从鱼缸到实验室-斑马鱼
目前全球现存鱼类至少27000余种,其中具备实验动物应用价值的种类约有2000种。斑马鱼就是其中极具代表性的模式动物,作为原产于东南亚太平洋的小型热带鱼,其在分类学上属于脊椎动物门、硬骨鱼纲、鲤形目、鲤科、斑马鱼属(Danio)。1972年,George Streisinger开始使用斑马鱼进行脊椎动物发育生物学研究,自此斑马鱼凭借独特优势以空前速度成为重要的实验动物之一。据欧盟统计,2017年约有50万尾斑马鱼用于科研实验,此外还有一些仅用于繁育产卵的野生型斑马鱼,以及在具备独立摄食能力前便被终止实验的幼鱼未被纳入该统计,实际应用规模更为庞大。
斑马鱼可以作为模式动物发展至今,核心在于其优良的生物学特性:体型较小,所需饲养空间也较小;繁殖力强,在实验室条件下可全年进行快速繁殖,易于获得具有统计学意义的样本量;斑马鱼早期胚胎较大且透明,便于操作;胚胎在体外发育时,便于观察胚胎发育过程。目前,斑马鱼在研究癌症模型、毒理学模型以及神经退行性疾病模型等方面均应用广泛。
与其他实验动物相同,斑马鱼从鱼缸到实验室的转化,应以保障动物福利、确保科研数据可靠性、维护实验人员健康为核心原则,建立完善的微生物排除和监测体系。
结合斑马鱼的养殖模式、生物学特性及常见疫病的风险特点,在开展健康监测时,应确保监测的科学性与适用性。本篇将重点介绍一些与斑马鱼健康密切相关的主要病原体。
01微孢子虫
嗜神经微孢子虫(Pseudoloma neurophilia)和脂鲤匹里虫(Pleistophora hyphessobryconis),属于真菌界,微孢子门、微孢子目,专性细胞内寄生虫。生活史包括裂体增殖和孢子生殖两种方式,孢子具有感染性,可垂直传播。
嗜神经微孢子虫通常为亚临床感染,临床症状包括消瘦、脊柱畸形,较少见繁殖力下降。感染初期可广泛侵染多种器官,如肾脏、卵巢基质和发育中的卵母细胞;感染后期主要寄生中枢神经系统、骨骼肌和卵巢,并引发相关组织炎症,导致鱼类行为异常,因此在行为学研究中可引发非实验方案导致的变量偏差。
脂鲤匹里虫的感染相对较少见,主要寄生在骨骼肌中,尤其在免疫抑制的斑马鱼中更为严重,在其他器官的巨噬细胞中也可发现孢子。与嗜神经微孢子虫相似,其感染通常为亚临床感染,重度感染的鱼可能出现消瘦等症状。微孢子虫的感染通常也被称为“消瘦病”。由于脂鲤匹里虫主要感染骨骼肌,解剖病鱼尸体时,可见肌肉中出现大面积的浑浊病变。
对微孢子虫的诊断可取后脑、脊髓、性腺或其他器官进行组织学检查,可评估该虫在鱼体内的感染范围;也可取后脑组织、脊髓、骨骼肌等进行湿压片镜检,可观察到孢子;也可使用分子诊断方法对脑或脊髓组织进行检测,如常规PCR、实时荧光定量PCR等。
微孢子虫目前尚无有效治疗药物,由于斑马鱼可通过摄食受感染的组织来进行传播,因此及时清除病鱼尸体是阻断传播的关键措施。
02原生动物
卵圆鞭毛虫
斑马鱼对卵圆鞭毛虫(Piscinoodinium spp)中的微小卵甲藻(Piscinoodinium Pillulare)和淡水卵甲藻(Piscinoodinium limneticum)较易感。该类寄生虫主要通过水平传播;在封闭养殖系统中繁殖迅速,可导致鱼类迅速死亡。滋养体可分离形成包囊体,包囊体经过无性分裂后可释放出具备感染性的浮游孢子。感染后的斑马鱼体表可见金黄色天鹅绒样光泽,又称为“丝绒病”。病鱼表现为不适感,在水中摩擦身体;重度感染时可见精神沉郁,浮于水面附近,出现呼吸困难,同时体表伴有黏液增多、发黑及淤血点。
小瓜虫
小瓜虫(Ichthyophthirius Multifiliis)属于纤毛虫,在淡水观赏鱼中的感染十分常见,但在实验斑马鱼中很罕见,由于会导致较高的死亡率,对实验斑马鱼也构成重要威胁。其生活史与卵圆鞭毛虫相似,不同的是小瓜虫的包囊体会分泌粘在缸底的黏性包囊。小瓜子虫造成组织损伤,引发上皮细胞增生;导致鱼体表和鳃部分泌过量黏液,由小瓜子引发的病灶还可能继发细菌或真菌等微生物感染。感染后的鱼体表面会出现特征性的白色斑点,这是由于小瓜虫在宿主上皮细胞内形成包囊所致,因此小瓜虫引起的疾病又称为“白点病”。
卵圆鞭毛虫和小瓜虫均可通过湿片法或组织切片观察鱼鳃或皮肤中的滋养体来诊断;也可通过分子生物学方法进行检测。
卵圆鞭毛虫和小瓜虫可通过提高水温,以控制滋养体和包囊体的发育时间。但该方法应谨慎使用,由于水温增加,可导致斑马鱼耗氧量增加引发缺氧风险。由于卵圆鞭毛虫和小瓜虫对高渗环境敏感,可通过高浓度氯化钠进行治疗,但仍要考虑该治疗方法是否对实验数据产生干扰。
03线虫
绒毛假毛细线虫(Pseudocapillaria tomentosa)是寄生于斑马鱼肠道内的线虫;雌虫在排出虫卵后,在5天内即可发育出幼虫,并具备感染性。该虫可引发慢性疾病,且死亡率较高。组织学检查可见严重的慢性肠炎,严重时出现体腔炎;病变部位超过感染部位,累及周围组织。与其他可引发慢性感染的寄生虫类似,感染可增加鱼肠道肿瘤风险,因此即便是亚临床感染,也可能影响鱼类福利和实验结果;同时感染该虫的斑马鱼,其微生物组组成也存在显著差异。
由于该虫卵常在鱼缸底部,因此可取缸底沉积物或粪便使用漂浮法进行镜检;也可从肠道组织切片中检出虫体与虫卵。另外也可使用分子学方法对鱼类样本和环境样本进行检测。
大环内酯类等抗寄生虫药物对该虫有效。其虫卵在冷冻条件下无法存活,因此斑马鱼精子低温冷冻保存技术可杀灭虫卵。
04细菌
分枝杆菌属
分枝杆菌属(Mycobacterium spp.)可广泛存在于水体和生物膜中,因此在鱼类样本中分枝杆菌很常见。并非所有菌株均可引起斑马鱼疾病,所以在监测时需要区分不同菌株类型。嗜血分枝杆菌(Mycobacterium haemophilum)和海分枝杆菌(Mycobacterium marinum)的感染虽不常见,但致死率高。前者的感染病程较长,可维持数月;后者的感染发展相对比较迅猛。两者均可导致病鱼出现游动异常、弥漫性全身性感染等;重度感染时可引发慢性鱼鳔炎症,并形成肉芽肿病灶扩散至体腔。
通过组织切片抗酸染色可将分枝杆菌鉴定至属水平;也可通过分子学方法快速实现种水平鉴定;由于分枝杆菌培养条件苛刻且生长缓慢,培养法对于分枝杆菌的检测耗时会更长。
爱德华氏菌属
爱德华氏菌属中鲇鱼爱德华氏菌(Edwardsiella ictaluri)虽不常见,但对斑马鱼有致死性。病鱼通常表现为体表出现弥散性红斑,脾脏、肾脏等内脏器官出现严重坏死;腹水引起的体腔膨胀等。
可通过组织切片进行初步诊断;也可通过培养法或分子学方法进行确诊。
分枝杆菌和爱德华氏菌均不建议使用抗生素治疗,会导致耐药风险,建议进行全群扑杀并对养殖系统进行彻底消毒。
其他细菌
还有一些条件致病性细菌,如假单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等。这些病原菌的筛查可基于动物的临床症状进行;如柱状黄杆菌,一般在皮肤受损后才会被感染。与实验小鼠相同,斑马鱼近年来也衍生了一些免疫缺陷模型,缺乏B细胞和T细胞,免疫缺陷模型对这些条件致病菌更为敏感。
05病毒
红斑石斑鱼神经坏死病毒(Redspotted grouper nervous necrosis virus,RGNNV)属于诺卡病毒,引发病毒性神经坏死病(Viral nervous necrosis,VNN),是首个报道的斑马鱼自然感染病毒。目前对该病毒的具体传播方式、在宿主内扩散过程以及病毒入侵细胞的机制尚不明确。患病鱼表现为急窜或螺旋状游动,消瘦以及鱼鳔调节功能丧失等。RGNNV具有嗜神经性,一般不会导致神经系统以外的组织发生明显病变。
RGNNV的诊断可通过分子学方法、病毒分离培养或组织病理学方法。尽管RGNNV为嗜神经性病毒,但仍可以通过分子学方法在多种非神经组织中检出,如鳍、胃肠道、鳃、性腺等。
传染性脾肾坏死病毒(Infectious Spleen and Kidney Necrosis Virus,ISKNV)近几年在斑马鱼养殖设施也有检出,该病毒宿主范围广,是第二种被报道可自然感染斑马鱼并引发临床疾病的病毒。斑马鱼感染ISKNV可见多种临床症状,如鳞片竖起、体表淤血点、鳃苍白或充血;伴随呼吸困难和游动异常等。
ISKNV可通过分子学方法、组织病理学方法进行检测;也可用组织样本通过免疫组化的方法检测。
目前针对斑马鱼RGNNV和ISKNV的感染尚无有效治疗方法。
另外还有一种在斑马鱼群体中广泛检出的病毒,斑马鱼小核糖核酸病毒1型(ZfPV1),目前该病毒对斑马鱼健康和实验结果的影响尚不明确,机构需自行判断该类病毒是否对实验模型构成风险,进而决定是否将其纳入健康监测计划中。目前可采用分子学方法对该病毒进行诊断。
综合防控措施
在对以上病原体进行防控时,应考虑引种来源稳定,严格筛选供应商,尽可能使用鱼卵作为引种,且仅可引入经含氯消毒剂进行表面消毒的鱼卵;活体饲料如草履虫和丰年虫等,有引入病原体的风险,可更换为人工饲料;定期对设施内斑马鱼进行病原体监测,如有异常及时采取应对措施。
在进行病原体监测时,可分为高致病风险需要高频筛查的病原体(Screen More Often Pathogens,SMOP),如上述介绍的分枝杆菌属、绒毛假毛细线虫和嗜神经微孢子虫。以及一些自然携带率低或低致病风险,可低频筛查的病原体(Screen Less Often Microorganisms,SLOP),如微小卵甲藻、小瓜虫、脂鲤匹里虫、鲇鱼爱德华氏菌等。机构可根据内部情况,结合鱼种来源、实验模型和饲养模式等,考虑是否将一些鱼类相关病毒纳入SLOP筛查中。
结语
斑马鱼为水生饲养动物,水质异常、光照周期紊乱等也会使斑马鱼表现出与感染性疾病相似临床症状。应将此类情况与感染性疾病相区分开,避免误判。由于患病斑马鱼的临床症状大多为非特异性,仅靠外观表现难以明确病因,因此结合病原学特征,采用针对性的实验室检测技术进行鉴别诊断至关重要。
随着斑马鱼在生命科学研究中的应用日益深入,建立标准化的健康监测体系、完善常见病原体防控方案,不仅是提升斑马鱼质量的基础,也是保障科研成果真实可信、推动模式动物研究规范化发展的重要环节。