先天性心臟缺陷(CHD)是最常見的出生缺陷，包括一系列結構畸形，包括間隔缺陷、流入和流出道畸形、腔室發(fā)育不全和瓣膜發(fā)育不全等。盡管與具有雙循環(huán)系統(tǒng)的哺乳動物的四腔心臟相比，斑馬魚的兩腔心臟相對簡單，但斑馬魚心臟發(fā)育的分子調(diào)控和形態(tài)發(fā)生過程是高度保守的。

卜海松等提取先天性心臟病患者外周血和gDNA，篩選出先心病的候選致病基因 KIAA0196，并利用CRISPR/Cas9技術建立了KIAA0196敲除斑馬魚，突變斑馬魚表現(xiàn)出類先天性心臟病缺陷。朱哲等基于轉錄因子Tbx20 對心臟腔室結構形成的關鍵調(diào)控作用，對1細胞期胚胎顯微注射建立模型。突變體斑馬魚表現(xiàn)為靜脈竇瘀血，心臟環(huán)化失敗，結構異常表型與人類先心病缺損一致，可用于探究該基因在心臟腔室分化過程中的作用機制。Gata4基因在心臟發(fā)育中起重要作用，調(diào)控心肌細胞形成、遷移和分化，是先天性心臟病的相關基因，劉靜運用TALEN技術建立了Gata4突變斑馬魚，為該病的遺傳發(fā)育研究提供實驗模型。

圖1 先天性心臟缺陷的斑馬魚模型

斑馬魚的先天性心臟缺陷通常在 2 dpf 時進行分析，此時心臟已經(jīng)歷初始循環(huán)形態(tài)發(fā)生并位于蛋黃上方、腹側和頭部后方。可以區(qū)分心房 (A) 和心室 (V) 的形態(tài)，并且可以看到房室管和流出道。異位性表型可以通過心臟環(huán)狀形態(tài)的方向性來評估，心臟通常在正常左右模式下經(jīng)歷d環(huán)（原位），但可以反轉（s環(huán)）或保持在中線（無環(huán)）如果胚胎側向性被破壞。

此外，斑馬魚是研究環(huán)境因素對心臟發(fā)育影響的絕佳模型。PM2.5與CHD發(fā)病率增加有關，斑馬魚胚胎暴露于PM2.5會導致發(fā)育性心臟缺陷，包括心臟畸形和心動過緩。該模型已被用于識別可改善PM2.5對心臟影響的化合物，例如葉酸。葉酸對發(fā)育性心臟缺陷的保護作用也在胎兒酒精譜系障礙的斑馬魚模型中有所描述，這證明了早期發(fā)育過程中持續(xù)接觸酒精對心臟形態(tài)和生長的負面影響。斑馬魚也被用來模擬妊娠期糖尿病/高血糖對心臟發(fā)育的影響?？傊唏R魚可以模擬遺傳或環(huán)境起源的CHD的機制。

心肌病代表一系列心臟病，包括心肌的結構變化，包括三個主要類別。擴張型心肌病(DCM)是一種進行性疾病，其特征是心室擴大（通常為左心室）、心肌壁變薄和心輸出量減少。肥厚型心肌病(HCM)與心室壁增厚有關。致心律失常性心肌病(ACM)涉及心肌細胞的變性，并逐漸被纖維脂肪瘢痕組織替代，影響心臟功能并導致結構性心臟重塑。通常，心臟功能逐漸受損，常常導致心力衰竭。心肌病和心力衰竭的標志在斑馬魚中是保守的，包括與心肌病和心力衰竭相關的基因的上調(diào)，例如nppa/nppb。因此，斑馬魚的研究通過對新型心肌病候選基因的功能驗證，極大地促進了我們對心肌病潛在機制的理解。例如，2015年的一項研究描述了胚胎和成年斑馬魚心臟的轉錄組學分析，確定51個DCM相關基因中49個的斑馬魚同源物。

圖2 斑馬魚心肌病模型

斑馬魚的心臟收縮力在 24 hpf 左右開始，此時心臟管已首次形成且肌節(jié)已組裝。隨著心臟發(fā)育，肌絲成熟，48 hpf 的心房和心室心肌細胞顯示出不同的肌絲組織。心室壁心肌細胞顯示皮質(zhì)基底肌動蛋白，而心房心肌細胞形成跨越細胞的長肌絲，與血流方向垂直。肌節(jié)組裝和功能的中斷導致多種心肌病，以斑馬魚突變體或錯誤表達模型為代表。

傳導障礙包括多種病理，其確切性質(zhì)取決于整個心臟中電脈沖的產(chǎn)生或傳播如何被破壞。盡管與哺乳動物相比，斑馬魚心臟的結構相對簡單，但成年斑馬魚的心電圖分析表明，成年斑馬魚心肌細胞的動作電位動力學與人類高度相似。標準化測量并建立ECG參數(shù)的基線變化，可以更詳細地分析衰老動物、心律失常遺傳模型或副交感神經(jīng)系統(tǒng)抑制時心律失常如何發(fā)展?？梢酝ㄟ^超聲心動圖捕獲和量化胚胎和成魚的心臟收縮力，而心臟性能也通過使用游泳隧道的運動耐力間接測量，其中成年斑馬魚在流速增加的水流中進行定時游泳，并記錄到疲憊的時間。

除了斑馬魚和人類心肌細胞動作電位之間的相似性之外，斑馬魚心臟的傳導動力學也對人類使用的通道阻滯劑和激活劑以及異丙腎上腺素和去甲腎上腺素等興奮劑敏感。許多這類化合物對心臟功能或傳導的影響與在人類中觀察到的類似。施用刺激交感神經(jīng)調(diào)節(jié)心臟功能的化合物，如去甲腎上腺素或異丙腎上腺素，會導致斑馬魚心動過速，而阿托品會抑制副交感神經(jīng)輸入，也會增加心率。在斑馬魚中也證明了抗心律失常藥物的保守作用，胺碘酮和奎尼?。ㄟ@會導致心動過緩和延長 QT 間期）同樣延長斑馬魚的QT間期。這些藥理化合物對心臟功能的影響可以揭示有關健康和疾病中心臟電生理學基礎分子途徑的信息。

圖3  心臟傳導缺陷的斑馬魚模型

胚胎和成年斑馬魚心臟的心電圖記錄與從人類獲得的心電圖記錄非常相似，具有可區(qū)分的 P 波、QRS 波群和 T 波，允許量化比較參數(shù)，如 QT 間期。長 QT 綜合征和短 QT 綜合征（LQTS 和 SQTS）均可由鉀通道kcnh2中的突變引起，并分別由斑馬魚霹靂舞和雷鬼突變體建模。心臟起搏缺陷，如心房顫動（AF，失去規(guī)律的竇性心律）和病態(tài)竇房結綜合征（SSS，有缺陷的竇性起搏，包括竇性暫停）也已使用斑馬魚功能喪失和錯誤表達模型進行建模。

心肌梗塞(MI)后，人類無法補充丟失的心肌細胞會導致持續(xù)性瘢痕形成、心臟功能受損、心臟重塑，并最終導致心力衰竭。盡管新生小鼠心臟能夠產(chǎn)生再生反應。然而，這種能力在產(chǎn)后7天就會喪失，對接受心室切除術的新生小鼠的長期觀察表明長期瘢痕形成以及擴張型心肌病。相反，斑馬魚能夠在受傷后完全再生心臟，為了解提高人類再生潛力的分子機制提供了一個寶貴的模型。斑馬魚的心臟再生模型對再生背后的時間過程以及支持這些反應的分子機制提供了重要的見解。損傷后3小時(hpi)的早期反應包括促炎分子的表達和免疫的募集細胞，這對疤痕沉積和隨后的再生反應很重要。同時，未受傷組織中的心內(nèi)膜細胞發(fā)生形態(tài)變化并重新表達發(fā)育基因。

在炎癥和心內(nèi)膜激活發(fā)生后，心內(nèi)膜和心外膜是最先進行大規(guī)模再生的細胞層。在3到5dpi之間，損傷部位周圍的心內(nèi)膜細胞增殖，然后遷移到覆蓋傷口區(qū)域的內(nèi)表面。冠狀動脈血運重建在損傷后迅速啟動，血管網(wǎng)絡需要促進再生。再生心臟的心電圖分析表明，盡管再生過程中QT間期延長，但動作電位動態(tài)在再生后恢復正常。

圖4  斑馬魚再生模型

斑馬魚心臟在受傷后能夠完全再生。在切除模型中，心室心尖被截斷，導致形成纖維蛋白凝塊，新的心臟組織在 60 天內(nèi)生長。在冷凍損傷模型中，冷凍探針應用于心室，導致局部細胞死亡。隨后發(fā)生炎癥和細胞碎片清除，并在損傷部位形成疤痕。大約 120 天后疤痕消失，心臟再生。

目前，已建立了幾種斑馬魚心臟損傷模型，心室截肢捕獲心臟進行再生的能力，形成纖維蛋白凝塊，在30-60 dpi內(nèi)逐漸被肌肉取代。心肌梗塞在炎癥和纖維化的同時誘導多種細胞類型的死亡。因此，再生不僅需要替換丟失的心肌細胞，還需要去除死細胞、基質(zhì)重塑、血運重建和心臟機電耦合的重建。這可以通過冷凍損傷在斑馬魚中建模，冷凍損傷導致心室受損部分大量局部細胞死亡，導致所有心臟細胞類型的細胞凋亡，并復制MI后發(fā)生的心臟壞死。誘導型基因消融模型，其中細胞類型特異性啟動子驅動白喉毒素(DTA)或硝基還原酶（一種將甲硝唑轉化為細胞毒性劑的酶）的表達，提供了對不同細胞類型如何促進心臟再生的進一步機制見解。

總之，斑馬魚心臟損傷模型的構建，為心臟再生過程中的分子和細胞生物學機制研究提供了新的手段。近年來不斷發(fā)展的熒光標記技術和高分辨率光學成像技術，將有助于我們進一步解析心臟多種細胞類型在此過程中互作的具體機制，有望為人類心臟疾病的治療提供新的思路和策略。