Zebrafish, Medaka a tyrkysový haluz na pochopenie ľudských neurodegeneratívnych/neurovývojových porúch, časť 5.

5. Ľudské neurovývojové poruchy u malých rýb

Ľudské neurovývojové poruchy sú diagnostikované na základe relatívneho vzťahu medzi správaním človeka a spoločnosťou, ako sú vývinové charakteristiky a ťažkosti v spoločenskom živote, nie na základe genetickej diagnózy alebo biomarkerov, ako sú MRI skeny [123].

Poruchy nervového vývoja označujú určité ťažkosti alebo prekážky vo vývoji nervového systému v detstve, ktoré ovplyvňujú fyzický, kognitívny a behaviorálny vývoj dieťaťa. Táto choroba je bežná u detí a trpí ňou veľa detí. Nervové vývojové poruchy však neznamenajú, že deti budú postihnuté počas celého života. Vďaka vedeckej intervencii a rodinnej starostlivosti môžu deti rásť a zdravo sa rozvíjať v dospelých.

Pamäť je jednou z dôležitých kognitívnych schopností človeka. Je neoddeliteľnou súčasťou nášho každodenného života a študijnej práce. Vplyv neurovývinových porúch na pamäť sa prejavuje najmä v týchto aspektoch: Po prvé, neurovývojové poruchy môžu ovplyvniť schopnosť detí učiť sa. Keďže je ovplyvnený vývoj nervovej sústavy, dieťa môže mať problémy s jazykom a komunikáciou, čo môže sťažiť pochopenie vedomostí a učebných materiálov vyučovaných učiteľom. Deťom zároveň môže chýbať sústredenie počas procesu učenia a majú problém sústrediť sa na plnenie úloh, čo sa odrazí aj na ich pamäti.

Po druhé, neurovývojové poruchy môžu ovplyvniť schopnosť dieťaťa socializovať sa a zvládať emócie. To môže spôsobiť, že deti budú mať problémy s interakciou s rovesníkmi a nadväzovaním hlbokých vzťahov s nimi. Tento sociálny a emocionálny zdravotný problém môže viesť k duševnej nestabilite dieťaťa, čo môže ovplyvniť pamäť.

Avšak aj keď majú neurovývojové poruchy určitý vplyv na pamäť, neznamená to, že deti nemôžu mať dobré pamäťové schopnosti. Vedeckým zásahom a rodinnou starostlivosťou môžu deti tieto ťažkosti postupne prekonať. Rodičia môžu svojim deťom pomáhať pri vytváraní dobrých študijných návykov podľa ich potrieb, poskytovať cielené doučovanie a spolupracovať s učiteľmi pri vytváraní dobrého prostredia pre rast a rozvoj ich detí.

Okrem toho deti, ktoré sa zúčastňujú niektorých pre ne vhodných športových, hudobných aktivít a pod., môžu byť prínosom aj pre ich telesný a intelektuálny rozvoj. Môže tiež pomôcť posilniť ich sociálne a emocionálne schopnosti, čím sa zlepší ich pamäť.

Skrátka, neurovývinové poruchy môžu mať určitý vplyv na detskú pamäť, ale neovplyvňuje to zdravý rast dieťaťa. Prostredníctvom vedeckej intervencie a rodinnej starostlivosti môžu deti postupne prekonávať prekážky, rozvíjať dobré pamäťové schopnosti a vyrastať v užitočné talenty. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola dokáže regulovať aj rovnováhu neurotransmiterov, ako je zvýšenie hladín acetylcholínu a rastových faktorov. Tieto látky sú veľmi dôležité pre pamäť a učenie. Okrem toho môže Cistanche deserticola tiež zlepšiť prietok krvi a podporiť dodávku kyslíka, čo môže zabezpečiť, že mozog dostane dostatok živín a energie, čím sa zlepší mozgová vitalita a vytrvalosť.

Kliknite na vedieť doplnky na zlepšenie pamäte

Jedným obmedzením používania malých rýb na štúdium neurovývojových porúch je, že nie je pravdepodobné, že malé ryby budú spĺňať diagnostické kritériá pre tieto ľudské neurovývojové poruchy.

Aj keď je ťažké aplikovať komplexné funkcie ľudí vyššieho rádu na zebričky, v posledných rokoch sa objavili správy, že zebričky možno použiť ako modelové zviera pre neurovývojové poruchy pomocou analýzy správania, ktorá napodobňuje ľudské sociálne reakcie.

Okrem toho, ako už bolo spomenuté, využitie malých rýb v laboratóriu ako modelového zvieraťa pre neurovývojové poruchy viedlo k mnohým zaujímavým zisteniam v zmysle konzistentných pozorovaní od bunkovej a molekulárnej škály až po tkanivovú, vývojovú a behaviorálnu analýzu. Porucha autistického spektra ( ASD) je jednou z najbežnejších neurovývojových porúch.

Hoci patogenéza ASD nebola stanovená, nazhromaždili sa poznatky z komplexnej genetickej analýzy pacientov s ASD a vytvorila sa databáza rizikových génov pre vznik ASD. Ako referenciu je k dispozícii databáza SFARI (https://gene.sfari.org/;prístup 30. novembra 2021), ktorú prevádzkuje Simon Foundation v Spojených štátoch. V súčasnosti je registrovaných 1023 génov klasifikovaných podľa intenzity rizika.

Okrem toho boli v patogenéze poruchy pozornosti/hyperaktivity (ADHD) rozpoznané genetické faktory a v posledných rokoch sa nahromadili nálezy z metaanalýz celogenómových asociačných analýz [124–126]. Nasleduje súhrn výskumných správ s použitím modelov mutantov zebrafish génov, o ktorých sa predpokladá, že sú spojené s týmito neurovývojovými poruchami (tabuľka 2).

DYRK1A je serín/treonín kináza, ktorá je nevyhnutná pre vývoj a funkciu mozgu a nadmerná aktivácia tohto proteínu sa pozoruje pri Downovom syndróme [133]. Okrem toho DYRK1A patrí do skóre 1 v databáze SFARI a považuje sa za vysoko relevantný rizikový gén pre ASD. Kim a spol. vygeneroval a analyzoval Dyrk1aa knockoutzebrafish, ortológ DYRK1A.

Ukázali, že dospelé knokautované ryby vykazovali mikrocefáliu, behaviorálna analýza ukázala, že úzkostné správanie bolo znížené testom s novým tankom a sociálna interakcia bola narušená testom shoaling a testom sociálnych preferencií.

Dospeli k záveru, že ide o autistickú zmenu správania u rýb [127]. Rovnakým spôsobom boli vytvorené knockoutové línie ortológov zebrafish pre SHANK3 a NRXN2, ktoré patria do skóre 1 rizikových génov ASD v databáze SFARI. SHANK3 je široko exprimovaný v mozgu a podieľa sa hlavne na tvorbe postsynaptických skeletov a neurotransmisii [134].

Liu a kol. generované Shank3b knockout zebrafish, ktoré vykazovali narušené sociálne interakcie behaviorálnou analýzou a hlásili zníženú expresiu Homer1, proteínu viažuceho SHANK, v mozgu dospelých rýb [128]. NRXN2 je transmembránový proteín, ktorý sa nachádza v presynaptickom zakončení a podieľa sa na konštrukcii insynapsie a mechanizmoch uvoľňovania neurotransmiterov [135].

Knokautované myši NRXN2 sa použili ako model autizmu a ukázalo sa, že vykazujú zvýšené správanie podobné úzkosti v testoch, ako je test svetlo/tmavá skrinka a mazetest so zvýšeným plusom [136]. Koh a kol. vygenerovali Nrxn2a knockout zebrafish a zistili zvýšené správanie podobné úzkosti v novom teste nádrže, čo naznačuje, že zmeny správania podobné autizmu sa vyskytujú aj u zebričiek [129].

PER1 je známy ako hodinový gén a celogenómová asociačná analýza pacientov s ADHD naznačuje, že tento gén je rizikovým génom pre ADHD [124]. Huang a kol. vytvorili Per1bknockout zebrafish a ukázali, že mláďatá boli hyperaktívne, mali zvýšenú frekvenciu útokov v teste útokov so zrkadlovým obrazom a boli zachránení mikroinjekciou per1b mRNA.

Tiež ukázali, že obsah dopamínu bol znížený v Per1b knockout zebrafishbrains a že hyperaktívny fenotyp mohol byť zachránený selegilínom (inhibítor monoaminooxidázy B) alebo metylfenidátom (inhibítor transportéra dopamínu, ľudská liečba ADHD).

Analyzovali tiež PER1 knockout myši. Podobne ako pri modeli zebrafish, myši s knockoutom PER1 vykazovali hyperaktivitu a znížený obsah dopamínu vo vzorkách mozgu, čo naznačuje možnosť, že abnormality PER1 sa môžu podieľať na dopamínergných neurálnych abnormalitách pri ADHD [131]. Táto správa je celkom pôsobivá, pretože naznačuje vysoko konzervovaný fenotyp medzi druhmi stavovcov vrátane charakteristík správania.

Aby sme zhrnuli, ako behaviorálne charakteristiky zebričiek vyjadrujú symptómy ľudských neurovývojových porúch, „reaktivita na úzkosť“ zodpovedá senzorickej hypersenzitivite/zmyslovej deprivácii pri poruchách autistického spektra, „nedostatok tlačenice“ ako ťažkosti v sociálnej komunikácii a medziľudských interakciách a „hyperaktivita a agresivita“ ako napr. fenotypy pre symptómy hyperaktivity/impulzivity pri ADHD, možno hodnotiť v každom teste.

Aj keď anatomické a fyziologické rozdiely nie sú v modeli choroby jasné, ak je možné získať určitý fenotyp pomocou behaviorálnej analýzy, môže sa použiť ako míľnik na posúdenie, či nejaký zásah môže poskytnúť záchranu, ako napríklad farmakologický vysokovýkonný skríning [130– 132].

Čo by sa malo starostlivo zvážiť, je jeho interpretácia v behaviorálnej analýze. Zatiaľ čo behaviorálna analýza myší má dlhú históriu a bola štandardizovaná mnohými výskumníkmi, behaviorálna analýza zebričiek je stále vo fáze vývoja.

Napríklad nový test nádrže sleduje správanie zebričiek po ich premiestnení do novej nádrže a agreguje a štatisticky spracováva, koľko času strávili v ktorej hĺbke vody a ako ďaleko prešli. V tomto teste sa zebričky najprv skrývajú na dne nádrže a potom postupne rozširujú rozsah svojich aktivít na povrch.

Ak sa zistí, že dúhaky trávia menej času na dne nádrže a okamžite sa začnú približovať k hladine, môže to mať rôzny význam v závislosti od toho, či sa to vysvetľuje ako „ľahko sa necítite úzkostlivo“ alebo „hyperaktivita a impulzívnosť“. Pozrite si odkazy na zoznam správania zebričiek [137], súhrn behaviorálnej analýzy a jej obmedzení a kontrast s analýzou správania u myší [138–140].

Behaviorálna analýza sa zameriava na zvyky rýb, ale je potrebné ich kriticky zvážiť pri ich aplikácii na ľudí. Bolo by presvedčivejšie, keby sa trendy vo fenotypoch dali pozorovať vo viacerých testoch, a nie robiť predpoklady založené na výsledku jedinej analýzy správania.

Okrem behaviorálnej analýzy sa zvažujú aj iné typy metód, ktoré môžu hodnotiť stresové reakcie; napríklad hodnotením hladiny kortizolu, ktorý je jedným zo stresových hormónov [141–143].

Stále existuje veľa neznámych aspektov používania malých rýb ako modelu pre ľudské vyššie mozgové funkcie a ľudské neurovývojové poruchy a dúfame, že sa bude hromadiť čoraz väčší výskum.

Okrem toho sa zebričky používajú aj v oblasti psychiatrie na analýzu schizofrénie a depresie. Je veľmi zaujímavé vidieť fenotyp zebričky ako modelového zvieraťa pre psychiatrické symptómy [144,145]. Aj keď sú polia odlišné, zebričky sa používajú podobným spôsobom, ako je opísané v tomto prehľade. Viac informácií nájdete v iných vynikajúcich publikáciách [139,146,147].

6. Závery

V tomto prehľade sme v laboratóriu diskutovali o vlastnostiach zebrafish, medaka a tyrkysových rýb a aktuálnej analýze neurodegeneratívnych chorôb a neurovývojových porúch pomocou týchto malých rýb. Pri analýze ľudských neurologických porúch sú malé ryby veľmi dobré modelové zvieratá a v budúcnosti sa budú ďalej rozvíjať. V tomto bode musíme mať zmysel pre pokoru voči cicavým modelovým zvieratám. Aj keď sa rôzne experimentálne výsledky ukazujú na malých rybách, ak sa to isté dá ukázať na myšiach, vplyv môže byť väčší u myší.

Na preukázanie zmyslu a hodnoty používania malých rýb sa od výskumných návrhov očakáva, že využijú vlastnosti malých rýb a ich výhody v laboratóriu, ako je opísané v tomto prehľade. Okrem toho by sme nemali zabúdať, že sa pozeráme na ľudské nervy. systém prostredníctvom malých rýb. Nemusí byť jasné, čo znamenajú zmeny v RNA a proteínoch u malých rýb v kontexte ľudských chorôb a porúch, ak venujeme pozornosť iba malým rybám.

To isté platí o význame zmien v morfológii a fyziologických funkciách na úrovni orgánov a význame zmien v správaní získaných prostredníctvom analýzy správania. Význam výsledkov získaných z malých rýb bude zrejmý, keď sa výsledky prepoja s cicavčími modelmi zvierat, ako sú myši, a potom s analýzou ľudí. Ak je možné vytvoriť takýto vzťah medzi malými rybami a inými vzorkami, tieto ryby sa môžu stať čoraz silnejšími a užitočnejšími nástrojmi na riešenie ľudských neurologických porúch.

Príspevky autora: HM a KK napísali rukopis. Všetci autori si prečítali publikovanú verziu rukopisu a súhlasili s ňou.

Financovanie: Táto práca bola podporená grantmi od AMED (Grant Numbers JP19gm6110028 and JP19dm0107154 (HM)), Takeda Science Foundation (HM), JSPS KAKENHI (Grant NumbersJP 14516799 (HM), JP 166900 a J4HMP71HM) a JST [Moonshot R&D] [GrantNumber JPMJMS2024] (HM).

Vyhlásenie inštitucionálnej revíznej rady: Neuplatňuje sa.

Vyhlásenie o informovanom súhlase: Neuplatňuje sa.

Vyhlásenie o dostupnosti údajov: Údaje a nástroje opísané v tomto rukopise sú k dispozícii na požiadanie.

Poďakovanie: Ďakujeme Shinano Kobayashi a Noriko Matsui za účasť na užitočných diskusiách a poskytovanie nepretržitej podpory. Uznávame Ai Ito za jej prácu na ilustráciách.

Konflikty záujmov: Autori nevyhlasujú žiadny konflikt záujmov.

Referencie

1. Delomas, TA; Dabrowski, K. Chov lariev zebričiek pri suboptimálnych teplotách. J. Therm. Biol. 2018, 74, 170–173. [CrossRef]

2. Shima, A.; Mitani, H. Medaka ako výskumný organizmus: Minulosť, prítomnosť a budúcnosť. Mech. Dev. 2004, 121, 599-604. [CrossRef]

3. Kirchmaier, S.; Naruse, K.; Wittbrodt, J.; Loosli, F. Genomický a genetický súbor nástrojov medaka teleosta (Oryzias latipes). Genetika2015, 199, 905–918. [CrossRef]

4. Reichard, M.; Poláčik, M.; Sedláček, O. Rozšírenie, farebný polymorfizmus a biotopové využitie halančíka afrického Nothobranchiusfurzeri, stavovca s najkratšou dĺžkou života. J. Fish. Biol. 2009, 74, 198–212. [CrossRef]

5. Dodzian, J.; Kean, S.; Seidel, J.; Valenzano, DR Protokol pre laboratórne umiestnenie halúzky tyrkysovej (Nothobranchius furzeri).J. Vis. Exp. 2018, 134, 57073. [CrossRef]

6. Valenzano, DR; Benayoun, BA; Singh, PP; Zhang, E.; Etter, PD; Hu, CK; Clément-Ziza, M.; Willemsen, D.; Cui, R.; Harel, I.; a kol. Africký tyrkysový genóm killifish poskytuje pohľad na evolúciu a genetickú architektúru životnosti. Cela 2015,163, 1539–1554. [CrossRef]

7. Poeschla, M.; Valenzano, DR Tyrkysový halančík: Geneticky ovládateľný model pre štúdium starnutia. J. Exp. Biol. 2020, 223 (Suppl. 1), jeb209296. [CrossRef]

8. Lowery, LA; Sive, H. Počiatočná tvorba mozgových komôr zebrafish nastáva nezávisle od obehu a vyžaduje génové produkty nagie oko a hadia hlava/atp1a1a.1. Vývoj 2005, 132, 2057–2067. [CrossRef]

9. Holzschuh, J.; Ryu, S.; Aberger, F.; Driever, W. Expresia dopamínového transportéra odlišuje dopamínergné neuróny od iných katecholaminergných neurónov vo vyvíjajúcom sa embryu zebričky. Mech. Dev. 2001, 101, 237-243. [CrossRef]

10. Tay, TL; Ronneberger, O.; Ryu, S.; Nitschke, R.; Driever, W. Komplexná analýza katecholaminergnej projekcie odhaľuje integráciu jedného neurónu vzostupných a zostupných dopaminergných systémov zebričiek. Nat. komun. 2011, 2, 171. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com