編者按

睡眠在大腦功能和健康中扮演著重要的角色，其深層功能及機制研究一直是科學(xué)家們重點關(guān)注的領(lǐng)域。斑馬魚的睡眠模式與人類具有相似性，2019年《Nature Communications》雜志上的一項研究表明，斑馬魚睡眠時的大腦活動與哺乳動物的深度慢波睡眠和快速眼動睡眠（REM）類似，因此，已成為理解睡眠現(xiàn)象及開發(fā)相關(guān)營養(yǎng)保健食品、藥品的關(guān)鍵模型生物。

近年來，越來越多的研究者利用斑馬魚開展睡眠研究及應(yīng)用，并取得了一系列顯著進(jìn)展，為失眠研究及治療提供了有價值的參考。本期我們分享近期發(fā)表的幾篇基于斑馬魚模型開展睡眠作用機制研究的高分成果~~~

01、利用斑馬魚揭示睡眠壓力如何調(diào)控神經(jīng)元突觸數(shù)量

文章題目

Sleep pressure modulates single-neuron synapse number in zebrafish

雜志：Nature（IF=69.5）

發(fā)表時間：2024年5月1日

作者：Anya Suppermpool, Declan G. Lyons, Elizabeth Broom & Jason Rihel

單位：英國倫敦大學(xué)等

文章主題：

睡眠壓力，即隨著清醒時間的延長，大腦和身體對睡眠的需求逐漸增加的一種生理現(xiàn)象。突觸穩(wěn)態(tài)假說（Synaptic Homeostasis Hypothesis，SHY）提出，睡眠是突觸重整的必要時期，它允許大腦恢復(fù)和維持其功能，包括學(xué)習(xí)和記憶的能力。睡眠依賴的突觸穩(wěn)態(tài)是否在不同的神經(jīng)元類型中運行及如何調(diào)節(jié)突觸并不清楚。

本研究中，利用斑馬魚模型，通過活體成像技術(shù)，觀察了在睡眠和覺醒狀態(tài)下，特定神經(jīng)元上所有興奮性突觸的變化等發(fā)現(xiàn)，睡眠壓力能夠在單個神經(jīng)元層面調(diào)節(jié)突觸的數(shù)量，在覺醒期間突觸數(shù)量會增加，而在睡眠期間則會減少。

圖1 

在斑馬魚模型中，研究人員進(jìn)一步實驗揭示了睡眠壓力對突觸損失的顯著影響。研究顯示，在睡眠壓力較高時，如長時間清醒后的睡眠，突觸損失最為顯著，而在未受干擾的夜晚后半段則最低，這表明睡眠不僅是突觸穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的一個必要條件，而且睡眠的質(zhì)量或深度，特別是與睡眠壓力相關(guān)的因素，可能在調(diào)節(jié)突觸數(shù)量方面起著關(guān)鍵作用。實驗還發(fā)現(xiàn)，在低睡眠壓力期間，通過藥物誘導(dǎo)的睡眠并不足以觸發(fā)突觸損失，除非同時提高腺苷水平并抑制去甲腎上腺素信號。

總之，睡眠依賴的突觸喪失受到單個神經(jīng)元水平上的睡眠壓力的調(diào)節(jié)，而且并不是所有的睡眠周期都同樣能夠完成突觸穩(wěn)態(tài)的功能，這為理解睡眠如何影響學(xué)習(xí)和記憶的突觸可塑性提供了新的視角，并對理解睡眠的功能及睡眠障礙如何影響大腦功能和認(rèn)知性、以及相關(guān)神經(jīng)疾病的研究具有重要意義。

圖2

02、PQQ以ROS調(diào)節(jié)防止睡眠剝奪引起的斑馬魚神經(jīng)元DNA損傷

文章題目

Pyrroloquinoline quinone prevents sleep deprivation-induced DNA damage within dorsal pallium neurons of zebrafish via SIRT1-dependent regulation of ROS

雜志：Journal of Functional Foods (IF=5.6)

發(fā)表時間：2024年2月15日

作者：胡兵、姚懷桐、沈玥茹等

單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等

文章主題：

睡眠對于具有晝夜節(jié)律的動物至關(guān)重要，睡眠不足會導(dǎo)致嚴(yán)重的病理生理后果，如DNA 損傷和氧化應(yīng)激。吡咯喹啉醌 (PQQ) 是一種具有抗氧化特性的生物活性食品成分。本研究中，研究人員使用斑馬魚連續(xù)游泳范式睡眠剝奪模型來研究PQQ對DNA損傷的影響。

研究人員發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪后 DNA 損傷和神經(jīng)元活動都會增加。PQQ 預(yù)處理減少了斑馬魚背側(cè)大腦皮層的 DNA 損傷。作為一種抗氧化劑，PQQ 可有效抑制 2,2'-偶氮二-2-甲基丙酰胺二鹽酸鹽 (AAPH) 誘導(dǎo)的活性氧 (ROS) 產(chǎn)生和睡眠剝奪，并上調(diào)抗氧化基因 sod1 和 gpx4b 的表達(dá)。

此外，PQQ 改善了沉默信息調(diào)節(jié)因子 1 (SIRT1) 表達(dá)水平的降低，表明 PQQ 可以通過激活 SIRT1 去除過量的 ROS，從而減少神經(jīng)元內(nèi)的 DNA 損傷，本研究表明PQQ具有較強的抗氧化功能，為進(jìn)一步開發(fā)睡眠恢復(fù)成分提供思路。

圖1 

03、利用斑馬魚開發(fā)口服納米抗氧化劑來改善睡眠

文章題目

Oral Nano-antioxidants Improve Sleep by Restoring Intestinal Barrier Integrity and Preventing Systemic Inflammation

雜志：National Science Review(IF=20.6)

發(fā)表時間：2023年12月4日

作者：白春禮、王春儒、甄明明等

單位：中國科學(xué)院化學(xué)研究所納米實驗室、北京分子科學(xué)國家實驗室等

文章主題：

睡眠剝奪（sleep deprivation，SD）被認(rèn)為是一種公共衛(wèi)生流行病，可引起全身炎癥和神經(jīng)損傷，并會導(dǎo)致腸道中過量活性氧（ROS）的積累，因此，通過改善腸道環(huán)境抑制全身炎癥或建立起腦-腸通信可能成為改善睡眠的潛在策略。

本研究中，利用斑馬魚、小鼠模型開發(fā)了一種口服的富勒烯納米抗氧化劑（FNAO），并闡述了其修復(fù)腸道屏障和抑制全身炎癥來改善睡眠的分子生物學(xué)機制，評價了其改善睡眠的效果，為治療睡眠障礙提供了新的研究思路。研究人員對斑馬魚進(jìn)行睡眠剝奪實驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NAO減少了斑馬魚腸道中SD引起的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，也改善了睡眠不足斑馬魚的睡眠。

圖1 

實驗結(jié)果顯示，非SD組（對照組）腸腔形狀規(guī)則，腸絨毛結(jié)構(gòu)完整，腸上皮細(xì)胞輪廓清晰，而SD組的腸道受到嚴(yán)重?fù)p害；但在FNAO治療后，腸道的絨毛和上皮結(jié)構(gòu)明顯修復(fù)，這說明FNAO可以抑制炎癥，改善腸道環(huán)境。

連續(xù)喂食FNAO5天后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NAO也明顯改善了斑馬魚的睡眠。進(jìn)一步分析顯示，與對照組相比，模型組斑馬魚在睡眠剝奪5 天后處于類似失眠的狀態(tài)，即ZT0-ZT14的活躍度降低，ZT14-ZT24的睡眠時間減少。而FNAO處理組（SDF）在ZT0-ZT14期間維持正?；钴S度，在ZT14-ZT24期間保持睡眠時間充足，且FNAO處理組的幼魚活躍狀態(tài)比褪黑素組更接近對照組，這說明富勒烯可能比褪黑素更適合用于改善睡眠。

研究人員還發(fā)現(xiàn)FNAO能通過調(diào)控巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的遷移顯著降低睡眠剝奪引起的斑馬魚幼魚腸道的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)；FNAO還能有效延長睡眠剝奪斑馬魚的壽命。

圖2

04、利用斑馬魚揭示Parp1調(diào)節(jié)DNA損傷引起的睡眠

文章題目

Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons

雜志：Molecular Cell (IF=17.9)

發(fā)表時間：2021年11月18日

作者：Lior Appelbaum教授等

單位：以色列巴伊蘭大學(xué)生命科學(xué)院多學(xué)科腦研究中心等

文章主題：

一直以來，科學(xué)家們都很關(guān)注睡眠的本質(zhì)及其對健康的影響。盡管睡眠對維持生理和心理功能至關(guān)重要，但對睡眠如何減輕細(xì)胞穩(wěn)態(tài)壓力的具體機制仍知之甚少。

本研究中，研究團隊利用斑馬魚、小鼠行為監(jiān)測，通過細(xì)胞和核標(biāo)記成像揭示了睡眠是如何減輕DNA損傷的，證實了神經(jīng)元DNA損傷可能是導(dǎo)致睡眠的重要原因，即大腦需要睡眠來促進(jìn)DNA修復(fù)活動，并發(fā)現(xiàn)PARP1通路能夠向大腦發(fā)出信號，誘導(dǎo)睡眠并進(jìn)行DNA修復(fù)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元DNA損傷與修復(fù)的平衡，這一發(fā)現(xiàn)可以解釋睡眠障礙、衰老和神經(jīng)退行性疾病之間的聯(lián)系，為未來開發(fā)睡眠障礙相關(guān)藥物奠定了基礎(chǔ)。

研究人員通過藥理學(xué)、光遺傳學(xué)技術(shù)等誘導(dǎo)斑馬魚神經(jīng)元DNA損傷模型后發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元活動和誘變劑能夠誘導(dǎo)DNA損傷，進(jìn)而觸發(fā)睡眠和DNA修復(fù)過程。一旦 DNA 損傷積累超過最大閾值時，斑馬魚就會進(jìn)入睡眠狀態(tài)，斑馬魚至少需要 6 個小時的睡眠來修復(fù)DNA損傷，如果睡眠時間不足，DNA 損傷就無法被充分修復(fù)。

研究團隊還發(fā)現(xiàn)，PARP-1在睡眠剝奪后活性增加，且在斑馬魚和小鼠中能夠促進(jìn)睡眠；PARP-1活性的抑制，減少了依賴睡眠的染色體動態(tài)和修復(fù)活動，這意味著PARP-1不僅可以感知細(xì)胞壓力，還能夠促進(jìn)睡眠和修復(fù)活動，從而減少DNA損傷。PARP1蛋白是大腦感知DNA損傷并驅(qū)動睡眠的關(guān)鍵因素。

圖1 

05、茶葉茶氨酸與酸棗仁水提物的改善睡眠作用的研究

文章題目

茶葉茶氨酸與酸棗仁水提物的改善睡眠作用的研究

雜志：分析檢測

發(fā)表時間：2022年12月29日

作者：朱晶晶、焦劼等

單位：上海諾德生物實業(yè)有限公司等（環(huán)特生物開展斑馬魚實驗）

文章主題：

失眠是目前社會上普遍的睡眠障礙，其中，我國有1/3 以上的成年人存在睡眠障礙。目前，將酸棗仁水提物與天然來源的茶葉茶氨酸聯(lián)合使用的研究較少。本研究基于戊四唑誘導(dǎo)建立的斑馬魚失眠模型，以奧沙西泮對陽性對照藥物，分別研究了茶葉茶氨酸和酸棗仁水提物的改善睡眠的作用，也進(jìn)一步將茶葉茶氨酸和酸棗仁水提物聯(lián)用，研究了酸棗仁茶葉茶氨酸復(fù)合物的改善睡眠的作用。

方法：利用戊四唑（PTZ）溶液誘導(dǎo)斑馬魚并建立失眠模型后，分別給予不同濃度的茶葉茶氨酸、酸棗仁水提物和酸棗仁茶葉茶氨酸復(fù)合物（1∶1）溶液，采用行為分析儀測定給藥后斑馬魚的總運動距離，以總運動距離評價茶葉茶氨酸、酸棗仁水提物和酸棗仁茶葉茶氨酸復(fù)合物對PTZ誘導(dǎo)的斑馬魚失眠癥的睡眠改善作用。

結(jié)果：62.5μg·mL~(-1)、125.0μg·mL~(-1)和250.0μg·mL~(-1)的酸棗仁水提物對PTZ誘導(dǎo)的失眠斑馬魚的睡眠改善效果分別為40%、89%和109%；在125.0μg·mL~(-1)濃度條件下，茶葉茶氨酸對失眠斑馬魚具有突出的睡眠改善作用，達(dá)到了63%，同時，在62.5μg·mL~(-1)和250.0μg·mL~(-1)濃度條件下，茶葉茶氨酸也表現(xiàn)出了較好的睡眠改善作用，分別為30%和29%；此外，250.0μg·mL~(-1)和500.0μg·mL~(-1)的酸棗仁茶葉茶氨酸復(fù)合物對失眠斑馬魚也具有顯著的睡眠改善作用，分別為80%和113%。

結(jié)論：茶葉茶氨酸、酸棗仁水提物和酸棗仁茶葉茶氨酸復(fù)合物都具有一定改善睡眠的作用，可作為睡眠改善輔助治療的功效成分應(yīng)用于普通食品、保健食品和藥品開發(fā)。

作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務(wù)開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，環(huán)特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”四位一體的綜合技術(shù)服務(wù)體系，開展健康美麗CRO服務(wù)、科研服務(wù)、智慧實驗室搭建三大業(yè)務(wù)。目前，環(huán)特已建立改善睡眠等200多種斑馬魚模型及腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養(yǎng)平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！