編者按
當前，在功能性食品、化妝品及生命科學等研究領(lǐng)域，斑馬魚兼具胚胎透明、發(fā)育迅速、與人類基因同源性高達87%，且具有高通量、操作便利、成本低等特性，能完整呈現(xiàn)產(chǎn)品吸收、分布、代謝、排泄等全過程，有效適配多種研究技術(shù)，因此，正成為一個越來越“能打”的科研必備工具。與此同時，隨著轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組等多組學技術(shù)的快速發(fā)展，以及基因編輯技術(shù)、AI機器學習、分子對接、單細胞測序等的成熟，斑馬魚研究已從單一表型觀察邁入多維度、系統(tǒng)性的機制解析時代。
那么，如何用斑馬魚+多組學發(fā)高分文章？本期，我們一起來探究斑馬魚+多組學研究思路的進階指南，看看如何完成從低分到高分的思路升級路徑——
01、斑馬魚研究三步曲
一、疾病建模+表型篩選：從“看見”到“高通量發(fā)現(xiàn)”體系
基于斑馬魚開展疾病建模+表型篩選研究，這是最基礎(chǔ)的研究范式，但也是所有高級研究的起點。這一范式一般可發(fā)表IF2-5分的研究文章，其重點在于建立穩(wěn)定的斑馬魚模型并開展表型篩選。
在斑馬魚疾病建模方面，有靈活多樣的策略，主要分為斑馬魚疾病模型、物理損傷模型和化學暴露模型等——
1. 斑馬魚疾病模型：利用斑馬魚基因編輯技術(shù)，構(gòu)建罕見病、腫瘤等各類疾病模型，不僅可以在斑馬魚中實現(xiàn)相關(guān)的基因敲除或敲入，來有效模擬人類罕見病或遺傳疾病，快速驗證各類疾病候選基因的功能，并揭示發(fā)病機制，也可以快速測試大量化合物對疾病表型的影響，篩選出潛在的治療藥物。例如，在巴氏綜合征研究中，通過敲除或抑制ABHD18基因，緩解了斑馬魚模型中的線粒體功能障礙，為基因治療提供了新靶點；通過編輯MED14基因，發(fā)現(xiàn)其與VACTERL綜合征的關(guān)聯(lián)，為罕見病的分子診斷提供了新線索。
圖2
2. 斑馬魚物理損傷相關(guān)模型：通過構(gòu)建斑馬魚尾鰭切斷、脊髓橫斷、創(chuàng)傷性腦損傷等模型，可以利用物理手段對斑馬魚進行損傷，為研究組織再生、炎癥與免疫研究、藥物篩選與評價、毒理學研究等提供了有力的支持。已有研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚的免疫系統(tǒng)能精準識別損傷信號，通過釋放il-1β、tnf-α等炎癥因子來調(diào)節(jié)炎癥進程，促進組織修復(fù)，為研究炎癥與再生的相互作用提供了重要線索。
3. 斑馬魚化學暴露相關(guān)模型：通過構(gòu)建斑馬魚急性毒性、亞慢性毒性、慢性毒性、發(fā)育毒性與致畸性評價、神經(jīng)毒性、免疫毒性、生殖毒性等模型，來觀察化學物質(zhì)對斑馬魚體重、體長、死亡率及器官病理變化等的影響，評估化學物質(zhì)的發(fā)育、神經(jīng)、內(nèi)分泌等多系統(tǒng)毒性，為化學物質(zhì)毒性評估、機制研究及環(huán)境健康風險預(yù)測提供了重要工具。例如，已有研究系統(tǒng)闡明了53種化學物質(zhì)對斑馬魚胚胎胰腺功能的影響機制，揭示了不同化學物質(zhì)對胰腺發(fā)育、糖調(diào)節(jié)和疾病相關(guān)通路的獨特影響。
此外，在表型篩選方面，借助斑馬魚胚胎透明等特性，可進行心臟形態(tài)、體節(jié)發(fā)育、色素沉著等形態(tài)學的高通量評價；借助環(huán)特實驗室等研發(fā)的斑馬魚高通量行為分析系統(tǒng)、斑馬魚全景成像系統(tǒng)、斑馬魚高通量工作站、斑馬魚高通量2D行為分析系統(tǒng)及斑馬魚成幼魚3D行為分析系統(tǒng)等，可用于斑馬魚成魚/幼魚神經(jīng)疾病、運動能力等相關(guān)行為實驗運動軌跡追蹤、數(shù)據(jù)采集，開展前沿科學研究。
二、基因功能+信號通路解析：從“相關(guān)性”到“深入機制驗證”
當有了明確的斑馬魚表型，下一步就是回答“為什么”。斑馬魚作為研究基因功能的理想平臺，其優(yōu)勢在于時空特異性的操作與多維表型檢測；在此基礎(chǔ)上，引入單細胞測序和空間轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)加持，研究者能夠解析斑馬魚腦、肝、腎等器官的細胞圖譜，發(fā)現(xiàn)新的細胞亞群并追蹤細胞命運轉(zhuǎn)變。這一范式一般可發(fā)表IF5-8分的研究文章，核心是把組學數(shù)據(jù)與斑馬魚功能驗證形成閉環(huán)。
其中，斑馬魚在基因功能解析上的相關(guān)研究可以實現(xiàn)——
1.組織特異性基因功能解析：利用組織特異性啟動子驅(qū)動Cre重組酶或CRISPR/Cas9系統(tǒng)，并結(jié)合斑馬魚成像技術(shù)，精確揭示基因在發(fā)育或疾病中的時空動態(tài)；
2. 細胞移植實驗：通過將突變體細胞移植到野生型宿主，區(qū)分細胞自主與非自主效應(yīng)；
3. 藥理學與遺傳學結(jié)合：在特定遺傳背景下，可以使用小分子抑制劑或激動劑，來驗證mTOR等信號通路的功能；
4. 反向遺傳篩選：以行為表型為起點，篩選異常個體，再通過全基因組測序或轉(zhuǎn)錄組分析反向鑒定關(guān)鍵基因。
圖3
三、藥物/產(chǎn)品篩選 + 安全性評價：從“經(jīng)驗嘗試”到“高通量篩選評價”
斑馬魚作為高通量篩選模型，結(jié)合了低成本、高效率和生理相關(guān)性等優(yōu)勢，在藥物研發(fā)、毒性評估、功能性食品開發(fā)、環(huán)境毒理學等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是連接體外實驗和哺乳動物模型的重要橋梁，并經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的“經(jīng)驗嘗試”到“高通量篩選評價”的演變。這一范式一般可發(fā)表IF8-12分的研究文章，關(guān)鍵是通過整合多組學數(shù)據(jù)，構(gòu)建“化學暴露 → 分子網(wǎng)絡(luò)擾動 → 宏觀行為/發(fā)育表型”的完整研究鏈。
早期依賴人工觀察和經(jīng)驗判斷，通過少量樣本進行初步評估，缺乏標準化流程和量化指標；隨著AI、基因編輯、斑馬魚成像等新技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究開始關(guān)注藥物及產(chǎn)品作用機制、毒性通路等，不僅可以實現(xiàn)大規(guī)模、快速、精準的藥物及化妝品/功能性食品及其原料的篩選、功效與安全性評價，大幅提高篩選效率，降低研發(fā)成本，也能更準確地預(yù)測其在人體中的效果和安全性，加速藥物/產(chǎn)品從實驗室到臨床的轉(zhuǎn)化。已有化妝品品牌和原料商，基于斑馬魚模型評估護膚品對呼吸道粘膜的刺激性。
其中，斑馬魚在產(chǎn)品研發(fā)與評價的研究過程中，可以實現(xiàn)——
1. 高通量篩選：將斑馬魚胚胎陣列式暴露于化合物庫或中藥提取物，利用斑馬魚自動化成像技術(shù)、CMap數(shù)據(jù)庫等，來篩選抗腫瘤、抗炎、神經(jīng)保護等藥物活性成分，通過檢測胚胎或幼魚的形態(tài)、行為、基因表達等變化，快速識別有效化合物，并評估其功效或安全。例如，已有研究依托斑馬魚高通量篩選模型，從近4000種天然產(chǎn)物中快速篩選出中藥來源的秦皮素等高效解毒成分，首次揭示其通過調(diào)控p53-FoxO信號通路發(fā)揮解毒作用，并搭建了“斑馬魚模型+天然產(chǎn)物”的快速轉(zhuǎn)化體系，成果登頂工程領(lǐng)域頂刊《Engineering》。
2. 毒性評估及環(huán)境毒理學研究：可以利用斑馬魚評估化學物質(zhì)、藥物、納米材料等的急性毒性、發(fā)育毒性、神經(jīng)毒性等，通過LC50、畸形率、行為異常等指標判斷毒性強度；也可以利用斑馬魚來檢測農(nóng)藥、重金屬、內(nèi)分泌干擾物等環(huán)境污染物對生物體的影響，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學、行為學等分析評估環(huán)境風險。其分層研究策略一般可以先做急性暴露測致死率，再做亞急性或慢性暴露，系統(tǒng)評價其發(fā)育毒性、神經(jīng)毒性、內(nèi)分泌干擾等。
3. 功能性食品及化妝品篩選評價：斑馬魚模型可快速篩選功能性多糖、植物提取物等功能性食品中的活性成分對免疫調(diào)節(jié)、代謝穩(wěn)態(tài)、腸道健康等的作用，加速功能性食品的研發(fā)進程，也可以用于評估化妝品的祛斑、美白、抗氧化等功效。
圖4
02、高分必備：多組學整合研究
近年來，通過斑馬魚結(jié)合基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等，開展多組學整合研究，已成為高分研究文章的標配。利用主成分分析（PCA）、聚類分析等方法，將不同組學數(shù)據(jù)降維和關(guān)聯(lián)，并結(jié)合斑馬魚、細胞實驗、大小鼠、類器官模型等，不僅可以提升研究的深度和廣度，可以揭示從基因到表型的完整調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，彌補單一組學分析的局限性，而且，多組學數(shù)據(jù)相互驗證，可以增強研究結(jié)果的可靠性，發(fā)現(xiàn)單一組學難以捕捉的復(fù)雜機制，為科學研究提供了有力支持。
圖5
1. 多組學研究用于疾病機制研究：如阿爾茨海默病研究中，整合轉(zhuǎn)錄組、代謝組和微生物組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)腸道菌群-代謝物-腦軸在疾病中的作用，為治療提供新靶點；
2. 多組學研究用于腫瘤免疫治療：結(jié)合單細胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，構(gòu)建腫瘤微環(huán)境模型，預(yù)測免疫治療響應(yīng)，指導(dǎo)個性化治療；
3. 多組學研究用于神經(jīng)科學研究：通過基因組、表觀組和轉(zhuǎn)錄組整合，揭示神經(jīng)干細胞分化調(diào)控機制，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療提供理論支持。
當然，想要發(fā)表高分文章最關(guān)鍵的是，要具備創(chuàng)新性、嚴謹性及臨床或應(yīng)用價值。比如，提出新的多組學整合方法或發(fā)現(xiàn)獨特的生物學機制，突破傳統(tǒng)研究框架，并通過嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、合理的統(tǒng)計分析和充分的實驗驗證，確保研究結(jié)果的科學性，可以對疾病診斷、治療或生物技術(shù)領(lǐng)域具有實際意義，推動科學研究的發(fā)展。
近年來，作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務(wù)開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，環(huán)特生物自主建立了以細胞、類器官、斑馬魚、哺乳動物、皮膚外植體和人體臨床為特色的多維生物技術(shù)解決方案，可以開展健康美麗CRO服務(wù)、科研服務(wù)、智慧實驗室搭建三大業(yè)務(wù)，助力斑馬魚+多組學研究，歡迎來電咨詢——173 6453 1293遲先生！