Zebradanio so stisnili miši in sadne muhe v biomedicini

Zebradanio so stisnili miši in sadne muhe v biomedicini

Alan Kaluev, Konstantin Demin
"Trinity Option" št. 4 (248), 27. februar 2018

Zebradanio

O avtorjih

Alan Kaluev – doktor znanosti, specialist nevroznanosti, biološke psihiatrije in nevrofarmakologije, profesorja in glave. Laboratorij za biološko psihiatrijo, Inštitut za translacijsku biomedicinu, Državna univerza Sankt Peterburg; znanstveni sotr. Uralska zvezna univerza, Inštitut za fiziologijo in temeljno medicino, Siberian Branch, Ruska akademija znanosti, profesor, Fakulteta za farmacijo, Jugozahodna univerza (Kitajska).

Konstantin Demin – diplomantka Univerze v St. Petersburgu, raziskovalec na Inštitutu za eksperimentalno medicino V.A. Almazov Ministrstva za zdravje Rusije.

Priljubljen med akvaristom ribe zebradanio (Danio rerioAngleščina zebrafish), ki je dobila svoje ime zaradi svoje črtaste barve, je v zadnjih letih postala učinkovit model v genetiki, molekularni biologiji, embryologiji, farmakologiji in, nedavno, v nevrobiologiji. Ameriški biolog George Streisinger se je prvič zanimal za ta organizem kot laboratorijski objekt v šestdesetih letih prejšnjega stoletja.

Uporaba zebradanija kot vzornega organizma (npr.organizem, s katerim lahko simulirate biološke procese) ima številne prednosti, vključno s priročnostjo genetske manipulacije, ter zunanjim gnojem, značilnim za te ribe, pospešenim razvojem, visoko rodnostjo in majhnostjo (približno 2,5-3,0 cm v odrasli dobi). Poleg tega so poceni in zelo enostavni za vzdrževanje in razredčitev v laboratoriju (slika 1).

Sl. 1. Zebradanio kot modelski organizem v biomedicinskih raziskavah

Glavni organi zebradanija se razvijejo v petih dneh po oploditvi in ​​že tri mesece po rojstvu so ribe zmožne razmnoževanja – vse to kaže na visoko stopnjo razvoja organizma. Hkrati zebradanio živi dlje kot miši (v povprečju od štiri do pet let proti trem). Zato lahko služijo kot odličen in ekonomičen predmet za proučevanje biologije staranja.

Zebraradijski zarodki in riž so prozorni, kar omogoča sledenje različnim stopnjam razvoja pod mikroskopom. To je še posebej pomembno za optogenetični pristop, pa tudi za vizualizacijo genetskih ekspresijskih profilov in vivo. Obstaja tudi mutantska linija Casper (Casper), ki je pregleden tudi v odrasli dobi, kar močno poenostavi genetsko, anatomsko in fiziološko manipulacijo s temi ribami.

Ena od pomembnih značilnosti biologije kosti je, da so preživeli dodaten krog podvajanja genomov. V zebradaniju so lahko takšni podvojeni geni bodisi funkcionalni bodisi ne, in celo prenašajo nove funkcije, ki niso značilne za kopirani gen. Prisotnost več kopij istega gena prav tako omogoča študij v Zebradanio knockoutih teh genov, ki so bistvenega pomena za ljudi in miši in so v njih zastopani samo z enim izvodom.

Trenutno je bila genetika zebradania raziskana zelo dobro in njihov sekvenčni genom vsebuje 26,206 genov, ki kodirajo proteine, vključno z 71,4% ortologov (t.j., homolognimi geni filogenetsko sorodnih organizmov, ki so se med speciacijami razlikovali) človeških genov in 82% geni, povezani z različnimi človeškimi boleznimi. Farmakološki učinki in cilji so prav tako zelo podobni (približno 85-90% sovpada z zebradaniji, glodavci in ljudmi), saj je genetska podobnost ponavadi bolj izrazita na aktivnih mestih encimov, kanalov in receptorjev (slika 2).Na primer, za vezavo ligandi so odseki glukokortikoidnih receptorjev v splošnem in prehrano zebradanio enak 74%, medtem ko so receptorji samih – samo 50%.

Sl. 2 Splošna uporabnost v biomedicini zebradanio presega splošno uporabnost drugih tradicionalnih predmetov – miši in Drosophila (podatki Mccammon J. M. in sive H. Obravnavanje genetika Human težavami v duševnem zdravju v modelnih organizmih // Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2015, Vol. 16, 173-197, s spremembami)

Zebradanio kažejo visoko fiziološko podobnosti človeku v tako pomembnih sistemov kot metabolične, hematopoetski, kardiovaskularne in nervozna. Takšna velika podobnost (homologijo) zebradanio omogoča široko paleto praktičnih nalog, kot so ustvarjanje eksperimentalne (animal) modele diabetes, tumorigeneze, prekrvavitve ali infakta, kakor tudi za pregledovanje novih zdravil in vivo. Nevrokemije sistemi in človeški zebradanio tudi vtis s svojo podobnosti, in kljub očitnim razlikam v organizaciji zebradanio CNS ima veliko struktur, funkcionalno in morfološko podobne mnogih predelih možganov glodalcev in ljudi.

Danes zebradanio pogosto uporablja v nevrobiologije zaradi izražanja (in hkrati precej zapleteno) vedenja kot nedoraslih in odraslih rib.Na primer, kot ljudje, zebradanio kaže izrazito vedenjski in fiziološki stresni odziv pod delovanjem hormonskega kortizola. Zaradi tega se na podlagi obnašanja rib [1-6] aktivno oblikujejo modeli anksiozno-depresivnih motenj in njihova farmakološka korekcija.

Hkrati je visoka družabnost zebradanija (več kot 90% časa, ki ga preživijo v skupinah) omogoča, da se jih uporablja za ustvarjanje genetskih in farmakoloških modelov avtizma. Zebradanio nevrobiologija je bila v zadnjih letih posebej aktivno raziskana. Posledično so se pojavile številne veljavne modele možganskih bolezni – psihoza, hiperaktivnost, kognitivna okvara, toksidrom, epilepsija in nevrodegeneracija (Parkinsonova in Alzheimerjeva bolezen), in možnost presejanja farmakoloških zdravil za ustrezno terapijo.

Študije, izvedene od leta 2008 na zebradanio v našem laboratoriju, kažejo, da so številne kompleksne vedenjske in psihološke lastnosti, ki so bile prej pripisane samo živalim z visoko organiziranimi živčnimi sistemi, dobro razvite in jih je mogoče opazovati pri zebradaniju.Tako ribe, ki so podvržene daljšemu stresu, ne kažejo le na razvoj vztrajnega vznemirjenega vedenja in drugih vedenjskih znakov motenj razpoloženja, temveč tudi pri različnih ljudeh in glodalcih vplivajo na različne biokemične spremembe, povezane z anksioznostjo in depresijo [1]. Na primer, dolgotrajni stres povečuje raven stresnega hormona kortizola in tudi upada ravnotežje citokinov – pomembni imunski regulatorji pri ljudeh in glodalcih ter v zebradanio [1]. Pomembno je, da se ti pojavi v zebradaniju odstranijo z uporabo antidepresivov – zdravil, ki zmanjšajo učinke stresa v kliniki [1].

Vpliv antidepresiv je v kontekstu serotoninskega sindroma upošteval tudi naš laboratorij – patološko stanje, ki ga povzroča "prevelik odmerek" serotoninskih antidepresivov, ki smo jih nedavno opisali v zebradaniji [2, 3]. Med drugimi resnimi možganskimi boleznimi, povezanimi z jemanjem farmakoloških zdravil, smo preučevali sindrom odvisnosti in odtegnitve na zebradanio, ki je v našem času postal aktualen klinični problem in se pojavlja zaradi zlorabe drog in med zdravljenjem [4, 5].

Nazadnje aktivno proučujemo učinke psihoaktivnih snovi na Zebradan, vključno s tako močnimi halucinogeni kot LSD, ketamin, fentezclidin, ibogain, MDMA (ekstazi), salvinorin A in njihovi analogi [5-9]. Skoraj vsi na zebradanioju smo jih prvič preizkusili na svetu. Vse preučevane droge tega spektra so pokazale izrazito sposobnost, da povzročijo nenormalno vedenje pri Zebradanio in fiziološke odzive, povezane z humanimi halucinskimi državami. Te študije, ki uporabljajo zebradanio, so izredno pomembne tako z vidika iskanja novih psihotropnih zdravil (s presejanjem novih sintetiziranih molekul pri učinkovitih in poceni testih na živalih) in z vidika ustvarjanja novih eksperimentalnih modelov človeških bolezni, ki jih povzročajo farmakološki dejavniki (tako imenovani toksidromi).

V nedavni poglobljeni analizi, objavljeni v Letni pregled genomike in humane genetikeMorda so najbolj prepričljivo navedene prednosti uporabe zebradanije v sodobni biomedicini (slika 2). Če primerjamo nevretenčarje (Drosophila), ribe zebrarad in miši – najpogostejši objekti raziskav v laboratorijih – po različnih merilih, od podobnosti njihove biologije do drugih organizmov do stroškov eksperimentov z njimi, se izkažeda skupna koristnost zebradanio presega tisto pri miših in sadnih muharicah. Na žalost, kot model zebradan, v ruskih laboratorijih šele začne "plavati".

Sl. 3 Število člankov v zbirki podatkov Pubmed (od decembra 2017) z uporabo zebradanija (po državah). V Rusiji (*) je bilo objavljenih le sto člankov. Pikčasta rdeča črta prikazuje splošno dinamiko strmega povečanja števila publikacij na zebradanio v zadnjih letih. Pie chart prikazuje normalizirano povečanje števila publikacij v zadnjih desetih letih na različnih modelnih objektih. Upoštevajte, da je zebradanija, ki prikazuje največjo dinamiko rasti med vsemi drugimi modelnimi organizmi v biomedicini (na podlagi poročila prof. A. Kalueva na Akademskem svetu državne univerze v St. Petersburgu 25. septembra 2017, glej spletno stran)

Zlasti iz več kot 30 tisoč biomedicinskih izdelkov na zebradanio v Pubmed Rusija ima danes samo okoli sto publikacij (slika 3). Kljub temu se je položaj v zadnjih letih nekoliko spremenil, saj so vodni laboratoriji že bili ustanovljeni na vodilnih ruskih univerzah (Sankt Peterburgska državna univerza, Moskovska državna univerza, Uralska zvezna univerza) in akademske ustanove v državi.Po našem mnenju bi bilo zelo priporočljivo še naprej izvajati najbolj aktivno delo v Rusiji pri uvajanju zebradanio v napredne znanstvene raziskave v biologiji in medicini.

Literatura
1. Pesem C., et al. Modeliranje posledic podaljšanega močnega nepredvidljivega stresa v zebrafih: kompleksni učinki na vedenje in fiziologijo // Prog. Nevropsihofarmakol. Biol. Psihiatrija, 2018. 81. str. 384-394.
2. Kolesnikova, T. O., et al. Sindrom podoben fenotipu serotoninskega izvora je bil pri odraslih zebrafiški izpostavljenosti izpostavljen amitriptilinu, tricikličnemu zaviralcu ponovnega privzema serotonina / noradrenalina. // 8. konferenca ISBS "Stres in vedenje", 2016. str. 27-28.
3. Stewart A.M., et al. Perspektive eksperimentalnih modelov serotoninskega sindroma v zebrafih // Neurochem. Int., 2013. 62 (6). Str. 893-902.
4. Cachat J., et al. Sindrom vzorčnega odtegnitve v zebrafishu // Behav. Brain Res., 2010. 208 (2). Str. 371-376.
5. Stewart A., et al. Zebrafish modeli za preučevanje fenotipov, povezanih z zlorabo drog // Rev. Neurosci., 2011. 22 (1). Str. 95-105.
6. Grossma L., et al. Karakterizacija vedenjskih in endokrinih učinkov LSD na zebrafih // Behav. Brain Res. 2010. 214 (2). Str. 277-284.
7. Riehl R., et al. Vedenjski in fiziološki učinki izpostavljenosti ketaminu pri odraslih zebrafih // Nevrotoksikol. Teratol., 2011. 33 (6). Str. 658-667.
8. Cachat J., et al. Edinstveni in močni učinki na zebrafish na halucinogene raziskave zdravil Behav. Brain Res.2013. 236 (1). Str. 258-269.
9. Stewart A., et al. Vedenjski učinki MDMA ("ekstazija") pri odraslih zebrafih // Behav. Farmakol., 2011. 22 (3). Str. 275-280.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: