癫痫发病机制及基因功能研究中模式动物的使用
2021-07-30

癫痫发病机制及基因功能研究中模式动物的使用

生命科学领域中的很多基础研究都离不开动物模型。动物模型从广泛意义上讲从小到细胞,组织,器官,大到动物个体,包括斑马鱼,大小鼠,灵长类,都是我们研究人类疾病发病机制及未知变异基因功能不可或缺的工具。癫痫的发病机制及基因功能的研究也同样会用到大大小小动物的模型。本次会议我也特别关注了用于癫痫相关研究的试验及模型的使用。




人的类脑器官是由多功能干细胞诱导,在试验器皿中培养的3D立体模仿人脑的器官模型。它介于2D平面的细胞,及动物活体之间,具有与人脑组织高度结构及功能相似,方便操作等优势。来自加州大学伯克利分校的Bateup博士首先介绍了她利用患者成纤维细胞,体外产生多功能干细胞,然后成功培养成类脑器官,研究TSC致病机制及使用雷帕霉素对mTOR信号调控干扰,从而到达治疗效果的过程。


来自加州大学洛杉矶分校的Samarasinghe医生的工作则更近一步,将多种培养的类脑器官融合培养形成assembloids,来研究分布在人脑不同结构中更为复杂的神经元网络相互作用。利用人的类脑器官模型的研究克服了研究材料难以获得,规模化,操作复杂等困难,无疑会加速神经大脑发育相关的疾病研究。

我们在基因变异致病性判读过程中经常会遇到一些从未有过致病性报道,是否导致基因功能改变不明的变异,给解读和临床带来很大的困惑。来自芝加哥西北大学的Vanoye博士的工作给大家展示了他的解决方案。他利用自动化高效转染平台将KCNQ2变异质粒转染到中国仓鼠卵细胞培养中,再利用膜片钳测量记录设备,记录转染细胞的电流改变。这套试验设备与方法通过对KCNQ2基因每个变异位点电流改变的测量,鉴定出变异对基因功能的影响。利用该平台,还可以针对每个变异位点筛选有效的治疗药物。该方法最大的优势就是可以高通量,大规模的检测所有变异位点对基因功能的影响。



在癫痫相关研究中另一个常用动物模型斑马鱼也在会议上的不同研究中被多次提到。斑马鱼可以成功模仿早发性癫痫性脑病疾病,可以用于早期致病机理的研究,及治疗药物的筛选。



斑马鱼作为癫痫动物模型有它明显的优势。首先它是脊椎动物,与人类有相似的遗传学,生理学,药理学机制,全部基因组序列完全清楚;其次,斑马鱼的身体透明,体型小,方便试验操作与表型观察;最重要的是,它繁殖快,生命周期短,可以短时间快速完成世代传递。作为药物筛选用的动物模型,它的给药方式简捷,皮肤,腮,消化道器官可以快速吸收代谢测试药物。挪威奥斯陆大学的Esguerra教授利用CRISPR/CAS9技术建立斑马鱼Dravet模型,可以观测到斑马鱼类似癫痫发作的行为学,脑电改变,神经元树突形态学异常。



利用Dravet斑马鱼模型,他们对在小鼠Dravet模型中治疗无效的药物Fenfluramine进行了测试,发现该药物可以彻底恢复神经元的异常细胞结构,起到治疗效果。而另一种药物Diazepam虽然可以减轻模型的急性癫痫发作,但对神经元形态改变并无补救效果。


最后我也想引用今年在Science杂志上发表的一篇综述来结束这篇回顾Briscoe et al., Science 369, eaaz8627 (2020) 18 September 2020 】根据所要研究的基因功能,所要揭示的作用机制,所想回答的科学问题,选择适当的动物模型,设计适合的试验,确定研究方法,手段和数据获取途径,了解结果的分析方法,是解决很多生物学问题的必经之路。这条路也同样适用于癫痫等神经发育类疾病的研究。


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