斑马鱼是研究肌肉功能和疾病的理想模型。在早期胚胎发育过程中,斑马鱼开始出现规律的肌肉收缩,产生节律性游泳行为,当肌肉功能受到干扰时,该行为会发生改变。本文描述了一种触碰诱发反应和运动能力检测方法,通过评估游泳表现来反映肌肉功能。
方法文章
* These authors contributed equally
斑马鱼是研究肌肉功能和疾病的理想模型。在早期胚胎发育过程中,斑马鱼开始出现规律的肌肉收缩,产生节律性游泳行为,当肌肉功能受到干扰时,该行为会发生改变。本文描述了一种触碰诱发反应和运动能力检测方法,通过评估游泳表现来反映肌肉功能。
斑马鱼的肌肉发育与哺乳动物系统高度保守,使其成为研究肌肉功能和疾病的理想模型。许多影响骨骼肌功能的肌病可在斑马鱼胚胎发育的最初几天内快速、简便地进行评估。受精后24小时(hpf),野生型斑马鱼会自发收缩尾部肌肉;到48 hpf时,斑马鱼表现出受控的游泳行为。这些运动频率的降低或其他改变可能提示存在骨骼肌功能障碍。为了分析游泳行为并评估斑马鱼早期发育阶段的肌肉功能,我们采用触碰诱发的逃避反应和运动能力检测两种方法。
触诱发逃反应实验可用于评估由快肌纤维收缩引起的短时爆发性运动中的肌肉功能。在外界刺激(本实验中为轻敲头部)作用下,受精后2天(dpf)的野生型斑马鱼通常表现出强烈的爆发式游泳行为,并伴随急剧转向。本方法通过测量爆发游泳过程中的最大加速度来量化骨骼肌功能,该加速度与肌肉收缩产生的力成正比。
相比之下,斑马鱼幼体早期发育过程中的运动行为检测可用于评估肌肉在持续活动期间的功能表现。通过使用追踪系统监测其游泳行为,我们能够自动计算6日龄斑马鱼的活动频率和游动距离,这些指标反映了其骨骼肌功能。游泳能力的测量对于骨骼肌功能相关疾病模型的表型评估,以及影响骨骼肌功能的突变体或化学处理的高通量筛选具有重要价值。
在过去的十年中,斑马鱼被越来越多地用于研究肌肉细胞生物学和疾病。斑马鱼胚胎发育迅速且为体外发育,加之其组织透明的特性,使得肌肉的形成、生长和功能能够被直接观察。斑马鱼的肌肉发育过程在进化上高度保守,因此成功建立了多种肌肉疾病的模型,包括肌营养不良症和先天性肌病1-8。对斑马鱼模型的深入研究不仅为这些疾病的病理生物学提供了新的见解,也为有效疗法的筛选提供了平台6,9-13。
对肌肉疾病斑马鱼模型的分析依赖于可靠且可重复的检测方法来测量肌肉功能。先前的研究已成功通过电刺激固定在力传导系统上的斑马鱼,测量了3至7天龄(dpf)斑马鱼躯干肌肉的产力能力14。这种方法可提供详细的力值测量数据,但不太适用于高通量实验;而在游泳过程中评估肌肉功能则具有优势。在2天龄时,斑马鱼的肌肉已完全具备功能,能够对外界刺激产生爆发式游泳运动。触觉诱发逃逸反应实验用于测量爆发式游泳过程中的加速度,该加速度可作为收缩力的评估指标。
在肌病患者中,最常用的肌肉功能评估方法之一是6分钟步行试验,该试验记录患者在坚硬平坦地面上行走的总距离15,16。我们已将类似的方法应用于测量6日龄斑马鱼幼鱼的肌肉功能,即在10分钟内监测每条幼鱼的总游泳距离及其完成的总运动次数。该过程采用自动化追踪系统进行,可对肌肉功能提供可靠且高通量的测量结果。这两种肌肉功能检测方法均具有高度可重复性,并已被用于量化斑马鱼肌病模型中肌肉功能的差异8。
1. 触发反应检测实验
2. 运动能力检测——10分钟游泳实验
触诱发应实验可用于测定游泳运动的速度和加速度,其为肌肉力量的相对度量指标。在机械刺激作用下,例如对头部进行轻微敲击,2 dpf野生型斑马鱼会表现出快速游泳反应。本研究采集并分析了两种斑马鱼肌病模型的视频数据:Tg(ACTA1D286G-eGFP),一种表现为显著肌无力的杆状体肌病模型,以及杜氏肌营养不良症模型,该模型在5 dpf时已报道存在严重肌肉缺陷19,20。典型触诱发应实验的视频图像见图1A。斑马鱼的加速度在爆发式逃逸游泳反应的前0.2秒内达到峰值(图1B)。该峰值最大加速度可反映骨骼肌产生力量的能力。将各品系的最大加速度值取平均,得到平均最大加速度值(±均值标准误):Tg(ACTA1D286G-eGFP):均值 = 276.0 ± 28.8 m/sec2,n = 3次独立重复实验,共包含15条个体鱼;野生型对照:均值 = 500.8 ± 50.28 m/sec2,n = 3次独立重复实验,共包含15条个体鱼;dmdpc2-/-突变体:均值 = 249.9 ± 19.1 m/sec2,n = 3次独立重复实验,共包含12–19条个体鱼;dmdpc2+/-杂合子:均值 = 235.9 ± 8.7 m/sec2,n = 3次独立重复实验,共包含16–27条个体鱼;dmdpc2+/+野生型纯合子:均值 = 230.9 ± 8.7 m/sec2,n = 3次独立重复实验,共包含8–27条个体鱼 (图1C)。如预期,Tg(ACTA1D286G-eGFP)斑马鱼的最大加速度显著降低,表明肌肉功能减弱,这与小鼠模型及患者数据一致8,21,22。然而,dmdpc2-/-突变体斑马鱼在2 dpf时最大加速度无明显差异,这与肌肉缺陷在3 dpf后才可被检测到的结果一致20(图1D)。
在6 dpf时进行运动能力检测,以确定斑马鱼品系的活动情况及游泳距离,作为肌肉功能的指标。检测完成后,生成了在十分钟检测期间游泳运动的示意图,其中红线和绿线分别代表缓慢运动和快速运动时段,黑线代表静止时段(图2)。单个野生型斑马鱼表现出较高的活动性,几乎无静止时段,而Tg(ACTA1D286G-eGFP)斑马鱼在检测期间活动较少(图2B)。
通过计算每条鱼的运动次数和游泳距离的个体数值的平均值,对游泳行为进行量化(图3)。与各自的对照组相比,Tg(ACTA1D286G-eGFP) 鱼(图3A 和 3B)和 dmdpc2-/- 突变体鱼(图3C 和 3D)的平均运动次数和游泳距离均显著降低:Tg(ACTA1D286G-eGFP) 鱼:平均运动次数 = 94.3 ± 13.6,平均游泳距离 = 112.9 ± 18.4 mm,n = 3 次独立重复实验,共包含 45 条鱼;野生型对照:平均运动次数 = 177.4 ± 14.0,平均游泳距离 = 300.2 ± 22.8 mm,n = 3 次独立重复实验,共包含 45 条鱼;dmdpc2-/- 突变体:平均运动次数 = 163.3 ± 30.0,平均游泳距离 = 298.4 ± 60.37 mm,n = 3 次独立重复实验,共包含 12–20 条鱼;dmdpc2+/- 杂合子:平均运动次数 = 362.3 ± 38.8,平均游泳距离 = 660.3 ± 86.1 mm,n = 3 次独立重复实验,共包含 17–27 条鱼;dmdpc2+/+ 野生型纯合子:平均运动次数 = 341.9 ± 91.6,平均游泳距离 = 574.3 ± 170.9 mm,n = 3 次独立重复实验,共包含 8–25 条鱼。

图1:2天龄斑马鱼胚胎触碰诱发反应检测的定量分析 (A) 2 dpf 时期对照组斑马鱼在触碰诱发实验中的快照图像。 (B单次动作前0.2秒的加速度曲线 Tg(ACTA1D286G-eGFP (红色)和单个对照组(蓝色)斑马鱼在施加触觉刺激后的反应。最大加速度由虚线表示。C, D最大加速度的量化(m/sec)2) 记录自触觉诱发反应实验的(C) Tg(ACTA1D286G-eGFP 斑马鱼和 (Ddmdpc2-/- 突变型鱼与对照组斑马鱼在2 dpf时的比较。误差线表示 ± 3 次重复实验的标准误,*p <0.05. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2: 斑马鱼胚胎运动行为检测示意图。 (A)将斑马鱼胚胎置于48孔板中,并使用红外数码相机从上方记录其运动情况。 (B)测试期间斑马鱼运动的示意图,其中红线表示快速运动,绿线表示慢速运动,黑线表示无活动状态(由软件中设定的检测阈值确定)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:6日龄斑马鱼幼鱼运动分析的定量结果。 在6 dpf时,Tg(ACTA1D286G-eGFP) 斑马鱼与对照组斑马鱼相比,其(A)运动次数和(B)移动距离的定量分析结果。在6 dpf时,dmdpc2-/- 突变型斑马鱼与对照组斑马鱼相比,其(C)运动次数和(D)移动距离的定量分析结果。误差线表示3次重复实验的±SEM,*p <0.05,**p <0.01。请点击此处查看该图的放大版本。
多种不同的动物模型,包括小鼠、狗、斑马鱼、果蝇和线虫,已帮助我们深入了解肌肉疾病的遗传与分子基础,并推动了相关治疗策略的开发。斑马鱼在肌肉疾病研究中具有多项优势。斑马鱼提供了一个可在适宜生理环境中评估复杂肌肉模式的可遗传操控系统,而这一点在其他模型中难以实现。 体外 培养系统。与其他脊椎动物模型不同,该鱼类繁殖数量多,且具有良好的光学通透性,有利于实现快速、高通量的 体内 化学筛选与遗传筛选
本文描述了斑马鱼运动检测方法的开发,旨在提供一种高通量且自动化的手段,用于评估斑马鱼胚胎发育过程中的肌肉功能。对于这两种检测方法,必须认识到昼夜节律和外部环境刺激会显著影响斑马鱼的游泳行为17,18。对同一条斑马鱼进行重复测试还会导致习惯化,从而降低其对触觉刺激的反应性23。因此,为了在不同实验之间获得可重复的结果,每条斑马鱼胚胎应仅测试一次,测试时间、光照条件应保持一致,且水温必须严格控制。
通过在2 dpf时进行触碰诱发分析,我们可以直接测量爆发式游泳动作的最大加速度,该加速度与肌肉力量成正比。此前在斑马鱼中使用的技术是将胚胎两端固定于实验装置上,随后通过电场刺激肌肉收缩,并测量肌肉的产力能力14。尽管该方法可测量幼体肌肉的产力潜力,但它无法测量幼体肌肉在游泳过程中实际产生的力量。因此,我们开发了一种方法,用于间接评估幼体在正常游泳运动中所产生的力量,以提供对肌肉整体健康状况的综合评价。该高速视频系统能够以每秒1,000帧的帧率记录单条斑马鱼的运动,可用于识别肌肉功能中微小但具有显著意义的差异,而这些差异仅凭肉眼无法直接分辨。值得关注的是,此前报道的电刺激下肌肉产力能力的变化,是否与游泳表现的变化具有相关性。
此外,触觉诱发反应实验还可用于评估游泳运动学参数,例如游泳过程中身体波动的形态和速度24,从而对运动行为进行定量测量。
由于斑马鱼幼鱼在受精后3天(3 dpf)开始出现自发运动,我们无法进行触碰诱发实验来评估肌肉功能。相反,我们通过测定斑马鱼幼鱼在6 dpf时的游泳距离,来长期评估其肌肉表现。尽管该检测方法是对肌肉功能的间接评估,但仍可用于识别表现出肌肉功能受损的个体。8 或神经退行性变25,26该测试不仅提供了类似于6分钟步行试验的测量结果,还适用于自动化高通量分析 体内 药物或诱变筛选
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Viewpoint 对本手稿的慷慨赞助。本研究由澳大利亚国家健康与医学研究委员会(NHMRC)项目资助(APP1010110)提供资金支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 21 G x 1' 钝针 | Terumo/Admiral Medical Supplies | TE2125 | |
| 48 孔板 | Sigma | M8937 | |
| 90 mm 培养皿 | Pacific Laboratory Products PT | S90001 | |
| 高速摄像机 | Baumer | HXC20 | |
| http://www.randomization.com | 不适用 | 步骤 1.1.2、2.1.3 | |
| 培养箱 | Thermoline Scientific | TEI-43L | |
| 塑料移液管 | VWR | 16001-188 | |
| StreamPix5 | NorPix | 步骤 1.2.3 | |
| 温度控制单元 | Viewpoint | ||
| 镊子,型号 8 | ProSciTech | T04-821 | |
| Zebrabox 系统 | Viewpoint | ||
| Zebralab | Viewpoint | 步骤 1.3.1、2.2.1 |