斑马鱼心脏再生模型构建技术原理

心肌梗塞(MI)后，人类无法补充丢失的心肌细胞会导致持续性瘢痕形成、心脏功能受损、心脏重塑，并最终导致心力衰竭。尽管成年小鼠心脏的再生潜力有限，但新生小鼠心脏能够产生再生反应。

然而，这种能力在产后7天就会丧失，对接受心室切除术的新生小鼠的长期随访表明长期瘢痕形成以及扩张型心肌病。

相反，斑马鱼能够在受伤后完全再生他们的心脏，为了解提高人类再生潜力的分子机制提供了一个宝贵的模型。斑马鱼的心脏再生模型对再生背后的时间过程以及支持这些反应的分子机制提供了重要的见解。损伤后3小时(hpi)的早期反应包括促炎分子的表达和免疫的募集细胞，这对疤痕沉积和随后的再生反应很重要。同时，未受伤组织中的心内膜细胞发生形态变化并重新表达发育基因。

在炎症和心内膜激活发生后，心内膜和心外膜是最先进行大规模再生的细胞层。在3到5dpi之间，损伤部位周围的心内膜细胞增殖，然后迁移到覆盖伤口区域的内表面。冠状动脉血运重建在损伤后迅速启动，血管网络需要促进再生。再生心脏的心电图分析表明，尽管再生过程中QT间期延长，但动作电位动态在再生后恢复正常。

已经建立了几种斑马鱼心脏损伤模型（图4），心室截肢捕获心脏进行再生的能力，形成纤维蛋白凝块，在30-60 dpi内逐渐被肌肉取代（Poss等，2002；Raya等，2003）。心肌梗塞在炎症和纤维化的同时诱导多种细胞类型的死亡。因此，再生不仅需要替换丢失的心肌细胞，还需要去除死细胞、基质重塑、血运重建和心脏机电耦合的重建（Frangogiannis,2006）。这可以通过冷冻损伤在斑马鱼中建模，冷冻损伤导致心室受损部分大量局部细胞死亡，导致所有心脏细胞类型的细胞凋亡，并复制MI后发生的心脏坏死（Gonzalez-Rosa等，2011）。诱导型基因消融模型，其中细胞类型特异性启动子驱动白喉毒素(DTA)或硝基还原酶（一种将甲硝唑转化为细胞毒性剂的酶）的表达，提供了对不同细胞类型如何促进心脏再生的进一步机制见解。

图4  斑马鱼再生模型。斑马鱼心脏在受伤后能够完全再生。在切除模型中，心室心尖被截断，导致形成纤维蛋白凝块，新的心脏组织在 60 天内生长。在冷冻损伤模型中，冷冻探针应用于心室，导致局部细胞死亡。随后发生炎症和细胞碎片清除，并在损伤部位形成疤痕。大约 120 天后疤痕消失，心脏再生。

有趣的是，尽管对冷冻损伤的再生反应很强，但疤痕吸收会随着反复损伤而减弱，并且在六次冷冻损伤后，心脏无法解决纤维化组织（Bise等，2020）。虽然这表明心脏可以在多次损伤后再生（多次损伤后心肌细胞本身的再生能力似乎不会受到影响），但它表明用新的心肌细胞替代纤维化组织的能力是有限的。多重损伤模型提供了将促再生程序与纤维化和疤痕消退的程序分开的机会，这可能对改善MI中的心脏功能有影响，尽管心脏存在疤痕。

斑马鱼遗传和再生模型的结合还可以深入了解心脏功能障碍如何改变再生能力，以及如何开发治疗剂以提高这种能力。斑马鱼霹雳舞突变体LQTS模型的心脏再生受损，与细胞外基质(ECM)沉积增加和过度炎症相关。尽管在该模型中施用炎性化合物如地塞米松或 MMP 抑制剂可促进疤痕消退和再生，但再生过程中免疫反应的时间和演变可能对介导再生至关重要。而斑马鱼代表了一个很好的模型，可以直接研究如何操纵免疫反应来促进人类的再生。

同样，靶向ECM重塑代表了一种有前途的治疗途径。2016年的一项研究表明，再生斑马鱼心脏的ECM在哺乳动物非再生模型中具有促进再生的作用，表明特定的ECM成分可能是促进再生特定方面的关键。与此一致的是，最近的研究报告称，将ECM组分集聚蛋白施用于MI后小鼠和猪心脏可改善心脏再生，证明斑马鱼的见解可以为制定治疗策略奠定基础。

虽然已经使用斑马鱼对心脏再生进行了重要的了解，但一个限制在于实时监测形态和功能恢复的能力，依赖于固定组织分析（尽管光片成像有助于在整个组织环境中可视化再生）。再生心脏MRI成像的进展为评估同一动物随时间的再生提供了新的机会（Koth等，2017），而开发用于培养外植受伤心脏的流体装置允许对血管重建等过程进行实时成像，提供对再生过程中特定细胞相互作用的更详细见解。

总体而言，对斑马鱼的心脏发育、功能和再生进行实时、体内分析的能力提供了一个独特的机会，来定义发育过程中的形态和功能异常与生命过程中的心脏功能障碍和结构重塑之间的关系。