王曦悅 張秀艷 董馨 馬飛祥 劉杰 喬俊纏 薛培鳳*

1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學藥學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市蒙中醫(yī)院藥劑科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是由于多種原因引起的骨量丟失與降低、骨組織微結(jié)構(gòu)破壞、骨脆性增加、骨密度(bone mineral density，BMD)下降從而導致患者易出現(xiàn)骨折的全身代謝性骨病[1-2]?；颊咦畛Ｒ姷呐R床表現(xiàn)為腰背疼痛或全身骨痛，通常在姿勢改變時及長時間行走后出現(xiàn)，夜間或負重活動時疼痛加重，有可能出現(xiàn)行動受限，疼痛多為彌散性。其他臨床表現(xiàn)為骨折、脊柱變形等，嚴重者可能壓迫心肺，出現(xiàn)循環(huán)、呼吸系統(tǒng)的功能異常，且長時間會對患者造成巨大心理負擔[3]。一些早期的OP患者沒有癥狀或只有疼痛，往往會被人忽視，等到病情加重時常常已經(jīng)發(fā)展到了較為嚴重的階段，所以O(shè)P又被稱為“寂靜的疾病”。目前OP的發(fā)病機制以及治療方法需要進一步研究，建立骨質(zhì)疏松模型是進行發(fā)病機制及治療藥物研究的必要條件，根據(jù)研究需要，應盡可能選擇與人類相似度高、重復性好、經(jīng)濟有效的模型。斑馬魚(zebrafish)作為現(xiàn)今常用模式生物，在骨骼疾病研究中，以獨特的結(jié)構(gòu)與生理提供了靈活高效的動物模型。本文擬對OP研究現(xiàn)狀及斑馬魚骨質(zhì)疏松模型建立方法和研究應用進行綜述，為相關(guān)實驗研究提供參考。

1 骨質(zhì)疏松癥的研究現(xiàn)狀

骨質(zhì)疏松癥可分為原發(fā)性、繼發(fā)性和特發(fā)性三大類[4]。不同類型的骨質(zhì)疏松有不同的病因，是多種因素共同作用的結(jié)果[5]。 OP的具體分類和病因?qū)W研究見表1。骨骼發(fā)育涉及多種關(guān)鍵的生物學途徑或信號轉(zhuǎn)導通路，全基因組關(guān)聯(lián)研究報道了60多個影響B(tài)MD的位點,證實了BMD基因的多態(tài)性。由表1可看出OP涉及到其中多種關(guān)鍵的生物學途徑[11]，如Wnt信號通路、維生素D內(nèi)分泌途徑、雌激素內(nèi)分泌途徑、核因子κB受體活化因子-核因子κB受體活化因子配體-骨保護素(RANK-RNAKL-OPG)途徑等。

表1 骨質(zhì)疏松癥按病因分類及病因?qū)W研究進展

2 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型的建立

斑馬魚的骨骼由軟骨和硬骨兩種不同的組織組成,與其他脊椎動物骨骼發(fā)育過程極其相似。軟骨由軟骨細胞形成,硬骨由成骨細胞(osteoblast，OB)和破骨細胞(osteoclast，OC)組成，間充質(zhì)細胞(mesenchymal cells，MSCs)是軟骨細胞和OB的共同起源，OC則起源于髓單核細胞系。斑馬魚的OB和OC都與哺乳動物具有相似的功能。和高等脊椎動物一樣，斑馬魚既有膜內(nèi)成骨，即顱骨的形成是由OB直接形成骨骼；也有軟骨內(nèi)骨化，是由OB和OC通過逐步替換軟骨模板的方式，從頭到尾的順序分體節(jié)在配卵后的2～3 d開始發(fā)育形成斑馬魚的脊椎骨骼[12-13]。

斑馬魚體型小，成熟周期短，繁殖效率高，其行為學特性易于觀察,可動態(tài)觀察生命健康狀態(tài)和病理變化表觀特征。斑馬魚基因與人類基因相似率可達到 87%。斑馬魚模型在基因轉(zhuǎn)錄與敲除等方面可塑性也比較強[14-15]。傳統(tǒng)上，斑馬魚突變系是通過正向遺傳篩選產(chǎn)生的，使用誘變劑[例如乙基亞硝基脲(ENU)]在后代中誘導隨機點突變，然后篩選出感興趣的表型[16-17]?，F(xiàn)有的斑馬魚骨質(zhì)疏松模型的建立方法都是將斑馬魚培養(yǎng)在適宜濃度造模藥物的生活環(huán)境中，處理一段周期后，使斑馬魚的骨密度發(fā)生改變。誘導斑馬魚建立骨質(zhì)疏松癥模型的藥物見表2?，F(xiàn)有的斑馬魚骨質(zhì)疏松癥造模方法，使得斑馬魚骨質(zhì)疏松模型的應用存在限制。

表2 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型的建立方法

目前研究斑馬魚骨骼模型的最常用方法是通過經(jīng)典骨骼染色并在熒光顯微鏡下進行觀察。常用的化學染料有茜素紅(alizarin red)和鈣黃綠素(calcein)等。茜素紅染色為固定染色，通過與骨中的鈣結(jié)節(jié)引起的顯色現(xiàn)象來檢測魚的骨形態(tài)和BMD，毒性強具有特異性，用于斑馬魚硬骨染色,但實驗前期步驟較多,耗時較長。鈣黃綠素染色為活體染色，與骨骼中的鈣化離子結(jié)合，在熒光的照射下發(fā)出綠色熒光來顯示骨骼鈣化程度，熒光信號強、毒性弱、染色時間短,但無特異性，可以實時觀測胚胎骨所有時期的發(fā)育，需要注意染色過程要避光且要將染色液清洗干凈,防止對熒光信號產(chǎn)生影響[22]。活體熒光染色主要研究斑馬魚幼魚的骨骼鈣化及成魚尾鰭的再生等,而影像學技術(shù)也被用于斑馬魚骨骼的觀察，如X線檢測、顯微CT等，能夠更精準的評價骨的質(zhì)量,更適用骨質(zhì)疏松癥的早期檢測[23]。

3 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型的應用

3.1 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型在藥物活性篩選中的應用

在斑馬魚骨質(zhì)疏松模型建立中常選野生型品系的斑馬魚，采用潑尼松龍或地塞米松造模，因其可以顯著抑制斑馬魚早期的骨骼發(fā)育形成[24]。徐宇等[25]分別用25、50、100 μg/mL 濃度的醋酸潑尼松龍造模,通過死亡率及脊椎熒光染色的個數(shù)來確定潑尼松龍對斑馬魚的最佳造模濃度為25 μg/mL。斑馬魚模型能快速、動態(tài)地觀察骨的早期發(fā)育，為大規(guī)模篩選抗骨質(zhì)疏松藥物提供可能。斑馬魚骨質(zhì)疏松模型抗骨質(zhì)疏松藥物活性成分的篩選見表3。

表3 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型抗骨質(zhì)疏松藥物活性成分的篩選

3.2 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型在藥物安全性中的應用

斑馬魚骨質(zhì)疏松模型不僅可以快速篩選抗骨質(zhì)疏松藥物，也可同時檢測藥物毒性。凌潔等[30]用高效液相色譜分析捕獲補骨脂成分/組分聯(lián)合潑尼松龍誘導的斑馬魚骨質(zhì)疏松模型快速篩選抗骨質(zhì)疏松活性成分，并同時考察死亡率，確定補骨脂酚毒性較大，高劑量會達到100%死亡率。王茉等[31]提出形成斑馬魚代謝-效應/毒性(M-Act /Tox) 一體化評價的新方法。葛靜等[32]基于斑馬魚代效毒一體化有效的評價箭葉淫羊藿的代謝、抗骨質(zhì)疏松效應及毒性。實現(xiàn)化合物用量少(微克至毫克級)、微板中快速進行的兼顧體內(nèi)外有效成分和安全性的高效系統(tǒng)篩選，為抗骨質(zhì)疏松藥物篩選提供新的思路方法。

3.3 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型在研究作用機制中的應用

在斑馬魚骨質(zhì)疏松模型研究藥物抗骨質(zhì)疏松活性時，也可以聯(lián)合電感耦合等離子發(fā)射光譜串聯(lián)質(zhì)譜(inductively coupled plasma massspectrometry，ICP-MS)、實時熒光定量核酸擴增檢測系統(tǒng)(quantitative real-time，qPCR)和分子對接技術(shù)等同時研究藥物作用機理，為藥物在人體的作用機制做出鋪墊。斑馬魚骨質(zhì)疏松模型在研究藥物等作用機制中的應用見表4。

表4 斑馬魚骨質(zhì)疏松模型在藥物藥效機制研究方面的應用

4 總結(jié)和展望

體外細胞藥物篩選模型可高通量、多指標、多靶點同時檢測,但是忽略了藥物在體內(nèi)ADME等生理過程,因此篩選出的一些有效成分具有活性低、毒性高、生物利用度低等缺點。目前用于高通量藥物篩選的果蠅和線蟲模型可以滿足高通量、多靶點篩選,但不能反映脊椎動物的體內(nèi)藥效過程。斑馬魚具有與人體相關(guān)性高、可以活體實驗、樣品用量少、篩選快、準確率高等優(yōu)勢,在藥物活性成分或天然產(chǎn)物化合物的篩選等方面都有顯著優(yōu)勢。但斑馬魚骨質(zhì)疏松模型仍存在一定局限性：斑馬魚不是哺乳動物，體內(nèi)臟器病理變化與哺乳動物有區(qū)別；斑馬魚軀體小，除骨染色觀察、其他檢測方法難以進行等?？傮w而言，對于骨質(zhì)疏松癥及相關(guān)疾病的研究，斑馬魚模型仍然是最佳選擇，具有廣闊的研究市場。