研究成果丨斑马鱼在视力疾病研究中的应用进展

编者按

斑马鱼，由于其具有与人类视觉系统相似（特别是视网膜和晶状体的形态结构）、胚胎透明易于观察等特性，被作为视力疾病研究的理想模型。

近年来，随着基因编辑技术、斑马鱼成像技术等的不断发展，研究人员利用斑马鱼模型开展了感光细胞再生研究、视网膜疾病研究、基因突变与眼部缺陷研究、视力保护类食品研发及环境污染物研究等，并取得了一系列新进展。本期我们分享近期发表的几篇高分基于斑马鱼模型开展视力疾病研究的最新成果。

01、利用斑马鱼感光细胞探究恢复视力的替代疗法

文章题目

Restoration of cone-circuit functionality in the regenerating adult zebrafish retina

杂志：Developmental Cell（IF=11.8）

发表时间：2024年8月19日

作者：Evelyn Abraham，Hella Hartmann等

单位：德累斯顿工业大学德累斯顿再生治疗中心等

文章主题：

致盲疾病通过破坏人类无法自然再生的感光细胞导致永久性视力丧失。虽然研究人员正在研究替代或再生这些细胞的新方法，但关键问题是这些再生的光感受器能否完全恢复视力。不同于人类，斑马鱼在视网膜受损后仍能再生神经组织。斑马鱼利用其视网膜中的米勒胶质细胞（Müller glia）来再生感光细胞，这使得斑马鱼成为研究感光细胞再生潜力的理想模型。

德累斯顿工业大学德累斯顿再生治疗中心的Michael Brand教授带领的研究团队通过通过研究斑马鱼——一种天生具备感光细胞再生能力的动物，发现再生的感光细胞能够正常运作，使斑马鱼恢复视力，这一研究结果为未来的感光细胞替代疗法提供了有前景的启示。

本研究中，研究人员利用斑马鱼基因编辑技术，借助高端显微镜技术追踪感光细胞在突触（即感光细胞与其他神经细胞连接并传递信号的关键部位）处的活动，证实了再生的感光细胞可以恢复正常的生理功能，并能够响应不同波长的光线，以与原始细胞相同的灵敏度、质量和速度将信号传递给邻近细胞。

图1

02、利用斑马鱼揭示PABA可调控视网膜再生

文章题目

P-aminobenzoic acid promotes retinal regeneration through activation of Ascl1a in zebrafish

杂志：NEURAL REGENERATION RESEARCH（IF=6.1）

发表时间：2024年8月

作者：夏晓波教授、何美惠、夏明芳、杨倩、陈星夷、李海波

单位：中南大学、中南大学湘雅医院等

文章主题：

利用内源性视网膜 Müller 细胞修复受损神经元对青光眼、视网膜色素变性等诸多视网膜变性疾病的治疗具有重要价值。斑马鱼的视网膜Müller细胞是一种潜在的干细胞，在视网膜受损后可自发的进行原位细胞重编程并补充损伤的神经细胞，但其中的修复机制仍有诸多未知。

本研究以NMDA诱导RGCs损伤的斑马鱼为研究对象，进一步通过代谢组学鉴定 RGCs 损伤诱导斑马鱼视网膜再生中的差异代谢物。研究发现，在NMDA损伤的斑马鱼视网膜中，多种代谢物水平发生改变，其中对氨基苯甲酸（PABA）显著减少。进一步研究表明，PABA通过激活NMDA损伤的斑马鱼视网膜中Ascl1a的表达促进Muller胶质细胞的重编程和分裂，以及Muller胶质细胞来源的祖细胞（MGPC）的增殖，从而促进视网膜再生。

该研究亮点体现在：

1. 率先确定了斑马鱼视网膜再生中的差异代谢物，该研究通过液相色谱-质谱分析及代谢组学测序，首次鉴定了 RGCs 损伤诱导斑马鱼视网膜再生中的差异代谢物；

2. 首次证实差异代谢物之一PABA调控了斑马鱼视网膜再生。PABA通过激活Ascl1a的表达，促进Muller胶质细胞的去分化和分裂以及MGPC的增殖，从而促进视网膜再生。

图2

03、吡虫啉斑马鱼视觉毒性效应及机制研究

文章题目

Imidacloprid affects the visual behavior of adult zebrafish (Danio rerio) by mediating the expression of opsin and phototransduction genes and altering the metabolism of neurotransmitters

杂志：Science of the Total Environment（IF=9.8）

发表时间：2024年2月1日

作者：付瑞强、张兰、刘欣刚等

单位：中国农业科学院植物保护研究所等

文章主题：

近年来，环境生物视觉缺陷逐渐被关注。越来越多的研究表明生物视觉缺陷与环境污染物的暴露有关。已有研究证实吡虫啉对昆虫果蝇（Drosophila）、东亚飞蝗（Locusta migratoria）和食蚜蝇（Eristalis tenax）的视觉引导性行为存在影响，表明吡虫啉可造成生物视觉损伤。

视觉系统是水生生物对环境污染物的敏感靶点，吡虫啉在水体中的普遍存在，对水生生物的视觉系统造成巨大威胁。研究团队以斑马鱼成鱼为动物模型，探讨了吡虫啉对成年斑马鱼的视觉毒性及其分子机制。

环境相关浓度（10和100μg/L）持续暴露21天后，斑马鱼眼睛中吡虫啉的可检测含量分别为23.0±0.80和121±1.56ng/mg，成年斑马鱼的视觉行为受损。免疫荧光、荧光定量PCR实验表明，斑马鱼视网膜中视紫红质的含量发生了明显的变化。在成年斑马鱼中，基因表达节律在暗和亮光捕获中起关键作用，以及光转导的24小时被显著破坏。靶向代谢组学分析显示，与神经递质功能相关的16种代谢物的含量发生了显著变化，并在精氨酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、色氨酸代谢等前三种代谢途径中富集。

这些结果表明，吡虫啉暴露通过干扰斑马鱼视蛋白基因的表达影响视网膜的光信号转导功能，造成斑马鱼的视觉行为受到损害，包括平滑跟踪和视觉引导的自我运动的能力下降，为全面了解和评估新烟碱类杀虫剂的生态健康风险提供数据基础，也为水生生物视觉毒性评估模型建立以及有效预防及控制环境生物及人类视觉障碍提供理论支撑。

图3

04、利用斑马鱼研究无长突细胞在颜色视觉中的作用

文章题目

Amacrine cells differentially balance zebrafish color circuits in the central and peripheral retina

杂志：Cell Reports（IF=10.0）

发表时间：2023年2月28日

作者：Tom Baden、Leon Lagnado、王歆玮等

单位：英国萨塞克斯大学等

文章主题：

脊椎动物的视网膜由光感受器细胞（包括视锥细胞和视杆细胞）接收信号，并将之预处理后传递至下游的神经元。已有研究表明，在斑马鱼幼鱼中，外层视网膜的神经环路已经通过四类视锥细胞将“颜色”信息从“灰度”信息中分离出来。然而，目前对于内层视网膜神经元如何处理传入的颜色光谱信息，并以此来形成颜色视觉，目前还不清楚。

无长突细胞 (ACs) 一直被认为是视网膜中最为多样的细胞类型，其主要功能为对视觉通路上的双极细胞 (BCs) 和视神经节细胞 (RGCs) 的信号进行调控。本研究通过成对斑马鱼幼鱼的无长突细胞和双极细胞的活体成像，探究了无长突细胞在脊椎动物的颜色视觉中的功能。

通过对无长突细胞的药物阻断实验，研究人员发现，无长突细胞能够协助建立一些双极细胞的颜色拮抗，而同时又会消除另一些双极细胞中已经存在的颜色拮抗，因而，在特定的视网膜区域中，无长突细胞对于双极细胞颜色反应的总调控作用为零。此外，研究人员还发现，这一动态平衡过程的实现主要是通过对”On pathway” 的调控实现的。与这个发现相吻合的是，“Off layer” 中的无长突细胞绝大多是无法分辨颜色的（achromatic），而大多的颜色拮抗的无长突细胞都在“On layer”中。

本研究为脑内计算如何演化提供了一种潜在的解释：在脊椎动物和各种无脊椎动物的眼中，颜色计算的演化可能先于复杂时空视觉的演化。

图4

05、轮胎橡胶添加剂导致斑马鱼严重眼部损伤

文章题目

A ubiquitous tire rubber additive induced serious eye injury in zebrafish (Danio rerio)

杂志：Journal of Hazardous Materials（IF=14.2）

发表时间：2024年7月5日

作者：Jing Chang, Rui Huang, Zhaoguang Zhang, Yunrui Pan, Zheng Ma, Bin Wan, Huili Wang等

单位：中国科学院生态环境研究中心等

文章主题：

轮胎磨损颗粒（TWPs）是通过轮胎和路面之间的摩擦产生的，已成为世界上主要的微塑料之一。轮胎制造过程中使用硫化添加剂、保护性添加剂和加工添加剂，以满足汽车轮胎性能的要求。添加剂可以从TWPs中释放出来，并最终保留在水或土壤中，这可能对生态系统构成威胁。

轮胎磨损颗粒（TWPs）渗滤液暴露通过抑制甲状腺过氧化物酶（TPO）活性对鱼类造成严重眼损伤。本研究中，通过参考文献搜索、基于QSAR和ToxCast数据库的模型预测、分子对接和体内测定，将2-巯基苯并噻唑（MBT）确定为TWPs渗滤液中潜在的TPO抑制剂，进一步探讨了MBT在环境相关浓度下的毒性机制。

斑马鱼幼鱼眼尺寸减小主要是由于视网膜内核层（INL）和外核层（ONL）晶状体直径和细胞密度减小。转录组学分析表明，MBT暴露后通过抑制感光细胞增殖过程显著抑制了眼部光转导功能。MBT暴露后甲状腺激素信号减弱诱导视蛋白基因表达改变和视蛋白水平降低。这些结果与从已知的TPO抑制剂甲巯咪唑获得的结果相当。本研究不仅突出了斑马鱼幼鱼渗滤液中毒性最强的化合物，还为复杂混合物中的毒物鉴定提供了新方法。

图5

06、利用斑马鱼揭示视网膜功能障碍ADGRV1相关的遗传疾病机制

文章题目

Generation and Characterization of a Zebrafish Model for ADGRV1-Associated Retinal Dysfunction Using CRISPR/Cas9 Genome Editing Technology

杂志：Cells（IF=5.1）

发表时间：2023年6月10日

作者：Merel Stemerdink，Sanne Broekman等

单位：荷兰拉德堡大学医学中心(Radboudumc)等

文章主题：

Usher综合征是一种常染色体隐性遗传疾病，以色素性视网膜炎(RP)引起的听力损伤和视觉功能进行性丧失为特征。在全球范围内，约有40,000人因ADGRV1基因致病性变异引起的视网膜色素变性(RP)而逐渐丧失视力，目前尚无治疗方案。

斑马鱼被认为是研究Usher综合征相关视网膜功能障碍的合适模型。本研究中，研究人员利用斑马鱼基因编辑技术在adgrv1外显子9 (adgrv1rmc22)上引入了一个4bp的缺失，揭示了ADGRV1相关RP的病理机制。

免疫组化分析显示，Adgrv1在adgrv1rmc22斑马鱼视网膜连接纤毛的光感受器区域缺失。Adgrv1的缺失导致USH2复合体成员usher和Whrnb的水平降低，这表明Adgrv1与斑马鱼光感受器中的usher和Whrnb相互作用。将adgrv1rmc22斑马鱼与野生型对照进行比较时，进一步观察到光感受器细胞体中异常定位的视紫红质水平升高，视网膜电图(ERG) b波振幅下降，这表明缺乏Adgrv1会导致视网膜功能受损。基于这些发现，可以将adgrv1rmc22斑马鱼作为第一个显示早期视网膜功能障碍的ADGRV1突变模型。此外，在评估未来ADGRV1相关RP的新治疗策略的疗效时，观察到的表型变化可作为可量化的结果指标。

图6

作为健康美丽产业CRO服务开拓者与引领者、斑马鱼生物技术的全球领导者，环特生物搭建了“斑马鱼、类器官、哺乳动物、人体”四位一体的综合技术服务体系，开展健康美丽CRO服务、科研服务、智慧实验室搭建三大业务。目前，环特已建立200多种斑马鱼模型及脑类器官、心脏类器官及各种肿瘤类器官培养平台，欢迎有需要的读者垂询！

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