为人类筛药物 斑马鱼担重任

　　

　　

　　

　　斑马鱼的基因与人类相似度高达87%，可以很好地为生物学家和医生研究各种疾病提供帮助。右上图为斑马鱼胚胎，右下图为人类早期胚胎。

　　斑马鱼仅有三到四厘米长。它身躯玲珑而纤细，却具有顽强的生命力。而且，这小鱼儿竟然和人类基因有着高度同源性。

　　这给科学界带来意外惊喜，科学家们想到了让它替人类筛选药物。于是，小鱼儿从此踏上为人类“替难”之旅。

　　日前，笔者在广州举行的全国第二届斑马鱼学术研讨会上了解到，通过斑马鱼平均每筛选250种药物，就有一种能走向市场。这样的效率，是传统细胞模型药物筛选办法的4000倍。

　　斑马鱼的身体小、作用大，因此其本身也成为科学研究的热点。据介绍，如今几乎每个月都有四五篇以斑马鱼为研究主角的论文在世界性的学术期刊发表。越来越多的科学家对斑马鱼寄予厚望，希望它们能为人类筛选出更多的有效药物。

　　细胞筛药就像要转三次地铁：第一站是筛选出适合细胞的药物，第二站转乘，将药物注入到动物身上，第三站是检验药物的长期适用性；而斑马鱼筛药的特点是“直飞”，作用目标明确，效果可评估，没有“中转站”

　　●南方日报记者 曹斯 实习生 周冯灿 通讯员 张淼 邹莹 统筹 林亚茗

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　　模式生物

　　迄今已鉴定8000多种斑马鱼突变体，其中1/4成为人类疾病模型，可模拟贫血、耳聋、视网膜变性、肌无力症、恶性肿瘤和阿尔茨海默病等多种人类疾病

　　斑马鱼(Zebrafish)生于高温潮湿的南亚地带。它们身上附带着美丽的暗蓝与银色纵条纹，繁殖力非常高。

　　有一次，美国俄勒冈大学著名遗传学家George Streisinger从宠物店里买回斑马鱼作观赏。这位科学家偶然对这身长不过3—4厘米的热带小鱼感兴趣起来。

　　他研究了小鱼的卵裂特点、胚胎发育规律，发现其胚体透明而且发育速度快的特征，就想到斑马鱼也许可以用来做“模式生物”，也就是可用于解释生命一般规律的生物体。

　　据南方医科大学基础医学院张文清教授介绍，斑马鱼作为模式生物的优势很突出，它与人的基因相似度高达87%，这意味着其实验结果大多数情况下适用于人体。而且，斑马鱼3个月便可成熟，一次可产200—400枚卵，一周产一次，这意味着小鱼的培育周期非常短。“目前，斑马鱼是国际标准化组织认可的五种鱼类实验动物之一，成为发育生物学、遗传学、毒理学等研究常用的模式生物。”

　　这种小鱼所发挥的最重要作用恐怕要数替人类试药了。“人们通过培育斑马鱼的突变体，寻找其中患有人类疾病的斑马鱼模型，再用它们进行药物筛选。”张文清说。

　　统计显示，迄今已鉴定有8000多种斑马鱼突变体，其中1/4成为人类疾病模型。它们可模拟多种影响人类健康的重大疾病，比如人类贫血、耳聋、视网膜变性、肌无力症、恶性肿瘤和阿尔茨海默病等。

　　自上世纪70年代斑马鱼作为模式生物走进实验室后，科学家一直对它寄予厚望。张文清总结，这是因为它们具有小、多、近、透、快、外等优势。

　　它们体型小，仅有3—4厘米，便于养殖，不到30平方米的房间就能养几万条；每周产卵数量多，达到几十到几百个，可做多种基因变异标本；基因与人类相近，30000个基因中有87%与人类同源，利于人类疾病研究；生长的头3天完全透明，便于活体观测；生长快，24小时内大部分器官形成，3个月成年；属于母体外胚胎发育，可在光镜下直视。

　　正因如此，科学家们对斑马鱼本身的研究成果不断涌现。美国俄勒冈大学神经学研究所利用斑马鱼，来研究脊椎动物神经系统发育；德国发育生物学家Christine Nsslein-Volhard以及美国哈佛大学Wolfgang Driever博士的研究组，展开对斑马鱼进行大规模化学诱变研究，鉴定出约4000种斑马鱼突变体；新加坡分子与细胞生物学研究所研究人员，则致力于研究斑马鱼的肝功能、肌肉神经发育多样化、发育信号及模式等。

　　从1980年到2010年权威学术刊物PubMed上收集的有关斑马鱼的研究论文数量看，近30年来科学家对小鱼的关注度呈直线上升趋势。有关的论文从2000年的625篇，增至2010年的1879篇。张文清表示，如今，平均每月就有四五篇关于斑马鱼的研究论文在世界性期刊发表。

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　　药物筛选

　　目前筛药绝大多数是细胞筛药模式，把药物作用在细胞上，发现有效果的再作用到动物身上，但实验结果显示通过细胞筛选的绝大多数药物对动物无效

　　我们熟知的信息是，人类与黑猩猩的同源性超过了95%，在基因数、基因结构与功能、染色体与基因组构造上，人类和黑猩猩几乎相同。但人类和黑猩猩实际上存在着根本区别。而且，这类大动物要作为科研中的模式生物有着成本高、生长周期长等各种限制。小动物和昆虫等简单生物更为适合作模式生物。

　　其实早在一百多年前，生物学家就开始利用简单生物来理解生命世界一般规律的意义。在进化支流的港湾中休憩的小生命——酵母、线虫、果蝇、海胆、拟南芥、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠，都是模式生物的代表。

　　比如，科学家们通过海胆精卵表面分子的特异性识别、精子顶体反应、卵皮质反应等现象，研究受精生物学；生命周期仅三天的线虫为人类不间断观察并追踪每个细胞的演变提供了可能；繁殖迅速、染色体巨大的果蝇揭示了遗传规律，并让科学家三次获得诺贝尔奖；非洲爪蟾的卵母细胞体积大、数量多，易于显微操作，开启了细胞周期调控的分子机理之门；当今世界上研究得最详尽的哺乳类实验动物小鼠，甚至让科学家们获得了17项诺贝尔奖。

　　不过，尽管这些模式生物为人类健康事业做出了巨大贡献，换来了科学家的骄人成绩，但不可否认的是，它们各自都存在“先天不足”。尤其是在替人类筛选药物这一问题上，上述模式生物的缺陷让科学家头疼：果蝇和线虫属于无脊椎动物，与人类体征相差较大；爪蟾体积过大，饲养过程漫长，其使用的成本昂贵；而最受青睐的小鼠也存在着饲养环境要求高，以及给药及观测难等问题。

　　如今，利用上述“模式生物”所用的筛药方式绝大多数是细胞筛药模式，也就是把药物作用在细胞上，发现有效果的就再次作用到动物身上。不过，张文清表示，这样的方法缺陷也非常明显，“药物很可能只对细胞有用，放在整体环境中就失效了。比如，生物体内的细胞间可能存在相互作用，药效很可能在这些过程中被消解。”

　　即便有效，由于需要观测到各种基因组合动物的药后效果，对动物的数量需求很大，“一种药物就起码需要几万只小鼠，这需要多大的饲养场所才能支持？！”不仅如此，张文清表示，给药方式和观测药效的过程也困难重重，“怎么让小鼠吃药呢？即便给定了药量，它能否全吃完呢？药效如何？在体内产生了怎样的生物变化？这些都只能先将小鼠杀死再解剖观测，这意味着，我们就无法观测到活体变化了。”

　　张文清说，实验结果显示通过细胞筛选的绝大多数药物对动物无效。

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　　小鱼走红

　　斑马鱼筛药的特点是“直飞”，没有“中转站”，少走弯路，平均每筛250种药物就有一种能走向市场，有效率是传统细胞模型药物筛选办法的4000倍

　　张文清是长期致力于利用斑马鱼替人类筛选有效药物的研究者之一。他告诉记者，利用斑马鱼筛药有别于传统的基于细胞模型的药物筛选方法。“直接将药注入斑马鱼疾病模型中，观测是否有效。”

　　他打了个比方，细胞筛药就像要转三次地铁：第一站是筛选出适合细胞的药物，第二站转乘，将药注入到动物身上，第三站才是检验药物的长期适用性。而斑马鱼筛药的特点是“直飞”，作用目标明确，效果可评估，没有“中转站”。据张文清介绍，由于少走弯路，斑马鱼平均每筛250种药物就有一种能走向市场，有效率是传统细胞模型药物筛选办法的4000倍。

　　若往前推一步，让斑马鱼筛药得先让其得病。究竟怎样才能让小鱼“患病”呢？张文清说：“斑马鱼已经完成了基因测序。这意味着我们可以通过科技手段，先让鱼爸爸随机基因突变，再让鱼爸爸和一个正常的鱼妈妈交配，生下带有这种突变基因的鱼宝宝。然后，我们又让鱼宝宝们各自与兄弟姐妹交配，经过三代，这些小鱼就变成了纯粹的‘突变体’，可用作实验了。”

　　据张文清介绍，目前南方医科大学的研究人员已获得66个不同类型的斑马鱼突变体和10个人类重大疾病斑马鱼模型。比如，血管增生的疾病模型有助于今后研发抑制肿瘤的药物；动脉粥样硬化的疾病模型，可研发防治高血压、血脂高的药物；骨硬化症疾病模型，可筛选治疗椎间盘突出的药物……

　　尽管近些年国际科学界对斑马鱼的研究与日俱增，但张文清坦言，由于观念和认识的问题，国内了解斑马鱼的人并不多，研究也进展缓慢。尤其在药物筛选方面，传统的细胞模型筛药方法仍然唱主角，几乎没有多少斑马鱼的戏唱。

　　“其实放眼世界，许多生物学家逐渐意识到了研究斑马鱼的重要性，并加入到这个研究团队。”张文清说，此前德国生物学家Christine Nsslein-Volhard通过诱变研究阐明果蝇早期发育机制，因此获得诺贝尔奖。他在发表获奖感言时就明确表示，今后将致力于斑马鱼研究。

　　此外，他还透露世界排名前十的制药公司如诺华、辉瑞、罗氏和阿斯利康等公司也已建立了自己的斑马鱼药物筛选实验室或与知名的斑马鱼研究团队合作建立了高通量新药开发技术平台，并取得一定成果。

　　张文清认为，接下来的工作重点有必要将斑马鱼模式生物学与其他生物学、基础医学、临床医学、(中)药学等结合，构建基于人类疾病斑马鱼模型的高通量药物筛选重点实验室。

　　他还透露，斑马鱼很快就要在我国进军科普宣传的动漫业。“由于斑马鱼的体态形象很有特点，也十分具有观赏性，国家接下来将制作它的动漫形象用于科普宣传。”相信不久之后，这可爱的小生命也能像《海底总动员》里的小丑鱼“尼莫”一样成为大明星。

　　科技最前沿

　　癌症疫苗起效

　　患者延命数月

　　数十年来，癌症专家为患者提供的治疗手段主要有三种：手术治疗、化疗和放疗，有些癌症幸存患者将这套铁三角疗法形象地称为“尖刀、毒药和烙铁”。

　　很久之前，研究人员就猜测，如果能弄清如何刺激机体自身的免疫系统来更有力地对抗恶性肿瘤，他们就将新添一种可以显著地提高癌症患者生存机会，却又不产生严重副作用的武器。但是数十年来，这一领域的研究遭遇了一次又一次的失败。

　　在本世纪最初的十年里，研究人员对各种与疫苗相关的治疗方案进行了大量的临床实验，但似乎都没有奏效。人们开始觉得，长期以来一直盼望的那种通用型广谱抗癌武器恐怕是不可能找到了。

　　事情并未到此为止。2010年夏天，FDA批准了第一种用于治疗癌症的疫苗，这预示着在激发免疫系统来抗癌的研究中，出师不利和陷入绝境的时代可能已经过去了。这种名为“Provenge”的药物虽然不能治愈癌症，但与标准的化疗协同使用后，它已经使数百名晚期前列腺癌患者的生命延长了数月。

　　这一峰回路转，得益于科学家对一些基础性假设的重新审视，包括免疫系统如何对抗癌细胞，以及癌细胞如何反抗免疫攻击。

　　如今，癌症研究人员谨慎而乐观地认为，我们能够研发出更多的能特异性增强免疫的疗法，新的疗法将可以常规性地与手术治疗、化疗和放疗联合使用以征服癌症，而由此引发的副作用最多只相当于一次重感冒。

　　人们熟知的大部分疫苗，是在第一时间阻断那些可能造成大脑损害(麻疹)、瘫痪(脊髓灰质炎)或肝癌(乙肝病毒)的特定感染，以免产生严重后果。与此不同的是，治疗性癌症疫苗能够训练机体识别并摧毁机体组织内既有的癌细胞，并且在治疗结束后能长期保持对恶性肿瘤细胞的杀伤作用。

　　研发这样的疫苗，说起来容易做起来难。大部分预防性疫苗能激发一种简单的抗体反应，通常能有效应对多种感染。比如对于流感病毒，抗体只须黏附在病毒上就可以阻止它们感染细胞。但是，通常情况下，抗体反应不足以杀死癌细胞。

　　从根本上说，构建癌症疫苗需要三个要素。第一是决定一种恶性肿瘤中应该被免疫系统识别为外源物和杀伤靶标的具体分子特征(即抗原)。第二是决定如何向免疫系统中导入能够推动免疫系统攻击癌细胞的起动因子(即疫苗)。第三则是决定针对哪些癌症患者以及在发病过程中的哪个阶段注射疫苗。

　　FDA批准的药物Provenge的制造商Dendreon公司的路线，是直接向一种被称为树突状细胞的免疫细胞提供特异性靶标。树突状细胞遍布全身，特别是在与外界接触的组织中(如皮肤和消化道的表面)。树突状细胞就像免疫系统的“哨兵”，会向T细胞警告机体出现问题了。不过，免疫细胞只能从遗传背景完全相同的其他免疫细胞那里接受指令，因此必须从每个患者体内单独提取树突状细胞，经癌细胞特异性蛋白处理后再回输到体内——这种治疗的一个完整疗程所需费用大约是93000美元。副作用包括寒战、发烧、头痛，少数情况下会出现中风。一次短期临床实验证明，采用Provenge治疗的晚期前列腺癌患者的平均生存时间比未接受治疗的患者至少长4个月。

　　不过，我们发现不能用评价放疗和化疗的标准来衡量免疫疗法的抗癌效果。放疗和化疗见效很快——在几周之内肿瘤缩小就说明治疗有效，否则就是无效。但是，几个临床实验的数据表明，在用癌症疫苗进行治疗后，免疫系统可能需要一年的时间才能真正表现出持续性的抑制肿瘤生长的效果。

　　尽管存在这些障碍和复杂因素，但是研究结果给出的信号是明确的：患者自身的免疫系统可以被有效地增强，用以对抗癌症。这给学术界和产业界那些已经面对太多挫折的研究者带来了巨大的鼓舞。

　　撰文 埃里克·冯·霍夫

　　翻译 胡晨博士 浙江大学医学院 (见报文章有删节)

　　美国食品及药品管理局(FDA)批准的首支治疗性癌症疫苗——用于治疗前列腺癌的Provenge，以及多种通过增强免疫系统来对抗癌症的药物在临床实验中取得了良好的结果。这一切都表明我们正在进入癌症疫苗研发的新纪元，治疗性癌症疫苗在下一个十年里必将扮演非常重要的角色。

　　（责任编辑：刘阳禾）