性的工具。
結(jié)語
視力障礙是世界范圍內(nèi)的主要健康問題，疾病相關(guān)發(fā)病機(jī)制的理解對于開發(fā)新的治療方法至關(guān)重要。許多人類視覺障礙相關(guān)的表型已在斑馬魚中重現(xiàn)得到驗證，斑馬魚動物模型有助于了解人類疾病的發(fā)病機(jī)制，為更好的診斷、治療開辟途徑。此外，斑馬魚還被廣泛用于眼科藥物療效和藥物眼毒性的評估中，成為篩選新藥越來越有吸引力的模型。盡管目前構(gòu)建的相關(guān)斑馬魚模型可能還存在一些不足之處，但其仍然是廣泛用于人類眼部疾病和藥物評估的良好動物模型。未來，隨著基因治療技術(shù)的發(fā)展，以及進(jìn)一步明確斑馬魚視網(wǎng)膜和視神經(jīng)再生的關(guān)鍵參與者，有望為人類眼部疾病治療提供更多新的見解。
以上內(nèi)容參考自《中國實驗動物學(xué)報》發(fā)表的胡海堅，張旭題為“斑馬魚動物模型在眼科中的應(yīng)用研究進(jìn)展”的論文。
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