前言
许多进入临床应用或临床试验的药物都起源于斑马鱼,然而至今为止,这种小动物却鲜有人知。由于斑马鱼的疾病特征、病因和进展以及分子机制与临床相关且高度保守,斑马鱼在发育生物学方面的贡献已得到公认,并已成为人类疾病的一个强有力的临床前模型。在生理相关剂量范围内,斑马鱼对药物分子的反应与人类高度一致,复杂的基因编辑技术加上实时高分辨率成像可以观察到药物分子在斑马鱼疾病模型中前所未有的分子细节。至关重要的是,以斑马鱼为模型的疾病通常代表人类疾病的真实模型,可捕捉疾病的病因、进展和解决过程。以此用来进行活体药物筛选、药理药效评价、安全性评价和药物代谢动力学非常高效且成本低廉。斑马鱼模型在国外已经被多家大型制药企业广泛使用于早期药物发现。在此我们将讨论斑马鱼如何成为药物发现的重要模型以及在医学发现中斑马鱼的巨大商业化潜力。
斑马鱼(Danio rerio)因其身上的条纹而得名,是小型(2-5厘米)热带淡水鱼,生活在亚洲南部的河流中。40年前,斑马鱼作为发育生物学模式动物进入了实验室环境。斑马鱼与人类基因同源性达87%(小鼠与人类基因同源性为90%),由于其具有易饲养、繁殖力强、发育快、受精卵透明易观察等特点,现已成为在全世界范围内被广泛应用的脊椎实验动物。
复杂的基因编辑加上实时高分辨率成像,可以前所未有的分子细节和分辨率对疾病发展过程进行捕捉以及疾病的建模。至关重要的是,对斑马鱼进行精确的基因编辑可以生成人类疾病等位基因的模型,在斑马鱼身上建模的疾病通常代表了人类疾病的真实模型,捕捉了疾病的病因学、进展和解决过程,广泛应用于各种癌症、遗传病、肝脏疾病、心脑血管疾病、血液疾病、心脏病、行为障碍、中枢神经系统疾病等等。
人类和斑马鱼之间的疾病蛋白和发病过程是保守的,这意味着在人体内发挥活性的药物分子通常在斑马鱼体内有相同的靶标,特别是与靶蛋白活性区域相互作用的药物,这在针对癌症以及遗传病途径设计的药物中尤其显著,比如MEK抑制剂等靶向疗法;以及日常常备药物如对乙酰氨基酚、5 -羟色胺调节剂;当然,也存在在斑马鱼体内有效但在人体内无效或者在人体内有效但在斑马鱼中无效的现象,这需要在药物发现阶段运用多个模型互相验证。但总的来说,在斑马鱼体内呈现生物活性的药物分子在小鼠和人体系统中也具有同样的药物特性。最近,小分子药物筛选除了在胚胎时期进行,也已经在成年鱼身上大规模进行,体内筛选的能力加上表型与人类疾病的相关性,使斑马鱼成为全动物化学遗传学和药物发现的主要模式动物。
斑马鱼作为模型系统的优点可以应用于胚胎和成年阶段的人类疾病和药物治疗模型。数百个透明的斑马鱼胚胎很容易进行基因编辑、转基因和药物筛选。在这些胚胎阶段,器官和组织的生物学功能可以遵循活体动物的单细胞分辨率,以研究各种复杂的过程,包括发育生物学、发育疾病模型、干细胞和再生、神经回路和行为。
这篇发表于Nat Rev Drug Discov的综述由爱丁堡大学、哈佛大学、麻省综合研究所、麻省总医院、哈佛干细胞研究所联袂推出,讨论了利用斑马鱼建立疾病模型的最新进展,强调了这种模式动物在药物发现、探索药物机制方面的潜力和作为临床前药物的全动物模型的实用性。
一、斑马鱼表型药物筛选
药物发现的一个基本挑战是显示其有效性和理解在活体全动物系统中的作用机制。尽管许多化合物和药物先导药物在体外筛选或细胞系统中都有活性, 但到了人体则失败率极高,可见体外筛选有非常大的偏差。药物发现成功率51%,临床前研究成功率31.8%,进入临床则成功率陡降至19.3%,现有的体外筛选模型在人体上的疗效或安全性不佳导致药物研发失败(数据来源:观研天下),致使药物研发长周期、高风险、高投入。
斑马鱼模型是药物发现“体内筛选”模式动物,在快速提供精准药效、药理结果的同时,在初筛阶段即可对先导化合物的吸收、分布、代谢、毒性进行早期评价,实现“早期失败,早期淘汰”,避免将可能失败的候选药物带入后期研发,极大地节省了时间和成本。
通过斑马鱼模型可了解药物在器官、组织和身体远端部位疾病的背景下如何发挥作用,在疾病发生和治疗阶段监测药理反应,并评估药物引起的不良反应。
01 斑马鱼模式动物的表型分析
表型药物筛选是药物发现的历史基础,随着靶向药物发现的成功,表型药物筛选再次出现。表型筛选过程的内在特征包括:即使药物或先导化合物通过靶向多个靶点产生了预期的表型结果,它们也可以被斑马鱼模式动物识别。例如,激酶抑制剂可以通过靶向多种激酶产生治疗效果。
斑马鱼胚胎的小尺寸意味着可以筛选成千上万的活体胚胎的表型效应,尽管表型斑马鱼筛选方法不如细胞、酵母或酶体外活性测试的通量高,但斑马鱼胚胎的筛选规模远远超过所有其他脊椎动物系统中可用的规模。小分子化合物能被斑马鱼胚胎从水中直接吸收、通过鳃被成鱼吸收、或者灌胃给药吸收。
大多数体外高通量药物筛选的目标是确定具有单一靶点的高选择性药物,然而,许多药物作用于多个靶点,影响多个生物学途径。药物或小分子与多个靶点结合的能力——多向药理学,正被纳入药物设计,以有目的地开发针对“协同靶点组合”的药物。例如用于治疗II型多发性内分泌瘤的AD57,就是一个具备多向药理学特性的抗癌候选药物。II型多发性内分泌瘤是由激活编码受体酪氨酸激酶超家族、原癌基因Ret的基因突变引起的,AD57对肿瘤患者生存期的影响是通过抑制Ret、Raf、Src和S6K几种激酶介导的,而毒性是通过抑制Tor引起的,通过合理的化学设计,设计出无Tor抑制活性但提高了Ret、Raf、Src、S6K抑制活性的候选药物,提高了对II型多发性内分泌瘤的疗效并降低了毒性。
在斑马鱼中,多维表型是指化学物质诱导的表型可以帮助科学家识别并追踪该化合物的多个靶点。例如,基于斑马鱼与其他铜螯合剂和MEK抑制剂的共同表型和酵母化学-遗传特征,确定了MEK抑制剂U0126既是铜螯合剂又是MEK抑制剂。
斑马鱼筛选也开始纳入多靶点药物的机制研究,这在基于行为的大规模表型筛选中特别有效。例如,科学家分析了结构多样化的化合物和相关的斑马鱼行为特征,以识别具有复杂的多向药理学机制的化合物,如氟哌啶醇,证明其通过多个靶点机制提供抗精神病作用。
对于某些药物,斑马鱼在人体上的重现效果比在小鼠模型上更好。沙利度胺的情况就是很好的例子:这种药物被用来治疗孕妇的恶心症状,但导致数千名未出生的婴儿出现出生缺陷。在小鼠实验中,沙利度胺没有引起任何缺陷,然而在斑马鱼实验中,沙利度胺会导致与人类相同的肢体形态缺陷。在这两个物种中,沙利度胺结合并激活E3泛素连接酶CUL4-RBX1-DDB1-CRBN(被称为CRL4),通过斑马鱼模式动物对沙利度胺作用靶点的了解解释了该药对发育中的胎儿的严重影响,并使沙利度胺在新适应症(骨髓瘤)上起死回生。
02 全动物综合生理学
斑马鱼与人类有着几乎相同的组织发育和内稳态,包括血液、肌肉、心脏、肝脏、胰腺、脾脏、肠道、肾脏、骨骼、脂肪以及神经元和神经嵴谱系等的发育。
药物可以在斑马鱼中进行活体筛选,筛选药效的同时提供了关于化合物的吸收、分布、代谢、排泄、毒性(ADME-tox)的性质。在目标组织中建立化合物活性谱,同时测试对其他组织的影响可以整合到迭代化学中以进行化合物开发和特异性研究。该方法提供了有关药物或药物组合药理药效和常见副作用的重要信息,包括因严重毒性而被限制应用的救命药物。例如,多柔比星是一种拓扑异构酶II抑制剂,在杀死癌细胞方面非常有效,但伴随心脏毒性和心力衰竭的巨大风险。这些相同的心脏毒性在斑马鱼中均能观察到,通过药物筛选发现了预防多柔比星诱导的心肌病的治疗方案,发现了天然产物甲氧呋豆素,它可以在不改变多柔比星对癌细胞的细胞毒性的情况下预防心肌病。最近,这一综合生理学的潜力得到了进一步开发,利用斑马鱼识别能够防止顺铂剂量限制毒性的化合物。顺铂是一种常见的广谱化疗药物,可导致肾损伤和耳聋。通过对肾脏和侧线细胞进行双管齐下的毒性反筛选试验,发现多巴胺及其相关的调节因子具有耳保护作用,在不影响顺铂诱导神经母细胞瘤或口腔鳞状细胞癌细胞死亡的情况下,具有肾保护作用。可见,斑马鱼模式动物在联合用药方案中起到了至关重要的作用。
03 药物筛选
最早的斑马鱼药物筛选仅仅是基于斑马鱼胚胎的发育表型,这一强有力的方法鉴定了世界上第一个骨形态发生蛋白(BMP)抑制剂,目前正在进行临床试验。斑马鱼系统跨越了整个药物研发过程,从发现阶段的高通量筛选到用于治疗的临床前药理、药效、安评模型。斑马鱼模型将成为药物发现和药物应用的临床前平台。人类基因数据与斑马鱼模型相结合,已经筛选出治疗淋巴异常和动静脉畸形患者的MAPK抑制剂,在Dravet综合征中筛选到clemizole和lorcaserin,并均已经进入临床II期试验阶段。斑马鱼药物筛选和疾病模型已经使斑马鱼在药物发现和开发管线中站稳脚跟,并使斑马鱼能够为未来的治疗做出更重要的贡献。目前,斑马鱼模型可以覆盖多种疾病类型,包括肿瘤、遗传病、心脑血管疾病、血液疾病、中枢神经系统疾病、皮肤病和美容、再生医学与器官再造、肝脏疾病、心脏病、骨骼疾病、行为障碍等。除此之外还在化妆品、保健食品、食品安全、环境监测中广泛应用,这些应用不列入本次综述的讨论。
化合物可以在时间上有条件地影响斑马鱼发育路径,而且表型是剂量依赖的。在不同发展阶段添加化合物可观察其对特定发育或疾病某一时间窗内的生理活性,观察药物如何随着时间的推移,在整个斑马鱼的生命周期中改变细胞和组织生理学,并提供了化合物对器官间生理、脱靶或毒性作用的证据,以提高先导药物筛选的命中率,并减少假阴性的数量。
全动物斑马鱼筛选试验能够在单细胞分辨率下对器官和组织的药物活性进行深度表型分析。全面的筛选提供了捕获发育生物学、细胞增殖、癌症、感染和免疫、行为和毒性等动态的多种分析。例如,通过使用抗体(如磷酸化组蛋白- h3抗体)筛选可以在发育胚胎的单细胞水平上跟踪蛋白质的表达或在采用整体荧光原位杂交(如crestin RNA表达)跟踪基因表达;还可以利用斑马鱼从干细胞群体中再生组织的非凡能力进行干细胞药物筛选,包括毛囊细胞的再生、色素细胞再生、骨骼和脊髓再生等等。
通过斑马鱼模式动物筛选的药物已经有多种,但是这个方法却不被国内所熟知。维渡纵横列举一部分通过斑马鱼模式动物筛选而发现的新药案例:
荧光报告系统
在药物筛选中,单细胞和组织也可以使用荧光报告系统在活体胚胎中筛选。例如,使用基因荧光定量表达作为读取器对胰腺β细胞的调节因子进行筛选,发现了组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂的全新分子,可以降低斑马鱼的葡萄糖水平甚至在高血糖的情况下,这些抑制剂被证明在小鼠和人类β细胞模型中具有同样的功能。
共聚焦显微镜扫描
使用荧光报告分析进行高通量筛选,通过低分辨率显微镜或平板阅读器即可完成,算然这限制了筛选试验的细胞分辨率,但是自动化、高分辨率的胚胎活体药物筛选图像分析平台已经解决了这个问题。这个平台被用来筛选调节髓鞘化少突胶质细胞的小分子药物,这些小分子药物对轴突绝缘和支持中枢神经系统至关重要。在这个装置中,斑马鱼胚胎被自动从液体中的多孔板中取出,并通过旋转的薄壁玻璃毛细管拉出,被旋转圆盘共聚焦显微镜扫描,这种方法不损害胚胎,使高通量、复杂、深度表型机制的药物在体内筛选更容易。
可见表型筛选
筛选可见表型也可以用于复杂的心血管生物学和相关疾病。斑马鱼的心脏清晰可见,在发育48小时内血液循环活跃。斑马鱼幼体可表现出心血管疾病的关键指标,包括心肌病、心律失常和血管生成改变。这些特征使得对斑马鱼进行脊椎动物全器官功能的药物筛选成为可能。心血管疾病是全球主要的死亡原因之一,目前心血管药物的发现呈下降趋势,斑马鱼药物筛选有可能揭示新的、意想不到的心血管生物学和治疗药物线索。
斑马鱼的肝脏疾病与人类的疾病相似,甚至在胚胎阶段也是如此,斑马鱼胚胎的透明特性实现了肝脏功能的动态读数。斑马鱼肝脏疾病模型扩展到对乙酰氨基酚引起的毒性,这是药物性肝毒性最常见的原因之一。通过对斑马鱼胚胎的小分子筛选,发现前列腺素E2(PGE2)和n -乙酰半胱氨酸(n - acetyl半胱氨酸)可以降低胚胎和成人对乙酰氨基酚肝毒性。
斑马鱼胚胎在发育3天后就开始游动,快速发育的数百个自由游动的斑马鱼胚胎为观察复杂的斑马鱼行为提供了巨大机会。斑马鱼具有进化保守的动机和决策神经网络,其行为分析是表型分析之一,而这些都可以用高速相机大规模捕捉到。斑马鱼和人类的神经药理学高度类似,已经确定了100种余种斑马鱼胚胎行为是和人类行为一致的,可以作为中枢神经系统药物筛选平台,包括精神障碍、睡眠-觉醒周期、抑郁和焦虑、癫痫和神经退行性疾病、帕金森、阿尔兹海默症等。
可见表型结合荧光报告系统
表型分析可以与斑马鱼的荧光报告分析相结合。最近,一项利用斑马鱼胚胎荧光报告基因和可见表型筛选昼夜节律调控分子的研究发现了非甾体抗炎药 (NSAIDs) 和糖皮质激素类药物,对炎症药物如何改变控制日常生理和代谢健康的昼夜节律产生影响。值得注意的是,抗炎和促炎化合物的作用在细胞培养中是不存在的,斑马鱼胚胎在这个复杂的生物过程中展现了前所未有的优势。
用于斑马鱼表型分析的药物筛选方法举例
荧光原位杂交(FISH)、免疫组织化学(IHC)或组织特异性荧光转基因表达可用于鉴定在胚胎、幼虫和成年斑马鱼中消融特定细胞类型(包括癌细胞)的药物。致敏筛选使用遗传突变动物或者是出现给药后表型的逆转。在所提供的例子中,当通过全安装末端脱氧核苷酸转移酶dUTP缺口末端标记(TUNEL)评估时,可以鉴定出使p53缺陷胚胎对辐射诱导的细胞杀伤敏感的小分子。闪电表示DNA受损,如辐射。可以使用转基因方法,其中荧光蛋白在由特定分子途径激活的基因启动子的控制下表达。例子中,DUSP6是RAS途径活性的一个众所周知的靶标,可用于鉴定该途径中的抑制药物。
二、从斑马鱼到人类疾病治疗
在过去的15年里,斑马鱼的化学生物学进展迅速。药物筛选的许多最初的障碍已经得到解决。药物发现科学家与临床科学家、药物化学家、制药业将紧密互动,将化合物从实验室转移到临床应用,将开启斑马鱼模式动物药物发现时代的新纪元。
01 药物发现高通量筛选
斑马鱼的高通量药物筛选多选用斑马鱼胚胎模型。科学家将斑马鱼胚胎排列到多孔板中,每个孔包含不同的化合物或者化合物组合或中药提取物。斑马鱼胚胎可以在生理药物浓度下主动吸收上述分子,通过荧光报告基因或其他表型分析来筛选起作用的化合物,即先导化合物。确定了先导化合物后,可以通过斑马鱼模型评估药效药理、毒性反应、吸收、分布、代谢、排泄,并通过斑马鱼胚胎构效关系分析 (SAR) 快速优化先导化合物的衍生物,获得最优的候选药物。候选药物通过转基因小鼠模型或异种移植模型进行体内研究,再配合比格犬、猴子等模式动物研究结果,候选药物进入人体临床试验,通过临床I期、临床II期、临床III期后成为真正的药品上市销售。
斑马鱼的药物发现到临床优化过程
02 靶标确证和作用机制研究
表型筛选的优点之一是药物的分子靶标不需要已知,也不需要假设其在疾病中的作用。对于靶标未知的化合物,确定其作用机制的一种技术是将药物诱导的表型与已知的基因诱导表型进行比较,确证靶标和该药物的作用机制。斑马鱼模型被用于追踪或发现药物靶标据有独特的天然优势。
例如,2021年12月7日,同济大学宋建人团队在Nature Communications杂志上以题目“An injury-induced serotonergic neuron subpopulation contributes to axon regrowth and function restoration after spinal cord injury in zebrafish”发表了研究论文,系统的解析了脊髓中央模式产生器在脊髓损伤后的修复规律,揭示了脊髓内源性的五羟色胺参与的促进神经轴突再生修复的机制,并找到了参与该修复机制的内源性新靶点,为脊髓损伤的基础研究和治疗提供了新的思路。
三、转基因斑马鱼带来的奇迹
转基因斑马鱼的临床前模型最近已成为药物治疗的热点,并创造出了奇迹。
丹尼尔(Daniel)一出生就带着一种罕见遗传病——中枢传导淋巴异常(central conducting lymphatic anomaly, CCLA)。他的腿和肚子肿得像吸了水的海绵,肺部全是液体,难以呼吸,全靠一个氧气瓶活着。2019年,就在费城儿童医院医生Hakon Hakonarson认为丹尼尔只有“等死”的时候,他们发现了疾病的根源。他们对丹尼尔的基因进行了测序,包括产生蛋白质的基因组——外显子组,以及与淋巴异常相关的十几个基因,结果发现只有X染色体上的一个名为ARAF的基因显示不正常。然而,ARAF突变之前从未被发现与淋巴疾病有关。为了证明这一点,Hakonarson想到了已经成为无数遗传学、发育和疾病研究的首选实验动物——斑马鱼。
Hakonarson将这种基因突变通过基因工程改造进斑马鱼体内,等斑马鱼形成和丹尼尔相同的病症时,在斑马鱼身上测试多种药物,如果能发现其中一种药物可以阻止淋巴管的生长,并且该药物能获得联邦卫生部门的许可,那么就可以在儿童患者身上进行尝试。
按照计划,斑马鱼5天内就长成了淋巴系统,并给了一组ARAF突变的斑马鱼10种不同药物。“只要将药物放入水中,这些斑马鱼就能吸收药物。”Seiler说,“不需要像用小鼠模型要一只只注射那么麻烦。”终于他们发现了——trametinib,一种商品名为Mekinist的黑色素瘤药物,研究人员将该药物放入水中,斑马鱼在吸收药物后淋巴管停止扩散,并且没有对其他组织和器官造成伤害。
经FDA批准,费城儿童医院团队给丹尼尔开了 trametinib。奇迹出现了。用药2个月,丹尼尔的呼吸得到改善。服药三个月时,他肺部的液体已经消退,不再需要另外补充氧气,双腿的肿胀也消失了,核磁共振显示他的淋巴管已重塑成接近正常的状态。据STAT报道,这是一种药物首次重塑整个器官系统。
“一项研究可能失败上千次,才成功一次。”Seiler说,“但是在斑马鱼身上测试所显示的结果能够直接用回临床诊疗中,这简直太给力了。”现在14岁的丹尼尔可以打篮球,骑自行车,还帮助教练练足球。
这项研究发表在2019年的《Nature Medicine》杂志上。
除此之外,转基因斑马鱼模型用于T细胞急性淋巴细胞白血病、肝细胞癌、癌症RAS通路等的创新药物已经纷纷进入临床试验研究。
四、斑马鱼移植模型新突破
01 同种/异种肿瘤移植模型
使用幼体和成年鱼的同种/异种移植试验为评估药物在活体动物体内对人类癌症的治疗提供了新机会。
斑马鱼移植模型分为同种异体移植模型、幼鱼的异种移植模型、免疫缺陷鱼的异种移植模型。斑马鱼异种移植模型可以进行癌症药物疗效的临床前测试:可直接移植人类肿瘤移植物至斑马鱼,形成异种移植模型进行药物测试。通过对鱼体内荧光肿瘤的成像,以及对单细胞终点(如细胞周期或药物靶标通路)的高分辨率成像,可以监测药物效应,可以进一步测试其毒性。
随着基因组工程技术的发展,已经培育出缺乏T细胞、B细胞和自然杀伤细胞(NK)的免疫缺陷成年斑马鱼,为“免疫缺陷鱼异种移植模型”提供了基础工具。这些模型的优点包括能够在37°C的环境下饲养鱼类、以临床可实现的方式使用口服灌胃而不是浸泡疗法给药、以及植入足够的细胞使其形成具有与人类患者类似的组织学和长期生长动力学的肿瘤。
2019年,David M.Langenau和Yan Chuan在世界上首次培育出缺乏T细胞、B细胞、NK细胞但仍能存活到成年的复合突变斑马鱼,可以稳定地移植多种人类癌症,包括黑色素瘤、三阴性乳腺癌、横纹肌肉瘤等。给横纹肌肉瘤斑马鱼移植模型灌胃给药,发现PARP抑制剂奥拉帕尼联合替莫唑胺是一种新的人类横纹肌肉瘤治疗方法。重要的是,这项工作使用了口服灌胃和给药程序,模拟了临床可以达到的给药频率和血液水平。基于斑马鱼药物发现以及后期在PDX小鼠模型中的验证,该药物组合现在已经进入临床试验(NCT01858168)。
02 干细胞移植
移植是测定造血干细胞(HSCs)体内功能最常用的方法。尽管已经在斑马鱼中开发了各种HSC移植策略,但由于与免疫匹配和预处理毒性相关的挑战,它们并未得到充分利用。为了规避这些限制,Teresa V.Bowman使用HSC缺陷宿主开发了一个简单而强大的移植模型。该测定的简化方法和稳健性将有助于扩大其未来在斑马鱼中进行高通量移植实验的可行性,并将促进造血干细胞生物学的进一步新发现。
五、盘点斑马鱼模式动物CRO
研究显示,国外大药厂包括诺华、礼来、辉瑞、罗氏、赛诺菲、葛兰素史克等均已采用斑马鱼模式动物进行药物发现研究。而当前,专注斑马鱼模式动物的CRO公司还不多,主要有Phylonix Pharmaceuticals、Evotec、Biobide、Zeclinics、环特生物、英创新药、斑马药业、羿晟生物、再本生物,有少量涉及该业务的CRO国内还有南模生物。
公益性质的包括Zebrafish Disease Models Society。
斑马鱼模式动物CRO目前服务内容涵盖小分子药、中药、抗体药、核酸药、基因治疗、化妆品、保健品、食品安全等的全方位服务。从环特生物官网来看,目前服务客户呈现多元化。
六、展望
药物发现仍然是一个昂贵和费力的过程,实验室研发和临床试验之间巨大的科学差距加大了药物开发的难度。鉴于斑马鱼和人类对药物的共同反应,斑马鱼与小鼠、猴子等哺乳动物的临床前预测模型一样强大。斑马鱼和人类共同的药理学使斑马鱼成为药物再利用的重要伙伴,也是发现新分子实体的新兴工具,从而打开了新药开发的崭新的钥匙。
引用资料
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