編者按
睡眠在大腦功能和健康中扮演著重要的角色，其深層功能及機制研究一直是科學家們重點關注的領域。斑馬魚的睡眠模式與人類具有相似性，2019年《Nature Communications》雜志上的一項研究表明，斑馬魚睡眠時的大腦活動與哺乳動物的深度慢波睡眠和快速眼動睡眠（REM）類似，因此，已成為理解睡眠現象及開發相關營養保健食品、藥品的關鍵模型生物。
近年來，越來越多的研究者利用斑馬魚開展睡眠研究及應用，并取得了一系列顯著進展，為失眠研究及治療提供了有價值的參考。本期我們分享近期發表的幾篇基于斑馬魚模型開展睡眠作用機制研究的高分成果~~~
01、利用斑馬魚揭示睡眠壓力如何調控神經元突觸數量
文章題目
Sleep pressure modulates single-neuron synapse number in zebrafish
雜志：Nature（IF=69.5）
發表時間：2024年5月1日
作者：Anya Suppermpool, Declan G. Lyons, Elizabeth Broom & Jason Rihel
單位：英國倫敦大學等
文章主題：
睡眠壓力，即隨著清醒時間的延長，大腦和身體對睡眠的需求逐漸增加的一種生理現象。突觸穩態假說（Synaptic Homeostasis Hypothesis，SHY）提出，睡眠是突觸重整的必要時期，它允許大腦恢復和維持其功能，包括學習和記憶的能力。睡眠依賴的突觸穩態是否在不同的神經元類型中運行及如何調節突觸并不清楚。
本研究中，利用斑馬魚模型，通過活體成像技術，觀察了在睡眠和覺醒狀態下，特定神經元上所有興奮性突觸的變化等發現，睡眠壓力能夠在單個神經元層面調節突觸的數量，在覺醒期間突觸數量會增加，而在睡眠期間則會減少。
圖1
在斑馬魚模型中，研究人員進一步實驗揭示了睡眠壓力對突觸損失的顯著影響。研究顯示，在睡眠壓力較高時，如長時間清醒后的睡眠，突觸損失最為顯著，而在未受干擾的夜晚后半段則最低，這表明睡眠不僅是突觸穩態調節的一個必要條件，而且睡眠的質量或深度，特別是與睡眠壓力相關的因素，可能在調節突觸數量方面起著關鍵作用。實驗還發現，在低睡眠壓力期間，通過藥物誘導的睡眠并不足以觸發突觸損失，除非同時提高腺苷水平并抑制去甲腎上腺素信號。
總之，睡眠依賴的突觸喪失受到單個神經元水平上的睡眠壓力的調節，而且并不是所有的睡眠周期都同樣能夠完成突觸穩態的功能，這為理解睡眠如何影響學習和記憶的突觸可塑性提供了新的視角，并對理解睡眠的功能及睡眠障礙如何影響大腦功能和認知性、以及相關神經疾病的研究具有重要意義。
圖2
02、PQQ以ROS調節防止睡眠剝奪引起的斑馬魚神經元DNA損傷
文章題目
Pyrroloquinoline quinone prevents sleep deprivation-induced DNA damage within dorsal pallium neurons of zebrafish via SIRT1-dependent regulation of ROS
雜志：Journal of Functional Foods (IF=5.6)
發表時間：2024年2月15日
作者：胡兵、姚懷桐、沈玥茹等
單位：中國科學技術大學等
文章主題：
睡眠對于具有晝夜節律的動物至關重要，睡眠不足會導致嚴重的病理生理后果，如DNA 損傷和氧化應激。吡咯喹啉醌 (PQQ) 是一種具有抗氧化特性的生物活性食品成分。本研究中，研究人員使用斑馬魚連續游泳范式睡眠剝奪模型來研究PQQ對DNA損傷的影響。
研究人員發現睡眠剝奪后 DNA 損傷和神經元活動都會增加。PQQ 預處理減少了斑馬魚背側大腦皮層的 DNA 損傷。作為一種抗氧化劑，PQQ 可有效抑制 2,2'-偶氮二-2-甲基丙酰胺二鹽酸鹽 (AAPH) 誘導的活性氧 (ROS) 產生和睡眠剝奪，并上調抗氧化基因 sod1 和 gpx4b 的表達。
此外，PQQ 改善了沉默信息調節因子 1 (SIRT1) 表達水平的降低，表明 PQQ 可以通過激活 SIRT1 去除過量的 ROS，從而減少神經元內的 DNA 損傷，本研究表明PQQ具有較強的抗氧化功能，為進一步開發睡眠恢復成分提供思路。
圖1
03、利用斑馬魚開發口服納米抗氧化劑來改善睡眠
文章題目
Oral Nano-antioxidants Improve Sleep by Restoring Intestinal Barrier Integrity and Preventing Systemic Inflammation
雜志：National Science Review(IF=20.6)
發表時間：2023年12月4日
作者：白春禮、王春儒、甄明明等
單位：中國科學院化學研究所納米實驗室、北京分子科學國家實驗室等
文章主題：
睡眠剝奪（sleep deprivation，SD）被認為是一種公共衛生流行病，可引起全身炎癥和神經損傷，并會導致腸道中過量活性氧（ROS）的積累，因此，通過改善腸道環境抑制全身炎癥或建立起腦-腸通信可能成為改善睡眠的潛在策略。
本研究中，利用斑馬魚、小鼠模型開發了一種口服的富勒烯納米抗氧化劑（FNAO），并闡述了其修復腸道屏障和抑制全身炎癥來改善睡眠的分子生物學機制，評價了其改善睡眠的效果，為治療睡眠障礙提供了新的研究思路。研究人員對斑馬魚進行睡眠剝奪實驗發現，FNAO減少了斑馬魚腸道中SD引起的氧化應激和炎癥反應，也改善了睡眠不足斑馬魚的睡眠。
圖1
實驗結果顯示，非SD組（對照組）腸腔形狀規則，腸絨毛結構完整，腸上皮細胞輪廓清晰，而SD組的腸道受到嚴重損害；但在FNAO治療后，腸道的絨毛和上皮結構明顯修復，這說明FNAO可以抑制炎癥，改善腸道環境。
連續喂食FNAO5天后發現，FNAO也明顯改善了斑馬魚的睡眠。進一步分析顯示，與對照組相比，模型組斑馬魚在睡眠剝奪5 天后處于類似失眠的狀態，即ZT0-ZT14的活躍度降低，ZT14-ZT24的睡眠時間減少。而FNAO處理組（SDF）在ZT0-ZT14期間維持正常活躍度，在ZT14-ZT24期間保持睡眠時間充足，且FNAO處理組的幼魚活躍狀態比褪黑素組更接近對照組，這說明富勒烯可能比褪黑素更適合用于改善睡眠。
研究人員還發現FNAO能通過調控巨噬細胞和中性粒細胞的遷移顯著降低睡眠剝奪引起的斑馬魚幼魚腸道的氧化應激和炎癥反應；FNAO還能有效延長睡眠剝奪斑馬魚的壽命。
圖2
04、利用斑馬魚揭示Parp1調節DNA損傷引起的睡眠
文章題目
Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons
雜志：Molecular Cell (IF=17.9)
發表時間：2021年11月18日
作者：Lior Appelbaum教授等
單位：以色列巴伊蘭大學生命科學院多學科腦研究中心等
文章主題：
一直以來，科學家們都很關注睡眠的本質及其對健康的影響。盡管睡眠對維持生理和心理功能至關重要，但對睡眠如何減輕細胞穩態壓力的具體機制仍知之甚少。
本研究中，研究團隊利用斑馬魚、小鼠行為監測，通過細胞和核標記成像揭示了睡眠是如何減輕DNA損傷的，證實了神經元DNA損傷可能是導致睡眠的重要原因，即大腦需要睡眠來促進DNA修復活動，并發現PARP1通路能夠向大腦發出信號，誘導睡眠并進行DNA修復，調節神經元DNA損傷與修復的平衡，這一發現可以解釋睡眠障礙、衰老和神經退行性疾病之間的聯系，為未來開發睡眠障礙相關藥物奠定了基礎。
研究人員通過藥理學、光遺傳學技術等誘導斑馬魚神經元DNA損傷模型后發現，神經元活動和誘變劑能夠誘導DNA損傷，進而觸發睡眠和DNA修復過程。一旦 DNA 損傷積累超過最大閾值時，斑馬魚就會進入睡眠狀態，斑馬魚至少需要 6 個小時的睡眠來修復DNA損傷，如果睡眠時間不足，DNA 損傷就無法被充分修復。
研究團隊還發現，PARP-1在睡眠剝奪后活性增加，且在斑馬魚和小鼠中能夠促進睡眠；PARP-1活性的抑制，減少了依賴睡眠的染色體動態和修復活動，這意味著PARP-1不僅可以感知細胞壓力，還能夠促進睡眠和修復活動，從而減少DNA損傷。PARP1蛋白是大腦感知DNA損傷并驅動睡眠的關鍵因素。
圖1
05、茶葉茶氨酸與酸棗仁水提物的改善睡眠作用的研究
文章題目
茶葉茶氨酸與酸棗仁水提物的改善睡眠作用的研究
雜志：分析檢測
發表時間：2022年12月29日
作者：朱晶晶、焦劼等
單位：上海諾德生物實業有限公司等（環特生物開展斑馬魚實驗）
文章主題：
失眠是目前社會上普遍的睡眠障礙，其中，我國有1/3 以上的成年人存在睡眠障礙。目前，將酸棗仁水提物與天然來源的茶葉茶氨酸聯合使用的研究較少。本研究基于戊四唑誘導建立的斑馬魚失眠模型，以奧沙西泮對陽性對照藥物，分別研究了茶葉茶氨酸和酸棗仁水提物的改善睡眠的作用，也進一步將茶葉茶氨酸和酸棗仁水提物聯用，研究了酸棗仁茶葉茶氨酸復合物的改善睡眠的作用。
方法：利用戊四唑（PTZ）溶液誘導斑馬魚并建立失眠模型后，分別給予不同濃度的茶葉茶氨酸、酸棗仁水提物和酸棗仁茶葉茶氨酸復合物（1∶1）溶液，采用行為分析儀測定給藥后斑馬魚的總運動距離，以總運動距離評價茶葉茶氨酸、酸棗仁水提物和酸棗仁茶葉茶氨酸復合物對PTZ誘導的斑馬魚失眠癥的睡眠改善作用。
結果：62.5μg·mL~(-1)、125.0μg·mL~(-1)和250.0μg·mL~(-1)的酸棗仁水提物對PTZ誘導的失眠斑馬魚的睡眠改善效果分別為40%、89%和109%；在125.0μg·mL~(-1)濃度條件下，茶葉茶氨酸對失眠斑馬魚具有突出的睡眠改善作用，達到了63%，同時，在62.5μg·mL~(-1)和250.0μg·mL~(-1)濃度條件下，茶葉茶氨酸也表現出了較好的睡眠改善作用，分別為30%和29%；此外，250.0μg·mL~(-1)和500.0μg·mL~(-1)的酸棗仁茶葉茶氨酸復合物對失眠斑馬魚也具有顯著的睡眠改善作用，分別為80%和113%。
結論：茶葉茶氨酸、酸棗仁水提物和酸棗仁茶葉茶氨酸復合物都具有一定改善睡眠的作用，可作為睡眠改善輔助治療的功效成分應用于普通食品、保健食品和藥品開發。
作為健康美麗產業CRO服務開拓者與引領者、斑馬魚生物技術的全球領導者，環特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”四位一體的綜合技術服務體系，開展健康美麗CRO服務、科研服務、智慧實驗室搭建三大業務。目前，環特已建立改善睡眠等200多種斑馬魚模型及腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！