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斑马鱼作为人和动物疫苗研究的替代动物模型

2020年05月12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:斑马鱼是一种很好的行为学、遗传学和毒理学研究的实验模型,它揭示了人类各种疾病的发病机制。此外,它还可以很好地测试新的治疗药物,例如新疫苗的安全性。这种动物模型在动物疫苗和人用疫苗的有效性和安全性试验中有许多优点,减少研究和分析时间并降低成本。

摘要:许多医学研究都依赖动物模型来加深对动物和人类疾病病因的认识,并促进创新疗法的发展。尽管啮齿动物是全世界科学界使用最广泛的研究模型,但在最近几十年中,斑马鱼(Danio rerio)模型的使用已呈指数增长。这是因为其在遗传、解剖学和生理学上与哺乳动物有着重要的同源性。因此,斑马鱼是一种很好的行为学、遗传学和毒理学研究的实验模型,它揭示了人类各种疾病的发病机制。此外,它还可以很好地测试新的治疗药物,例如新疫苗的安全性。这种动物模型在动物疫苗和人用疫苗的有效性和安全性试验中有许多优点,减少研究和分析时间并降低成本。


简介:免疫系统的作用是保护机体免受细菌、病毒或任何外来抗原的侵袭。为了加强保护,疫苗接种被用来提高对微生物引起的疾病的免疫力。它通常包含一种毒性较小的物质,该物质会触发反应,从而刺激人体的免疫系统将其识别为异物。 在此过程中,每当发现入侵时,人体的防御机制就会学会识别和破坏微生物,其毒素或表面蛋白。接种疫苗很重要,因为它可以促进机体防御机制的刺激以及个体和集体免疫的发展。疫苗可以作用于特异性和非特异性免疫反应,不像免疫刺激剂只作用于先天性反应。此外,还应注意疫苗作为预防性和非治疗性措施在控制疾病方面的作用。结果,疫苗可以保护人体免受将来的感染,从而减少了使用抗生素和其他类型药物的需求。对鱼使用疫苗的研究是一个快速发展的领域。随着水产养殖的发展和对病原体控制的迫切需求,在许多国家已经对不同种类的鱼类进行商业接种。避免因感染造成的死亡导致的经济损失。 通过过量使用抗生素减少水体的污染,并降低最终鱼产品的质量。斑马鱼模型已广泛应用于动物和人类健康研究,最近,也用于水产养殖。本文综述了鱼类疫苗的最新研究进展,揭示了该动物模型在动物疫苗和人疫苗有效性和安全性试验中的优势。


斑马鱼模型及疫苗试验

疫苗接种安全性:在设计免疫实验时,针对疫苗开发的挑战性试验会评估疫苗针对不同病原体的有效性和安全性。通常使用动物模型(主要是哺乳动物)对这些动物进行评估,这些动物模型通常无法准确反映人类疾病,耗费时间并且需要大量动物。此外,通常通过分析死亡率、临床症状和实验室检查来评估先天性非特异性或特异性免疫系统反应。与哺乳动物一样,斑马鱼拥有一个由胸腺和肾脏分别发育的T和B淋巴细胞组成的良好的适应性免疫系统。然而,在记忆淋巴细胞的发育过程中,鱼类似乎具有B型和T型记忆细胞。 斑马鱼还展示了参与基因重排过程的酶系统,该过程产生B(BCR)和T(TCR)淋巴细胞受体。与人类一样,斑马鱼具有重组激活基因,可控制基因片段V,D和J的重排,从而产生抗体和淋巴细胞受体的多样性。另外,斑马鱼的免疫系统只有大约30万个产生抗体的B细胞,比小鼠小三个数量级,比人类小五个数量级。体液应答的效率因抗体亲和力的增加而增加。与哺乳动物相比,冷血脊椎动物抗体反应的亲和力成熟效率较低。尽管如此,在斑马鱼中,数据显示BCR受体区域的特异核苷酸是定向突变的靶点。因此,认为yi活化诱导脱氨酶和亲和力成熟也有助于鱼类抗体的多样化。例如,用TNP-KLH抗原免疫硬骨鱼,可诱导产生特定的低亲和力抗体,5周后由中等亲和力抗体取代,15周后由对该抗原亲和力更强的抗体取代。在免疫试验中,最常见的是:通过计算红细胞、血小板和白细胞来完成血液学分析;差异白细胞计数;红细胞压积;葡萄糖;器官组织学和免疫学,如血清学、特异性抗体滴定和凝集。此外,还可以使用斑马鱼进行毒性试验,如胚胎毒性、肝毒性、神经毒性、内分泌毒性、遗传毒性等。


到目前为止,这些测试都是使用啮齿动物进行的,但是最近几十年来,斑马鱼模型已被证明是研究感染和免疫反应的重要工具。该模型的优点是可以在96 h内完成OECD特定的化合物安全性评估指南(急性毒性试验)。此外,可以实时观察胚胎的发生,以及疫苗对心血管、肝脏、神经和内分泌的影响。

斑马鱼受精后0、6、24和48小时的胚胎。受精后72和96 h斑马鱼幼虫


在人类的疫苗接种方面,每百万接种过卡介苗预防结核病的人中,大约有0.4到1.9人可能是通过疫苗传染而患上这种疾病的。对于乙型肝炎,每60万接种者中可能有1人出现了严重的过敏反应。尽管与不使用疫苗可能造成的损害相比,这些风险无关紧要,但应充分测试毒理学、副作用和不同浓度的免疫。


斑马鱼模型的优势在于研究人员可以实时跟踪鱼36h即可从胚胎发育到完全器官发育的过程。可以密切研究疫苗对所有主要器官的影响。

成年斑马鱼的组织学(HE)。 a雄性。 b雌性


毒性研究支持使用斑马鱼模型测试这些物质的有效性。此外,它们可以外推到疫苗中的活性成分,从而能够对人类和斑马鱼的疫苗反应进行快速的平行研究。


斑马鱼模型在疫苗接种试验中的优势


与其它脊椎动物相比,斑马鱼具有高繁殖力、体外受精、光学透明和快速发育等额外的生物学优势。此外,斑马鱼拥有高度发达的免疫系统,与人类的免疫系统非常相似。因此,预期在哺乳动物的免疫反应中涉及的大多数信号传导途径和分子也在鱼类中存在并表现相似。特殊的克隆、突变和转基因技术的发展,使许多突变体得以鉴定。 非色素突变体,例如Casper斑马鱼,也有助于提高内部器官的可见度。此外,很容易产生带有“报告基因”的转基因斑马鱼,以便在活鱼中进行分析。由于斑马鱼基因组在人类中是保守的,从斑马鱼研究中获得的信息可能外推到人类。


关于疫苗的接种,考虑到动物和人类的不同应用途径,斑马鱼模型仍然允许使用玻璃针在透明的条件下对胚胎进行免疫。有趣的是,鱼类的适应性免疫系统受精后长达4周仍未成熟,因此例如在异种移植实验中,无需在胚胎阶段进行免疫抑制即可使用它们。

在斑马鱼幼虫体内,可以通过直接向血液中微量注射细菌悬浮液来引发快速的全身感染.或者,可以通过将微生物注入肌肉尾巴或后脑室来诱导局部感染.为了获得高转移率,可以在受精后的最初几个小时将微生物轻松地注入卵黄。 但是,重要的是要记住,卵黄缺乏免疫细胞,因此在侵入幼虫组织之前细菌能够自由生长。在免疫系统的不同细胞中开发几种含有荧光标记的转基因斑马鱼系,以观察透明幼虫中宿主微生物的相互作用。例如,荧光中性粒细胞被募集到细菌感染部位(用荧光标记)可以很容易地被跟踪并实时定量。然而,到目前为止,主要集中在幼虫感染模式上。

鱼疫苗:

与其他任何动物生产系统一样,对预防导致水产养殖业死亡的疾病,接种疫苗至关重要。 因此,基于在斑马鱼中进行的研究结果,可以改善用于该目的的疫苗的使用。近年来,斑马鱼模型已被选为鱼类疫苗接种试验的首选模型,以对抗在全球水产养殖中造成损失的几种病原体,如细菌和病毒。


动物和人类疫苗:

斑马鱼模型不仅用于水产养殖,而且还用于兽医和人类医学。到目前为止,它已经成为现代生物医学研究的主要模型系统之一。斑马鱼还可以作为致病和宿主防御的模型,模拟许多人类疾病,如肺结核、金黄色葡萄球菌和志贺氏菌感染等,以及研究免疫细胞、感染和炎症的各种人类疾病的模型。如Myllymäki等人所证实的,成年斑马鱼海洋分枝杆菌的感染类似于人类结核病。作者证实,成年斑马鱼海洋分枝杆菌感染模型适用于结核病免疫应答和疫苗的临床前筛选。这也是用于结核疫苗研究的有希望的新模型,包括疫苗抗原的临床前鉴定。还已经研究了其他分枝杆菌属,例如牛分枝杆菌和脓肿分枝杆菌。


最近的研究表明,斑马鱼还可以用于DNA疫苗的潜在筛选,特别是用于鉴定抗分枝杆菌的新抗原。因此,使用斑马鱼模型了促进对结核病发病机理的了解,这将导致开发更好的疫苗。 但是,该模型的实用性不仅限于肺结核。


结论:斑马鱼模型是开发新的安全疫苗的一个重要工具,针对尚未进行预防性治疗或现有疫苗效果不佳的疾病。使用斑马鱼进行的筛选测试已被证明在对哺乳动物进行测试之前的初步阶段是有效的。尽管有文献表明该领域的科学尚处于起步阶段,但与研究中使用的其他动物模型相比,硬骨鱼模型已被证明可有效阐明对多种动物和人类病原体的感染和免疫反应 。此外,斑马鱼的另一个优势是减少了检测所需的费用和时间。因此,预计未来几年将扩大斑马鱼的使用范围。


原文出自:https://link.springer.com/article/10.1186/s42826-020-00042-4

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