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斑馬魚呼吸代謝及行為分析技術在生態毒理學領域的應用
發布時間： 2022-06-28 點擊次數： 4001次作為國際上廣受歡迎的模式動物，斑馬魚除了易于養殖、性成熟周期短、產卵量大等特點之外，還具有受精卵體外發育、胚胎透明、易進行化合物的高通量篩選等諸多*的優勢，并且人類和斑馬魚之間生理和遺傳上均有高度同源性。
此外，傳統應用嚙齒類動物的毒性測試受到越來越嚴苛的實驗動物福利倫理規定的挑戰，而應用培養細胞的體外測試方法由于缺少生物體的復雜性限制了其實驗數據的意義。因此斑馬魚為實驗動物的研究近年來越來越受到毒理學領域科研工作者的重視。不僅在探究污染物對水生生物的毒性效應及其作用機制中發揮了重要作用，相關的數據還有助于評價污染物對哺乳動物乃至人類的毒作用（孫立偉等，2018）。
易科泰生態技術公司提供斑馬魚呼吸代謝測量與行為觀測全面解決方案，能夠在增塑劑、農藥、重金屬、芳香族化合物、藥物等環境污染物對斑馬魚的毒理效應和毒性機制研究中，為毒理學科研工作者提供必要的生理和行為性狀數據。涉及的具體儀器設備、功能及關鍵參數、應用方向如下：
模塊1. 魚卵、胚胎、幼魚高通量呼吸代謝測量
斑馬魚魚卵、胚胎、幼魚呼吸代謝測量由內置氧氣感應貼片的24孔板、氧氣測量主機、密封配件等組成，多個氧氣測量主機可串聯組成最多240個通道的高通量測量系統。
應用案例：6PPD（輪胎抗氧化劑）及6PPD醌對斑馬魚幼魚的毒理效應
6PPD是在汽車輪胎和多種橡膠制品中廣泛使用的抗氧化劑。挪威諾德大學的研究人員調查了6PPD及6PPD醌對斑馬魚的急性毒性及對其形態、游泳行為、心率和耗氧率的影響。發現環境相關濃度不會造成顯著的毒性，而亞致死濃度則會引起發育、行為和心臟毒性(Varshney et al., 2022)。
耗氧率的測定采用了高通量呼吸代謝測量系統：在對溶解氧傳感器進行兩點校準后，將斑馬魚幼魚放入微孔中，每個孔兩條，于28℃恒溫條件下測定。發現暴露在PPD及其醌96h的斑馬魚幼魚氧氣消耗相比于對照組有所升高，并存在劑量和時間依賴性。
模塊2. 成魚呼吸代謝測量
斑馬魚幼魚及成魚呼吸代謝測量系統采用了經典的間歇式(Intermittent flow/stop-flow)測量法，兼具高時間分辨率和長期監測的特點。針對斑馬魚體長短、體重輕、耗氧量低等特點，采用了小型的呼吸室、水泵及非接觸式的光學氧氣傳感器，確保獲得可靠的耗氧曲線和耗氧率數據。系統具備自動控制、測量和分析的功能，放入斑馬魚樣品、設置間歇測量各階段的時間后，系統即可自動運行和計算耗氧率，研究人員也可借助配套軟件計算標準代謝率(SMR)等數據。
易科泰公司提供同時自主集成的斑馬魚呼吸測量系統，可自動切換小型水泵的開閉狀態，實現了自動化間歇式測量。溶解氧監測采用了熒光光纖氧氣傳感器，具備高靈敏度和高分辨率，并且易安裝、零維護。
模塊3. 高通量視頻跟蹤及行為分析
斑馬魚視頻跟蹤和行為分析系統由高清高幀頻工業相機、斑馬魚行為分析軟件、斑馬魚活動室/池等組成。先錄制高質量斑馬魚活動視頻，再在計算機上使用專業行為分析軟件對視頻中的斑馬魚進行分析，獲得其隨時間變化的行為軌跡（X坐標和Y坐標；單條斑馬魚可做3D跟蹤，包括X、Y、Z坐標），最后自動計算獲得數十種行為學參數。基于機器視覺的斑馬魚行為分析系統，能夠對24孔、48孔、96孔板中的斑馬魚進行高通量行為采集和分析，使研究者輕松獲得大量行為數據。
應用案例：SDHI類殺菌劑神經毒性機制研究
啶酰菌胺屬于線粒體呼吸鏈中琥珀酸輔酶Q 還原酶抑制劑（SDHI），是一類主要用于經濟作物的廣譜殺真菌劑。因其降解緩慢，常在水樣甚至水生生物中被發現。中國農業大學的研究人員為探究啶酰菌胺的神經毒性機制，測定了暴露處理后的斑馬魚幼魚和成魚的行為響應、組織病理學、轉錄組學、生化參數和基因表達。發現啶酰菌胺可能通過損傷正常的視覺和神經系統功能影響神經行為表現(Qian, 2021)。
魚類行為測試是評估環境污染物的神經毒性的有效手段。本研究中使用了視頻跟蹤及行為分析系統，分別對慢性暴露在不同濃度啶酰菌胺下幼魚和成魚的活動過程進行了記錄，記錄前使其適應新環境10min，持續記錄15min后，對視頻文件進行分析，獲得了包括速度、加速度、移動距離和活動時間等行為參數。發現亞致死濃度啶酰菌胺慢性暴露下的幼魚以上4個行為參數均整體降低，并呈時間劑量依賴性。而暴露在高濃度（1.0mg/L）啶酰菌胺下21天的成魚平均速率、加速度受到抑制，但活動時間和移動距離顯著增加。因此，啶酰菌胺慢性暴露抑制了斑馬魚幼魚和成魚的運動能力。
模塊4. 游泳能力
斑馬魚游泳能力研究測試系統為一站式方案，包括斑馬魚專用小型游泳室和自動化水流速度控制、校準的所有軟硬件。系統提供適合斑馬魚游泳匹配的高精度控制水流，水流調節速度為0.7 - 50 cm/s。
該系統能夠實現水流速度的校準、轉換、校正和控制，單位和方式任選（如以BL/sec為單位的游泳速度），可對Solid Blocking效應（斑馬魚自身阻礙水流引起的水流速度變化）進行校正，并且能夠創建自動化的用戶自定義程序。
模塊5：游泳呼吸同步測定
游泳呼吸同步測定系統是在模塊4的基礎上添加了斑馬魚間歇式呼吸測量功能，從而實現了游泳速度模擬和活動代謝率測定的雙重功能。
應用案例：多環芳烴不同暴露方式的亞致死效應研究
多環芳烴（PAHs）是普遍存在的環境污染物，它能夠引起多種魚類的發育毒性，但對成年魚類急性毒性的研究較少。為此，加拿大薩斯喀徹溫大學毒理學中心的研究人員對斑馬魚進行了兩種方式的急性暴露——腹腔注射和水環境暴露（aqueous exposure），并測定了心臟功能、代謝率和有氧能力(Gerger, 2015)。后兩者使用了游泳呼吸同步測定系統。
該系統包括170mL的小型泳道、20L的水浴箱和呼吸代謝測量模塊，使用前對溶解氧傳感器進行兩點校準，并設定流速使斑馬魚適應90min。之后以每20min遞增0.077m/s的增量提高流速，直到斑馬魚力竭（停止游泳最少2s），最后根據公式計算臨界游泳速度Ucrit。
在測定Ucrit過程中，采用間歇式呼吸測量法，設定測量程序為“1min交換-4min等待-5min測量"，直到氧氣含量低于90%空氣飽和度。根據耗氧率（MO2）—游泳速度的非線性曲線推導流速為零時的耗氧率，即為標準代謝率SMR。游泳速度最高時定義為活動代謝率AMR。根據代謝率數據和臨界游泳速度計算了相對代謝空間（F-AS）和單位距離能耗（COT）。
數據表明隨著游泳速度的增大，所有處理組MO2顯著增大，OCT顯著降低。Ucrit無顯著差異（未展示）。不同劑量的兩種方式暴露后的斑馬魚SMR顯著升高，AMR沒有顯著變化，F-AS顯著降低。以上結果表明兩種方式的多環芳烴暴露使斑馬魚基礎代謝提高以應對毒物暴露并且有氧能力減弱。綜合其他方面的數據，發現多環芳烴急性暴露對成年斑馬魚有顯著的亞致死效應，尤其會對斑馬魚的有氧能力和心肺功能產生負面影響。
參考文獻
1.孫立偉, 靳遠祥, 傅正偉,等. 基于斑馬魚的水生生態毒理學實驗教學體系的構建[J]. 生態毒理學報, 2018, 13(2):6.
2.Bambino, K., and Chu, J. (2017). Zebrafish in Toxicology and Environmental Health. In Current Topics in Developmental Biology, (Elsevier), pp. 331–367.
3.Gerger, C.J. (2015). Comparison of the acute effects of benzo-a-pyrene on adult zebrafish (Danio rerio) cardiorespiratory function following intraperitoneal injection versus aqueous exposure. Aquatic Toxicology 165: 19-30.
4.Qian, L. (2021). Environmentally relevant concentrations of boscalid exposure affects the neurobehavioral response of zebrafish by disrupting visual and nervous systems. Journal of Hazardous Materials 404, 124083.
5.Varshney, S., Gora, A.H., Siriyappagouder, P., Kiron, V., and Olsvik, P.A. (2022). Toxicological effects of 6PPD and 6PPD quinone in zebrafish larvae. Journal of Hazardous Materials 424, 127623.