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斑马鱼的转化毒理学

2021年02月04日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:转化毒理学的一个主要目标是识别不良的化学作用。转化毒理学包括评估多个生命阶段的化学毒性,确定毒性作用方式,计算预测模型以及确定在接触有毒化学物质后保护或恢复健康的干预措施。斑马鱼越来越多地用于转化毒理学,因为它结合了哺乳动物模型的遗传和生理优势以及无脊椎动物模型的更高通量能力和遗传可操作性。在这里,我们回顾了最近的文献,这些文献证明了斑马鱼作为解决四个转化毒理学活动模型的贡献。 还讨论了使用斑马鱼进行转化毒理学相关的重要数据空白和挑战。

摘要:转化毒理学的一个主要目标是识别不良的化学作用。转化毒理学包括评估多个生命阶段的化学毒性,确定毒性作用方式,计算预测模型以及确定在接触有毒化学物质后保护或恢复健康的干预措施。斑马鱼越来越多地用于转化毒理学,因为它结合了哺乳动物模型的遗传和生理优势以及无脊椎动物模型的更高通量能力和遗传可操作性。在这里,我们回顾了最近的文献,这些文献证明了斑马鱼作为解决四个转化毒理学活动模型的贡献。 还讨论了使用斑马鱼进行转化毒理学相关的重要数据空白和挑战。

关键词:肠道微生物组  危害识别  干预  生命阶段  作用机理  预测毒性

简介:毒理学的一个主要目标是确定外源性药物对生物系统造成伤害的可能性和机制。尽管人类是大多数异种生物感兴趣的主要目标物种,但人类数据有限。 为了解决此数据空白,通常有必要推断不同物种在不同组织级别(包括计算,生化,体外和体内系统)的集成数据。通过评估跨器官系统和不同生命阶段的整合效应提供了体内模型的明显优势。但是,所有实验模型都无法概括人类生物学的某些方面,因此了解并考虑任何给定模型的局限性非常重要。

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图1、模型生物与人类的比较。 (a)广泛使用的转化毒理学动物模型的优缺点。 (b)斑马鱼与人类发展的比较时间表

由于斑马鱼和人类之间的遗传和生理保护以及这种小型水生脊椎动物与转化毒理学的相关性,斑马鱼已成为毒理学研究中广泛使用的模型,越来越多地被用于解决毒理学中的长期挑战。例如,斑马鱼是研究化学混合物毒性的强大模型,最近的一项研究证明了这一点,该研究对暴露于多种浓度的三种不同农药的胚胎斑马鱼的基因表达变化和致死性进行了定量分析。作者得出的结论是,根据暴露于各种化学品引起的变化,无法预测混合物的定量和定性作用。最近在暴露于全氟辛烷磺酸(PFOS)的斑马鱼中研究了另一个长期挑战-毒性结果中的性别差异。对多个器官的转录组学分析显示,全氟辛烷磺酸改变了与脂肪酸代谢和神经功能相关的基因的表达,这种改变不仅取决于靶器官、全氟辛烷磺酸暴露的浓度和持续时间,而且还取决于性别。在另一项研究中,发现野生型雌性斑马鱼比起长鳍条纹雌性或雄性对慢性乙醇暴露的行为影响更为敏感,这表明性别和遗传背景相互作用来确定毒性结果。这些研究表明,利用斑马鱼识别影响个体对不良结果易感性的特定基因×环境相互作用的潜力。斑马鱼也被证明是解决毒理学中新出现问题的有力模型,例如外源性物质对健康和疾病的发育起源(DOHaD)的影响、毒性的表观遗传机制以及微生物组在改变外源性物质毒性作用中的作用。例如,最近研究了双酚A(BPA)或替代化学品双酚AF(BPAF)、双酚B(BPB)、双酚F(BPF)或双酚S(BPS)对斑马鱼发育毒性和微生物群落结构的影响。然而,斑马鱼的发育毒性和化学依赖性微生物群破坏之间呈反比关系,这表明传统的毒理学试验无法捕捉微生物群依赖性效应。通过使用定殖的、无微生物的、无菌的和常规的斑马鱼,最近的研究表明,宿主相关的微生物将异源物质生物转化为毒性未知的代谢物。

斑马鱼转化毒理学研究评估转化毒理学包括四个方面:(1) 评估多个生命阶段的化学毒性,(2)确定化学作用模式和模型间关键事件的相关性,(3)使用一个模型中的数据预测其他系统中的化学毒性,以及(4)部署模型来制定和评估干预措施,以保护或恢复化学暴露后的健康状态。

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图2、斑马鱼的转化毒理学。斑马鱼可用于评估转化毒理学研究的四个组成部分,包括评估整个生命阶段的化学毒性,描述化学作用模式,开发或测试阻断化学依赖性毒性结果和恢复健康的干预措施,或预测其他系统的化学毒性,包括人类。

斑马鱼整个生命周期的化学毒性评估:斑马鱼经历了四个主要的生命阶段:胚胎期、幼虫期、幼年期和成年期。从受精到孵化的胚胎,受精后48到96小时(hpf)的斑马鱼被认为是幼虫。斑马鱼在受精后∼30天(dpf)过渡到幼鱼阶段,这与许多实验室培育的品种已确定其性别的年龄相对应。性成熟和产生后代的能力预示着成年阶段,其时间约为90-120 dpf。 在大多数主要器官系统的发育和成熟过程中发生的关键分子和细胞转变在序列上是相似的,但在斑马鱼中发生得更快。斑马鱼胚胎和仔鱼被广泛用于发育毒理学研究的理论原因-斑马鱼和人类之间早期发育的分子和细胞机制是保守的。斑马鱼在母体外部迅速发育,在最初的7天里,它们从卵黄囊获得大部分营养。因此,斑马鱼很容易适应部署96孔或384孔板的高通量筛选以及用于图像采集,处理和相关分析的自动化工具。由于其相对较短的生命周期,斑马鱼在评估跨代(如表观遗传)效应和在整个生命周期中对毒性效应的不同脆弱性方面具有显著优势。关于后者,最近对胚胎(3 hpf)、幼虫(3 dpf)、幼年(30 dpf)和成年斑马鱼(3月龄)暴露于不同浓度的四种不同的strobilurin杀菌剂的评估表明,其幼虫阶段最敏感。

相比之下,用于毒理学研究的幼年斑马鱼和成年斑马鱼的例子要少得多。这可能是因为与胚胎和幼虫斑马鱼不同,幼年和成年斑马鱼不能在多孔板中长时间保存,而且它们的光学透明性也不高。尽管存在这些局限性,斑马鱼幼鱼有利于早期生命阶段未表现出的表型的毒理学研究,如性别、生殖功能和适应性免疫,以及幼鱼无法轻易评估的行为,包括学习、记忆、社交和焦虑样行为。例如,成年斑马鱼最近被用于评估抗抑郁药阿米替林的治疗和毒性作用。成年斑马鱼作为研究化学物质对衰老相关表型和疾病(包括各种癌症)影响的模型,也越来越受到重视。使用成年斑马鱼模型筛选用于肝癌的新型小分子疗法,以鉴定治疗指数优于标准护理药物索拉非尼的化合物。成年斑马鱼最近也被验证为评估药物性肾损伤的模型。斑马鱼幼鱼只有一对肾单位,而成年斑马鱼的肾有几百个肾单位,其组织结构和生理功能与哺乳动物的肾相似。在暴露于庆大霉素或阿霉素的肾毒性水平的成年斑马鱼中观察到的肾脏病理与在哺乳动物中观察到的相似,对28种对人有已知肾毒性的化学药品和14种对人没有肾毒性的化学药品进行的筛选显示,在成年斑马鱼中,有16种肾毒性化学物质和阴性对照均未引起药物引起的肾脏损伤。

用斑马鱼来定义化学作用方式:斑马鱼的一个重要优点是,可以通过多种方法获得对化学作用模式的分子见解,从化学筛选到阐明结构-活性关系(SARs)再到识别外源性物质分子靶点的基因操作。斑马鱼中的化学筛选揭示了有关具有未知作用方式的化合物的新机制信息。例如,在14,000种化合物的筛选中,斑马鱼的自动行为测试与基于条形码的计算方法结合在一起,用于识别与行为方式已知的化合物共享行为特征的新型神经活性化合物。此策略现已应用于识别调节斑马鱼睡眠-觉醒周期,被动和主动威胁反应,成瘾和精神病的化学物质。在同一项研究中,行为表型与特定的PAH替代之间的关系并不明显。最近,对烷基磺酸、烷基羧酸或含支链或醚的全氟和多氟烷基物质(PFASs)进行的小规模比较表明,暴露于含有四个以上氟化碳的烷基磺酸PFAS会引起过度活跃,并且PFAS的这种结构亚类的效力与氟化碳链长度相关。定量SAR(QSAR)最近也已用于预测斑马鱼对中性或可解离有机化学品的急性毒性。

无偏或靶向RNA测序通常用于在基因和途径水平上鉴定斑马鱼的化学依赖性干扰。作为这种方法转化潜力的一个例子,在整个斑马鱼,小鼠和大鼠肝脏,体外小鼠和大鼠肝细胞以及原代人肝细胞中比较了暴露于三种肝毒性化合物后基因表达的变化。虽然基因表达的特异性变化在不同的模型中通常不保守,但鉴定共有通路水平的干扰,证明斑马鱼具有识别一系列哺乳动物模型中肝毒性的途径水平的转录组破坏的能力。在基因水平上观察到的不一致性可能源于比较从整个斑马鱼匀浆和肝脏特异性人类细胞或组织获得的图谱。未来的研究应考虑通过细胞分类或显微解剖斑马鱼的特定组织来分离特定的细胞类型,以便基于相似的细胞或组织类型进行跨物种转录组学比较。一旦确定了关键表型和途径水平的干扰,斑马鱼就可以很容易地用于机理研究,目的是确定将化学暴露与表型结果联系起来的致病性事件。

改进斑马鱼毒性数据以建立或评估预测毒性模型:斑马鱼毒性数据已用于危险识别和化学优先级排序。为了充分利用可用的斑马鱼毒性数据,必须定义其预测人类毒性的能力。一篇早期的文章计算了斑马鱼和大鼠(52%)或兔(47%)发育毒性研究中的总体一致性。大鼠和兔研究中确定的一致性化学品的百分比相似(58%),表明至少对于评估的化学品组,斑马鱼毒性数据通常与两种广泛使用的哺乳动物模型之间计算的一致性一样具有预测性。随后的荟萃分析将443种化学品、19种汇总毒性表型(如心血管)和57种个体毒性表型(如心包水肿)的斑马鱼毒性数据与从大鼠、小鼠和兔子收集的指导毒性数据进行了比较。斑马鱼的LC50值与哺乳动物的急性吸入毒性高度相关,斑马鱼的LC50值比哺乳动物的LC50值高约180%。从发育角度来看,斑马鱼孵化率、心包水肿和心率下降与产前流产的兔最低效应水平(LELs)正相关。有趣的是,作者结合了斑马鱼毒性数据和人类暴露估计值对人类暴露值进行了化学排序。由此产生的危害指数确定了14种化学品,其中人体接触水平的浓度会导致斑马鱼中毒,因此值得进一步研究。

考虑到SARs的毒性一致性的改进对于理解斑马鱼测试系统中的化学盲点至关重要。在对斑马鱼幼虫的致畸和行为效应进行的91种化合物的筛选中,有几种化合物被确定为发育神经毒性的参考化合物,因为有记录的人类发育毒性是无毒性的。其中包括三水醋酸铅、丙戊酸钠和甲苯。由于斑马鱼与哺乳动物模型在发育过程中的毒代动力学(例如,由于对化合物的最小摄取、缺乏代谢活化或化合物的光失活而导致的生物利用度降低)或毒理学(例如,缺乏靶表达)差异,这些化合物是真的无毒性还是缺乏毒性作用有待确定。这些观察结果与建立斑马鱼和哺乳动物毒性数据之间的一致性的第二个挑战有关,即这些分析中使用的大多数斑马鱼数据都比较了标准培养基浓度和表型结果。由于水传播的暴露,斑马鱼的组织剂量受到不同的物理化学性质的影响。如果一种化合物不能引起斑马鱼的表型效应,则需要成对的分析化学数据来证明化学物质的吸收,并确认化学物质对所测毒性结果为无毒性的假设。例如,最近的一项研究表明,GenX,一种引起公众健康关注的新型PFAS,在二甲基亚砜(DMSO)中不稳定,二甲基亚砜是斑马鱼化学筛选研究中广泛使用的一种溶剂。如果不进行组织剂量测量,该化合物发育毒性和发育神经毒性均被假定为无毒性。斑马鱼作为评估使用人类细胞或受体产生的体外和生化数据开发的计算模型的工具,有助于转化毒理学。预测血管发育的外源性破坏的计算模型随后通过转基因斑马鱼试验进行验证,以评估化学依赖性对血管发育的影响。斑马鱼试验证明,斑马鱼特别擅长检测与趋化因子和/或细胞外基质破坏相关的血管破坏物。

斑马鱼试验干预:斑马鱼越来越多地用于表型筛选,以鉴定可逆转或抑制遗传突变不利影响的化合物。例如,表达vhl基因种系突变的斑马鱼被用于确定逆转von Hippel-Lindau(vhl)综合征相关视力丧失的药理学方法,von Hippel-Lindau综合征是一种罕见的疾病,其特征是与视网膜毛细血管母细胞瘤(视网膜血管肿瘤)相关的视力丧失。vhl缺失导致小鼠胚胎死亡,斑马鱼因vhl基因敲除表现出眼血管异位和眼发育异常,并伴有视动反应缺失和视觉运动反应显著降低。苹果酸舒尼替尼是一种被批准用于癌症治疗的抗血管生成化合物,被发现可以逆转vhl基因敲除斑马鱼的眼部行为和形态表型。本研究中使用的方法并不是高通量的。斑马鱼也被用来筛选化合物,通过对2271个小分子的筛选,确定了120种化合物可预防暴露于阿霉素的斑马鱼的心脏毒性,随后对7种最有效的化合物进行SAR和靶向富集分析,确定CYP1A1是一个假定的靶点。cyp1a基因敲除斑马鱼幼虫对阿霉素诱导的心脏毒性具有抗性证实了这一点。在另一项研究中,斑马鱼对氰化物的年龄依赖性敏感性被用来确定氰化物中毒的新治疗靶点。最初的研究表明,斑马鱼胚胎在最初的3 dpf阶段对氰化物有很强的抵抗力,但随着幼虫的成熟,其对氰化物的敏感性逐渐增强。无偏转录组学和代谢组学分析揭示了氰化物暴露期间能量代谢的年龄依赖性差异。

主要数据空白和总结:斑马鱼被广泛用于危险识别和化学优先排序。为了改善斑马鱼毒性数据在人类风险评估中的使用,需要解决一些数据空白。 首先,必须统一通用毒性测定法和评估方法,以克服由于测试规程不同而导致的斑马鱼数据变异性。此外,需要扩展发育毒性和化学物质吸收方面的最新进展,需要对更敏感的行为终点(如多动症)进行大规模SAR分析。开发可从斑马鱼毒性数据预测人类毒性的计算模型。在表型斑马鱼研究中必须更常规地收集毒代动力学数据,以鉴定真正的无毒性化合物,并作为将剂量推算至与人类有关的暴露场景的基础。总而言之,斑马鱼是一个特殊的模型,用于说明化学依赖性毒性效应,这些毒性效应在不同的实验系统中是保守的或不同的。由于该系统具有中到高通量化学基因筛选的固有能力,斑马鱼代表了一个强大的实验系统,用于评估整个生命周期的化学毒性,确定化学作用模式,生成用于预测人类化学毒性的数据集,以及对干预措施的快速评估,以防止生物体暴露的化学毒性。专注于使用斑马鱼进行转化研究的研究人员最终可能会对保护人类健康和环境产生深远的影响。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468202020300383


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