论文解读 | 中国农科院质标所基于斑马鱼双相情感障碍模型,开展多组学分析研究

发布时间:2023-11-21 环特生物 浏览次数:237

当前,全球有近10亿人口存在精神健康问题,即每八个人中就有一人存在此类问题,其中,全球约有近1%-3%的人受到双相情感障碍(BD)的影响。双相情感障碍(bipolar disorder,BD)作为一种常见精神障碍,炎症反应在BD发病机制中起着至关重要的作用,但其潜在机制尚不清楚。

鉴于BD发病机制的复杂性,环特合作伙伴——中国农业科学院质标所的“农产品质量安全风险评估”创新研究团队于2023年5月19日发表在Cell Press《iScience》上的题为“Multi-omics analysis of a drug-induced model of bipolar disorder in zebrafish”的最新研究成果,该研究通过对BD斑马鱼进行高通量、多组学分析(代谢组学、脂质组学和转录组学),揭示了其分子作用机制,构建了一种新的BD斑马鱼模型,并发现氟喹诺酮类抗生素药物环丙沙星可诱导斑马鱼发生双相情感障碍行为(BD)。

一、研究背景

全球近1%-3%的人受到双相情感障碍(BD)的影响,这是一种严重的情绪障碍,其特征是周期性发作的抑郁症和躁狂(双相I型障碍)或轻度躁狂(双相II型障碍和周期性障碍)。

研究分析显示,双相情感障碍通常发生在青春期晚期或成年早期,男性、女性中双相I型障碍的发病率相似,而女性双相精神障碍的发生率更高。最新研究报告表明,在新冠疫情大流行期间,成年人的焦虑或抑郁症状比例有所增加(从36.4%增加到41.5%)。此外,双相情感障碍患者与疫情相关的主观认知功能障碍水平明显更高,尤其与抑郁、焦虑等症状相关。

《世界心理健康调查倡议》(World Mental Health Survey Initiative)报告指出,双相情感障碍终身患病率和12个月患病率分别为2.4%和1.5%,其作为一种慢性精神疾病,往往需要持续监测和终身治疗,给卫生保健系统和社会带来巨大的经济负担。然而,目前用于双相情感障碍患者的大多数精神药物(如奎硫平),大多被用于治疗其他大脑疾病,如精神分裂症,并且其首选药物——碳酸锂的作用相对缓慢,药物副作用较大。

目前,双相情感障碍的发病机制主要体现在脑结构和神经胶质细胞功能的变化、突触传递的改变、线粒体功能障碍和炎症反应等方面,但对双相情感障碍发病机制的研究大多局限于一种单一类型的分子特征,这些分子通路间的关系尚未阐明。因此,参与双相情感障碍发生和发展的分子机制及突触传递和炎症反应中改变的作用在很大程度上仍然未知。

斑马鱼(Danio rerio)是研究双相情感障碍的一种重要模型系统,它对急性或慢性压力情况高度敏感,并表现出与人类相似的强大情感表型,包括抑郁、焦虑、认知障碍和躁狂样行为。分析表明,现有成熟的斑马鱼行为分析方法可以很容易地测量斑马鱼模型生物的双相情感障碍相关特征表型(如多动、抑郁、记忆力受损和社交能力)等。此外,斑马鱼中枢神经系统(CNS)结构和功能与哺乳动物相似,且斑马鱼与人类具有高度的生理和基因同源性。

然而,双相情感障碍斑马鱼模型也有一些局限性,如头部样本量相对较小,且存在重复基因。先前的报道已证实,斑马鱼可以用于模拟抑郁症和精神分裂症等大脑疾病,为相应的人类疾病及其发病机制提供更深入的视角。因此,利用双相情感障碍斑马鱼模型进行分子研究,有助于阐明双相情感障碍的发病机制,并探索潜在、有效的治疗靶点。

因此,有必要对BD斑马鱼进行分析,以全面了解BD的分子作用机制。我们对斑马鱼脑组织进行了高通量、多组学分析,包括代谢组学、脂质组学和转录组学;通过透射电镜进行超微结构分析和突触功能研究。此外,研究人员发现,双相情感障碍斑马鱼具有独特的代谢特征,并伴有明显的突触结构异常、突触传递功能障碍和神经炎症等。这些生物学通路和其他关于双相情感障碍分子机制的多层次信息,可用于确定双相情感障碍早期进行性代谢功能障碍和突触损伤的潜在治疗方法。

二、研究成果

1、利用斑马鱼模型评价双相情感障碍:

本研究中,研究人员选用环丙沙星诱导斑马鱼双相情感障碍模型。这一选择很大程度上是由于之前的报告表明,肠道微生物群的改变与双相情感障碍之间存在联系。

环丙沙星,是一种氟喹诺酮类抗生素,其能阻碍DNA合成和复制,具有广谱的杀菌效果。但如果不当使用,可能会导致肠道生态失调和微生物失衡。基于这一研究背景,研究人员推测环丙沙星诱导的斑马鱼双相情感障碍类行为可能由于微生物群落-肠-脑轴的紊乱。为了验证这一假设,研究人员利用环丙沙星建立了药物诱导的双相情感障碍斑马鱼模型,并阐明了其分子特征。

图1 斑马鱼模型行为表型图

运动轨迹图和热图显示,与对照组相比,实验组斑马鱼在水平位置偏好测试(图1A)中表现出较多的抱壁行为,而在垂直位置偏好测试(图1B)中表现出较少的探索行为。

高浓度组的斑马鱼行为表型特征是运动距离、躁狂样行为显著增加(图1c、1d和S4),移动到中心区域(图1E)和顶部区域(图1)的总持续时间和频率显著减少。然而,这在低浓度组中也很明显,除了向中心区域移动的频率明显减少(图1E)。

这些结果表明,高浓度组的斑马鱼表现出BD样行为(多动、躁狂、抑郁和焦虑),与之前的哺乳动物双相情感障碍模型的行为一致,表明在斑马鱼中诱导双相情感障碍模型的有效性。

此外,我们发现,与对照组相比,经过碳酸锂治疗两周后的斑马鱼在运动距离、发生躁狂样行为的频率方面没有显著差异(图S5A-S5C)。这些结果进一步验证了CiP诱导的双相情感障碍斑马鱼模型可以作为这种疾病的生物学模型。

为了确定高浓度实验组与对照组诱导的双相情感障碍斑马鱼之间是否存在显著的表型差异,研究人员对斑马鱼脑组织进行了组织病理学评估,以探讨BD的病理机制。

HE染色分析显示,与对照组相比,双相情感障碍斑马鱼脑组织缺失结构完整性(图2A);Nissl染色显示,神经元细胞体数量减少,而神经元呈圆形,比正常偏大,胞体肿胀(图2B和2C),而神经元特异性抗体NeuN表达减少(图2d、2E和2F)。

综上所述,BD斑马鱼脑组织发生了病理性改变,以神经元数量减少、胞体肿胀和形态学改变为主要病理特征。

图2 BD斑马鱼的组织病理学特征

2. 斑马鱼BD行为的分子机制分析:

研究人员利用透射电镜-组织病理学可视化技术、高通量的代谢组-脂质组-转录组多组学技术,以及qPCR-Western blot等分子生物学方法,从表型-基因-代谢物-蛋白等多层次水平,对斑马鱼发生BD行为的分子机制进行了深入剖析。

研究表明,JNK介导的神经炎症导致BD斑马鱼的神经传递全面紊乱。一方面,通过干扰芳香族氨基酸的色氨酸和酪氨酸代谢,限制了单胺类神经递质5-羟色胺和多巴胺参与突触囊泡再循环;另一方面,膜脂(甘油磷脂和鞘磷脂等)代谢异常,改变了突触膜结构完整性和神经递质受体(chrna7、htr1b、drd5b和gabra1)的活性,从而导致BD行为出现。

结果显示,JNK炎症级联反应介导的5-羟色胺和多巴胺参与突触囊泡再循环导致的神经传递紊乱,是斑马鱼双相情感障碍模型的关键致病机制,为双相情感障碍的发病机制提供了重要的生物学见解。

图3 MAPK/JNK介导的BD斑马鱼神经炎症

三、结语

综上所述,这是首次利用斑马鱼模型来揭示双相情感障碍模型中潜在相关病理学机制,也是首次引入药物诱导的双相障碍斑马鱼模型研究。

研究人员采用了行为-组织病理学可视化技术和高通量代谢组学、脂质组学和转录组学分析,对BD斑马鱼的特定分子特征进行了完整分析与挖掘,并依此构建了一种新的BD斑马鱼模型,一方面可以为深入解析BD发病机制、针对性筛选研发治疗药物提供重要模型和生物学见解,另一方面可以为研究评估环丙沙星等抗生素类新污染物的环境健康风险提供技术手段和科学依据。

可以预见,未来将有更多基于微生物群落-肠胃-脑轴通路的研究,进一步分析探索斑马鱼模型中神经系统与肠胃系统的相互作用机制。

参考文献

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Doi:https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.106744

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