魚類實驗動物開發(fā)與應(yīng)用研究的認(rèn)識

魚類實驗動物開發(fā)與應(yīng)用研究的認(rèn)識

自20世紀(jì)50年代以來，我國對魚類實驗動物的開發(fā)和應(yīng)用研究取得了巨大成功。中國發(fā)表了一篇關(guān)于這一點的文章，但并不全面。本文根據(jù)國內(nèi)外近20年來有代表性的文獻(xiàn)報道,進(jìn)一步綜述國內(nèi)外特別是國內(nèi)的研究成果,以期廣大同行加深對魚類實驗動物開發(fā)與應(yīng)用研究的認(rèn)識。1非生物模型的應(yīng)用盡管利用低等動物(包括魚類)以及細(xì)胞和組織培養(yǎng)甚至非生物模型在生物醫(yī)學(xué)研究中取得了大量成果,大多數(shù)科學(xué)家還是側(cè)重于利用哺乳動物。然而魚類作為實驗動物卻具有非常多的優(yōu)點,有些是哺乳動物無可替代的。1.1魚類和乳類的比例,我國目前世界上魚類數(shù)量為5.這為選擇和培育適合各種研究用途的實驗動物提供了豐富的自然資源。據(jù)報道,世界上現(xiàn)存魚類有24000余種,約占整個脊椎動物總數(shù)的一半以上,而哺乳類只有4500種左右。有人推測有2萬多種魚可能成為動物模型。1.2選擇適宜的立地條件這樣,同胞個體數(shù)量多,均一性強(qiáng),供實驗選擇的余地大。例如,劍尾魚7個月可達(dá)性成熟;稀有魚句鯽4個月可達(dá)性成熟;紅鯽魚懷卵量多達(dá)8萬粒,且一年多次自然產(chǎn)卵。1.3大卵卵徑大,有利于人工繁殖和基因純化魚類一次產(chǎn)卵數(shù)量多,且是體外受精、體外發(fā)育、卵徑大(如虹鱒卵經(jīng)可達(dá)4000μm),有利于人工繁殖和基因純化。例如,用雌核發(fā)育等技術(shù)較容易培育出魚類近交系,也容易培育出轉(zhuǎn)基因魚。1.4水環(huán)境有利于人工控制魚類飼育設(shè)施管理技術(shù)要求低。魚類生活在水中,水環(huán)境比陸地及空氣環(huán)境更容易人工控制。用魚類作實驗,實驗條件易于模擬和控制,實驗操作和觀察比較方便,實驗結(jié)果也便于統(tǒng)計分析。1.5魚體內(nèi)的黑色素瘤和魚肝胰腺魚類具有的某些獨特的生物學(xué)特性,為一些實驗研究或檢測提供了良好的模型。例如,斑馬魚、青魚將等透明的胚胎為發(fā)育生物學(xué)研究提供了方便;新月魚與劍尾魚的雜交一代自發(fā)產(chǎn)生黑色素瘤已成為探討腫瘤形成的分子機(jī)制的重要模型;魚類產(chǎn)卵及發(fā)育特點使魚類成為基因轉(zhuǎn)移研究的理想材料之一;魚類對某些藥物或毒氣或重金屬十分敏感,是進(jìn)行毒理學(xué)研究特別是水環(huán)境污染檢測的好材料;魚類腫瘤與人類腫瘤近似是實驗?zāi)[瘤學(xué)和環(huán)境致癌物研究的極好材料;魚鰓是研究膜生理學(xué)的極好模型。此外,魚是變溫動物,不需要耗能來維持體溫,魚在水中受到浮力而不需平衡地球引力而耗能,比其它動物耗能少。2魚類實驗動物在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用2.1魚類在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用比較醫(yī)學(xué)研究證明,魚類的器官系統(tǒng)無論在解剖上還是生理上都類似于哺乳動物的器官系統(tǒng),魚類的生物學(xué)性狀完全可以與人類的相應(yīng)性狀類比。因此,魚類不僅應(yīng)用于生物學(xué)研究,也可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究。實際上,魚類作為實驗動物已經(jīng)被廣泛用于胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)、毒理學(xué)、藥理學(xué)、行為科學(xué)、比較病理學(xué)、環(huán)境科學(xué)等實驗研究領(lǐng)域。特別是越來越多地用于急性毒理實驗、評價藥物及化學(xué)品等毒性,用于環(huán)境重金屬污染和農(nóng)藥殺蟲劑污染的監(jiān)測。有人推測,魚類實驗動物的應(yīng)用可能涉及到生物醫(yī)學(xué)研究的一切領(lǐng)域。2.1.1胚胎科學(xué)和發(fā)育生物學(xué)斑馬魚、青魚將、金魚、鯉魚、鳊魚等常用于胚胎學(xué)與發(fā)育生物學(xué)研究。例如用金魚等研究受精與胚胎發(fā)育、細(xì)胞核的發(fā)育潛能等。2.1.2體制多樣性研究在國外,斑馬魚、河豚魚已成為人類基因組研究的有用工具。在國內(nèi),用金魚、鯉魚、叉尾斗魚等開展體色、鱗被等性狀遺傳研究;用金魚、鯉魚、魚房魚、鯽魚等研究細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的遺傳關(guān)系和外源DNA或mRNA在受體細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)與功能。2.1.3斑馬魚種魚作為理想的實驗動物,斑馬魚、青魚將、黑頭呆魚、劍尾魚、新月魚、翻車魚、軟口鰷、稀有魚句鯽等小型魚類常用于毒理學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究。作為毒理學(xué)實驗的標(biāo)準(zhǔn)魚類實驗動物,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISD)推薦使用斑馬魚和軟口魚條,我國國家環(huán)保局也推薦使用斑馬魚。過去我國常使用青、草、鰱、鳙等幼魚?，F(xiàn)在國內(nèi)外除使用斑馬魚、軟口魚條外,也在尋找適合于該方面研究的本地魚類,如青魚將、稀有魚句鯽、劍尾魚翻車魚等。2.1.4魚的病理組織學(xué)模型應(yīng)用魚類研究腫瘤學(xué)已有很多報道,國內(nèi)也有綜述文章發(fā)表。例如,虹鱒肝細(xì)胞瘤和腎母細(xì)胞瘤模型、金魚肝腫瘤和神經(jīng)鞘瘤模型、鲴魚乳頭狀瘤模型、白斑狗魚淋巴瘤模型、劍尾魚和新月魚黑色素瘤模型等。2.1.5藥房例如用斗魚作行為抑制藥物的藥理學(xué)研究;以小型魚類直接投入藥液中來對中草藥進(jìn)行研究。2.1.6對膜心理學(xué)和電生理的研究魚在生理學(xué)研究中曾作過重要貢獻(xiàn),而今的教科書中還引用了一些魚類經(jīng)典實驗。例如,魚鰓、魚腎被用來研究膜生理學(xué);豹蟾魚、美洲魚安魚康、牙鲆的腎小管外植體被用來研究腎小管功能;金魚眼被用來研究視覺器官結(jié)構(gòu)與功能;有靈敏電感覺的鯰魚被用來研究電生理學(xué);鯽魚的M細(xì)胞作為優(yōu)秀模型被用來研究神經(jīng)元突觸生理;用鯉魚建立糖尿病模型;用大馬哈魚的降鈣素治療人類Paget病(變形性骨炎)等。2.1.7魚類免疫研究魚類是開始出現(xiàn)免疫球蛋白的生物,其免疫是比較原始的。用魚類進(jìn)行免疫學(xué)研究,比較容易闡明某些免疫機(jī)制。研究免疫學(xué)的魚類常有鱒魚、鮭魚、鯉魚、鯽魚、羅非魚、草魚、鲴魚、鲇魚、鰈魚、鱸魚等。2.1.8醫(yī)學(xué)研究魚類還可用于水環(huán)境監(jiān)測、藥物及化學(xué)品評價等。此外,魚類也可用于神經(jīng)科學(xué)(如電鰩等)、病理學(xué)、航空醫(yī)學(xué)等研究。總之,魚類是具有全球基礎(chǔ)的重要實驗動物,基本上在生物醫(yī)學(xué)的每一項研究中都能用魚來作為模型,研究人員應(yīng)充分認(rèn)識魚類作為實驗動物在生物醫(yī)學(xué)研究中的潛在作用。2.2紅鯉、銀蚤、黑鯉、麥穗魚據(jù)目前的資料,已用于各類研究的魚種不少于50種。但是最常用的魚類,國外僅有10多種(表1),國內(nèi)也只有10多種(如金魚、鯽魚、鯉魚、斑馬魚、虹鱒、泥鰍、鯰魚、羅非魚、魴魚及四大家魚)。紅鯽、銀鯽、紅鯉、叉尾斗魚、稀有魚句鯽、劍尾魚、麥穗魚等魚類,因其獨特的生物學(xué)特性也可能成為國內(nèi)今后廣泛使用的魚種。魚類作為實驗動物,用于研究、測試和教學(xué)的數(shù)量比通常使用的哺乳類動物要多得多。在美國,1970年使用的魚類約520000尾,1983年多達(dá)約4000000尾(同年使用的大、小鼠分別為3700000只和8500000只)。日本、法國、加拿大等國也大量使用魚類實驗動物,數(shù)量逐年上升且有一個比哺乳動物數(shù)量增多的趨勢。我國沒有這方面的統(tǒng)計資料,估計魚類使用量每年也在10萬尾以上。3魚類養(yǎng)殖技術(shù)魚類遺傳學(xué)研究帶來了養(yǎng)殖魚類品質(zhì)的遺傳改良,也促進(jìn)了用于生物醫(yī)學(xué)研究的魚類實驗動物或模型的培育。許多魚類既是養(yǎng)殖魚類又是實驗動物,如虹鱒、鮭魚、鯉魚等。由于產(chǎn)卵多、體外受精、體外發(fā)育等優(yōu)點,魚類育種繁殖在技術(shù)上更優(yōu)于哺乳類,因而傳統(tǒng)的、現(xiàn)代的各種技術(shù)均被廣泛采用,例如雜交技術(shù)、人工雌核發(fā)育技術(shù)、染色體加倍技術(shù)、核移植技術(shù),細(xì)胞融合技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等。從遺傳角度看,可以說各種類型的魚類實驗動物均已育成,包括某些特殊用途的魚類模型。3.1魚類近交系的生產(chǎn)魚類近交系,在40～50年代就已育成?，F(xiàn)在用各類手段培育的魚類近交系達(dá)100個品系以上,但真正維持下來的數(shù)量卻不多,成為用于實驗研究的標(biāo)準(zhǔn)品系就更少。3.1.1般在法進(jìn)行早期魚類近交系的培育采用全同胞兄妹交配方法進(jìn)行,由于費時一般不再采用。近交達(dá)20代以上的魚類近交系,如虹鱒、光亮擬胎鱒、孤獨擬胎鱒等。國內(nèi)培育劍尾魚近交系已超過7代。3.1.2方遺傳物質(zhì)法60年代發(fā)展起來的人工雌核發(fā)育(包括雄核發(fā)育)技術(shù)被很快用于培育魚類近交系。這種方法是在受精卵水平上進(jìn)行染色體組操作,使雙親一方的遺傳物質(zhì)失活,由另一方的遺傳物質(zhì)經(jīng)加倍而成為雌核或雄核發(fā)育二倍體。用這種方法結(jié)合人工性反轉(zhuǎn)技術(shù)可以很快建立魚類近交系。目前用這種技術(shù)培育的魚類近交系已超過20多種,如虹鱒、斑馬魚、大馬哈魚、鮭魚、鯉魚、泥鰍、鱘魚、鰈魚、金魚、鯽魚、草魚、羅非魚等。國內(nèi)從養(yǎng)殖研究用途出發(fā),70年代以來已先后在草魚、鰱魚、鯉魚、金魚、鯽魚、虹鱒等獲得雌核發(fā)育純合二倍體魚,在泥鰍、草魚等獲得雄核發(fā)育純合二倍體魚。本文作者采用雌核發(fā)育技術(shù)已培育出紅鯽純合二倍體魚(論文待發(fā)表)。3.2國外認(rèn)識的轉(zhuǎn)基因魚模型魚類轉(zhuǎn)基因研究始于我國,并一直處于世界領(lǐng)先水平。1984年我國學(xué)者朱作言等首次建立了轉(zhuǎn)基因魚模型,現(xiàn)在世界各地每年都有轉(zhuǎn)基因魚產(chǎn)生。已育成的轉(zhuǎn)基因魚有鯉魚、斑馬魚、青魚將、鮭魚、鯽魚、泥鰍、草魚等10多種魚類[8,15,19,39,40,41,4],近年,國內(nèi)學(xué)者又在研究把稀有魚句鯽作為轉(zhuǎn)基因模型。3.3其他由于各種育種技術(shù)在魚類的成功應(yīng)用,使得魚類實驗動物培育不斷取得成果。突變系、多倍體、核移植魚等已經(jīng)育成或試驗性育成。3.3.1突變系如斑馬魚、青魚將、金魚等。其中斑馬魚已獲得多達(dá)2000多個突變品系。3.3.2多倍體已育成的三倍體、四倍體魚種類很多。國內(nèi)從70年代中期開始,已在草魚、鰱魚、鯉魚、鯽魚、虹鱒、羅非魚等獲得三倍體或四倍體魚10多種。3.3.3間魚間核移植技術(shù)的研究我國學(xué)者童第周等(1963)建立了魚類細(xì)胞核移植方法,為魚類遠(yuǎn)緣無性雜交開辟了新途徑。此后,國內(nèi)外試驗性地陸續(xù)培育出金魚—魚旁魚皮魚、鯉魚—鯽魚、草魚—團(tuán)頭魴魚、羅非魚—鯉魚等10多種種間核移植魚和種內(nèi)核移植魚。最近,國外學(xué)者用核移植技術(shù)培育出了青魚將克隆魚。此外,封閉群魚,無菌魚等均有報道。4加強(qiáng)研究魚類實驗動物資源,拓展國際視野人類已步入生命科學(xué)的21世紀(jì)。作為生命科學(xué)的基礎(chǔ)和條件,21世紀(jì)的實驗動物科學(xué)將進(jìn)入高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型時代。實驗動物應(yīng)用也將朝著Replacement(替代)、Reduction(減少)、Refinement(優(yōu)化)(即“3R”)方向發(fā)展。魚類實驗動物由于眾多的獨特優(yōu)點,它將成為高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的佼佼者;作為強(qiáng)大的后備軍,它將在生物醫(yī)學(xué)研究中扮演著重要的角色。盡管我國在魚類實驗動物開發(fā)與應(yīng)用研究上已取得了一些成績,但總的水平仍然落后于國際甚遠(yuǎn)。已育成或即將育成的鯉魚、金魚、紅鯽、劍尾魚、稀有魚句鯽等少數(shù)幾種魚類可以稱得上實驗動物,從國外也引進(jìn)了斑馬魚、青魚將、劍尾魚、虹鱒等少數(shù)幾種魚類實驗動物,但均未完全按標(biāo)準(zhǔn)化要求進(jìn)行保種維持。應(yīng)用方面也未得到普遍重視或推廣。針對這種情況,已有一些學(xué)者撰文呼吁加強(qiáng)研究并提出了一些好的建議。好在一些資深專家和政府官員高度重視,國家科委等部門制訂的實驗動物科技發(fā)展“九五”規(guī)劃,也已把包括魚類在內(nèi)的水生動物實驗動物化研究作為重點資助項目之一加以部署?？梢?我國魚類實驗動物開發(fā)與應(yīng)用研究問題不少但前景樂觀。開發(fā)魚類實驗動物資源應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究,是我國的國情需要,我國有自己的優(yōu)勢。例如:①可供開發(fā)的魚類資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計,我國現(xiàn)存魚類有2800余種,約占世界魚類總數(shù)的1/10;其中淡水魚類約有800種。金魚可稱之為我國的國魚。②具有比較系統(tǒng)的魚類繁殖生理學(xué)基礎(chǔ)和成熟的育種繁殖技術(shù)。如四大家魚的人工繁殖、轉(zhuǎn)基因魚培育等。③具有攸久的魚類人工養(yǎng)殖歷史,積累了豐富的養(yǎng)殖經(jīng)驗,如金魚養(yǎng)殖。④具有廣闊的應(yīng)用市場。如環(huán)境保護(hù)、魚類學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)(特別是中草藥)等研究、檢測和教學(xué)等。根據(jù)我國實際,當(dāng)前開發(fā)魚類實驗動物資源的原則可擬為:①人工養(yǎng)殖特別是室內(nèi)人工養(yǎng)殖比