熱門實驗動物「斑馬魚」有什麼特性,適合用於基礎科學教育?

熱門實驗動物「斑馬魚」有什麼特性,適合用於基礎科學教育?
Photo Credit: Oregon State University@Wikimedia Commons CC BY-SA 2.0
我們想讓你知道的是

以動物福利的觀點,由於牠們為脊索動物中演化分枝相對較前的物種,且實驗過程通常為發育時期, 斑馬魚相當適合取代當今熱門的高等實驗動物模式,同時不喪失與人類的相似度。

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文:張家騰、劉逸軒(國立臺灣大學動物科學技術學系)

斑馬魚有什麼特性,讓他可以成為標準模式生物?

斑馬魚(Danio rerio)原產於南亞淡水流域,近年來成為熱門的實驗動物模式,可以說是連結無脊椎動物及哺乳動物的橋樑。

斑馬魚屬於脊索動物,牠們的全基因體已經定序完成,其基因型態與人類相似,約有70%的人類基因可以在斑馬魚的基因組找到對應的序列。同時,小鼠約有83% 的對應基因數,而雞只有64%(PMID: 23594743)。而許多人類疾病模式也可以在斑馬魚中建立,例如:先天缺陷、癌變、感染、發炎與傷口癒合、免疫疾病、藥物測試以及遺傳疾病等等,都可以在歷年的研究中找到適合的研究模型(PMID: 17440532)。

雖然以序列相似度而言,斑馬魚遠不及小型哺乳動物與人類相近,但由於斑馬魚在實驗操作上有大量的優點,使得牠們在動物模式選擇上,尤其在胚胎發育以及基因調控的探討,比常見的哺乳動物模式更加適合:首先,斑馬魚為體外受精,因此可以在胚胎一細胞時期時就開始操作基因的調控;另外,斑馬魚卵殼與胚胎幾乎是透明的,相當適合在胚胎發育時進行即時且非侵入式的活體(in vivo)觀察,而輔以螢光蛋白的標定技術,可以輕易地於活體即時追蹤各個細胞的動向;此外,斑馬魚配對一次可產200 顆以上的受精卵,適合於同一批子嗣中搜集多組的數據,降低實驗誤差;最後,維持斑馬魚系統的空間與費用,遠比等量的小鼠為低,要在其他脊索動物模式複製斑馬魚大規模且實惠的複雜突變以及篩選策略幾乎是不可能的。

為什麼斑馬魚適合推廣替代?

斑馬魚相當適合替代當前流行的高等脊索動物模式,除了上述在研究上的優點,斑馬魚在操作上也容易達成更人道的動物福祉。為何斑馬魚適合替代高等脊索動物模式,我們按實驗動物3R原則一一談起,即替代(replacement)、減少(reduction)和優化(refinement)。

  • 替代(replacement)

替代指的是:在其他可達成實驗目的的前提下,可以避免利用實驗動物或者改採用演化上更低階的生物。雖然無脊椎動物對於痛覺的敏感度顯著較低,但是牠們的生理構造與人類差異過大,因此在建立疾病模式時有許多限制。若非探討呼吸系統與哺乳系統,斑馬魚不論在循環系統、消化系統以及神經系統上都與人類有極大的相似性,因此在研究特定的生理機制時適合以斑馬魚取代更高等的脊索動物。此外,藥物毒性測量對於哺乳動物為一極大的緊迫, 由於斑馬魚具有體外快速發育的特性,而胚胎發育中的個體,其負責認知及痛覺的大腦神經構造較不成熟,是目前認為取代毒性測驗最佳的動物模式之一。

  • 減少(reduction)

減少指的是:在獲取相同的實驗結果的前提下,盡可能減少使用動物的數量,或使用等量的實驗動物情況下,能夠獲得更多的實驗數據。雖然減少與實驗的設計較為相關,而非小鼠與斑馬魚的差異,但由於斑馬魚胚胎是透明的,觀察胚胎發育的表現型時不需要犧牲個體,因此在發育生物學的研究中可以輕易達到減量原則。另外,通常實驗設計偏好以同窩個體作為控制組與對照組,以減少個體差異。相較於小鼠每胎大約6-8 隻個體,斑馬魚一次可以產下200顆以上的受精卵。在組別較多的情況下,斑馬魚可以皆使用同窩個體進行實驗。因此,在使用相同動物數量的條件下,以斑馬魚作為實驗動物可以產出更精準的實驗結果。

  • 優化(refinement)

優化指的是:使用更精緻的操作方式,免除或減輕動物在實驗中所受的痛苦。在發育生物學上,要觀察斑馬魚的胚胎發育,不需要侵入母體,因此直接免除了侵入母體時造成的緊迫。另外,由於僅需一般光學顯微鏡即可清楚觀察斑馬魚胚胎,在許多情況下不必犧牲、保定或麻醉實驗個體,在觀察實驗上減少許多保定造成的緊迫。最後,假使因實驗需求必須麻醉個體,斑馬魚是水生生物,可直接在水中處理麻醉劑(如:現今廣泛使用的MS-222),不需徒手保定及針頭侵入。

斑馬魚不論在替代(Replacement)、減少(Reduction)和優化(Refinement)上都有其優點,符合3R原則。另外,在成本考量上,斑馬魚不但飼養便宜,也適合於實驗室自行繁殖。因此,在得以維持同樣研究目的之前提下, 相當推薦以斑馬魚代替更高等的脊索動物。

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Photo Credit: Shutterstock/達志影像
可以如何被使用於基礎科學教育?

由於斑馬魚具有在胚胎發育研究的優勢,適合提供給學生進行胚胎發育的觀察。實驗器材只需要一般的光學顯微鏡,而斑馬魚胚胎約為1毫米,能藉機讓學生熟悉各式顯微鏡的操作。斑馬魚卵受精後約45分鐘後進行第一次細胞分裂,之後約15分鐘分裂一次,快速的發育進程能夠讓學生在短時間內觀察到完整的卵裂情形。而受精後當天亦可觀察到斑馬魚原腸化(第6-10小時)及體節發育(第10-24小時)的過程,第二天(第26小時之後)即可觀察到心跳及血液循環,約第三天時可觀察到斑馬魚幼魚的孵化。

由於便宜的LED燈源在當前的消費市場中隨處可得,使得自行製作螢光顯微鏡成為可能,不但有機會讓學生深入瞭解螢光的物理原理,並自行動手製作研究工具,更有許許多多基因轉殖的斑馬魚能夠進行更深入的生理觀察。例如:神經細胞帶有各色螢光的斑馬魚品種(zebrafish brainbow)、心肌細胞帶有螢光標記的斑馬魚品種(cmlc2:GFP)等等,都能夠讓學生在無需解剖的活體幼齡動物中,即時觀察動物身體的構造甚至其運作狀況。

除此之外,斑馬魚有許多突變的個體,可以讓學生藉此了解基因調節的功能。舉例而言,白化症患者的皮膚缺乏色素,而在突變的斑馬魚中,有一些突變的品種製造色素的基因(OCA1)被阻斷的突變品種,因此發育的過程中不會有色素的沈澱。藉此,可透過簡單的觀察讓學生體會不同基因在我們體內扮演的種種角色。

可以做什麼研究?

斑馬魚具有基因易於操作、胚胎透明的特性,尤為適合基因功能與發育生物學的研究。舉例來說,生殖細胞形成時會經過一系列的遷移才到達生殖脊(即最終發育為生殖器官的位置),此一現象早在19世紀末即為人類所知,然而生殖細胞在遷移過程中如何探尋道路而不至於誤入歧途,一直到21世紀到來之後,才在斑馬魚胚胎的研究中陸續揭曉其中貫穿哺乳類、鳥類與魚類的共同奧妙。

另外,如上面所述,斑馬魚是現今測試藥物毒性良好的動物模式,牠們與人類的生理構造相似,在維持足夠代表性同時得以降低生物體的緊迫。除此之外,許多的遺傳疾病模式在斑馬魚中建立,如:癌症、運動障礙或是心血管疾病的研究都在斑馬魚中都有相對應的疾病模型。甚至有許多人類疾病模型是首先在斑馬魚中發現並建立的,例如:先天性鐵粒幼紅細胞性貧血(congenital sideroblastic anemia),便是在斑馬魚的遺傳篩選過程中,建立了疾病模式,方才找到疾病中的關鍵調控基因(PMID: 9806542)。還有各式各樣的生理與疾病模式在斑馬魚中建立,等著科學家利用,以研究更深入的生物現象。

結語

相對於其他模式物種,斑馬魚是個新興的實驗動物模式。然而,牠們有著基因和生理構造與人類相似、全基因定序、體外受精、胚胎透明、發育速度快、子嗣數量多、基因操控技術成熟等優點,使得牠們成為現今熱門的實驗動物選擇。此外,以動物福利的觀點,由於牠們為脊索動物中演化分枝相對較前的物種,且實驗過程通常為發育時期, 斑馬魚相當適合取代當今熱門的高等實驗動物模式,同時不喪失與人類的相似度。隨著斑馬魚研究不斷的成熟,相信未來會有更多的人使用這個物種為研究模型,繼續探討諸多未解的生物現象。

本文經關懷生命協會授權轉載,原文刊載於此

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航