《Frontiers in Synaptic Neuroscience》：Zebrafish as a translational model for peptide-mediated synaptic dysfunction related to obesity
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肥胖驱动的突触功能障碍正日益被认为是将代谢障碍与神经退行性疾病联系起来的关键机制。本综述旨在探讨斑马鱼作为一种转化模型的效用，以研究这些机制并筛选基于肽的治疗策略。由于其光学透明性、遗传易处理性以及对高通量筛选的适用性，斑马鱼为研究神经回路和在体内评估生物活性
肥胖驱动的突触功能障碍正日益被认为是将代谢障碍与神经退行性疾病联系起来的关键机制。本综述旨在探讨斑马鱼作为一种转化模型的效用，以研究这些机制并筛选基于肽的治疗策略。由于其光学透明性、遗传易处理性以及对高通量筛选的适用性，斑马鱼为研究神经回路和在体内评估生物活性肽提供了一个强大的平台。研究人员总结了当前关于肥胖相关突触损伤的病理生理过程的证据，包括对代谢激素的中枢抵抗、氧化应激以及促进持续免疫激活和神经炎症的慢性炎症状态。此外，生物体中这些干扰的持续存在可导致功能障碍和病理改变，如帕金森病和阿尔茨海默病，本综述对这两种疾病进行了更详细的讨论。同时，特别强调了神经胶质细胞和肠-脑轴在调节突触完整性中的作用。研究人员重点阐述了前沿技术，如活体神经成像和单细胞转录组学，如何加速了斑马鱼中肽的发现和作用机制研究。此外，研究人员还讨论了新兴的治疗性肽类，如GLP-1类似物和基于BDNF的分子，它们能够调节炎症通路、恢复胰岛素信号传导并增强神经元的恢复力。总而言之，相关证据表明，斑马鱼不仅是一个用于阐明疾病机制的有力模型，而且是一个用于推进针对肥胖中突触功能障碍的肽类干预措施的重要平台。
1 引言
肥胖是一种患病率呈指数级增长的代谢障碍，已成为21世纪的主要公共卫生挑战之一。脂肪积累与心血管疾病和内分泌疾病（如2型糖尿病（DM2））的发病密切相关，同时越来越多的证据表明肥胖与一系列脑功能障碍之间存在内在联系，包括认知能力下降以及阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的发展。在肥胖背景下，慢性低度炎症、胰岛素抵抗和氧化应激制造了一个损害大脑突触完整性和功能的恶劣环境。
由于成本高、实验周期长以及实时可视化困难，传统哺乳动物模型在研究全身代谢改变引起的突触动态变化方面存在局限性。斑马鱼作为一种具有前景的实验模型脱颖而出。它结合了保守的神经代谢途径与体内成像能力和高通量筛选，成为研究肥胖相关神经退行性疾病的强大模型。在疗效测试中，斑马鱼被用于识别新型有效疗法，其中治疗性肽类在神经科学中展现出广阔前景。例如，肠促胰岛素类似物胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和神经营养因子如脑源性神经营养因子（BDNF）等多肽因其高特异性而备受瞩目。GLP-1通过调节炎症和氧化应激发挥直接的神经保护作用，从而支持大脑稳态。
2 综合模型：神经代谢研究中的斑马鱼
由于斑马鱼的体外发育、世代交替时间短以及高效的基于转座子的转基因系统，它特别适合进行大规模基因改造。在生理学上，斑马鱼拥有与人类相同的代谢器官，在能量稳态、脂质储存、胰岛素分泌和进食相关行为上具有高度相似性。因此，在斑马鱼中诱导的肥胖相关疾病与人类观察到的类似。代谢相关基因的功能直系同源物在斑马鱼中得以表达，包括过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPARγ）以及瘦素和胰岛素受体。
在饮食诱导的肥胖（DIO）范式下，利用高脂饮食或过量喂养成功模拟了人类代谢综合征的多基因和环境复杂性，包括全身脂质转移和严重的肝脂肪变性。这些模型为研究血脑屏障（BBB）破坏和局部突触功能障碍等下游神经生物学共病建立了双实验基线。斑马鱼具备在重大损伤后再生大脑的能力，允许探索神经保护和神经发生机制。该模型表达谷氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）受体，且由于突触后密度蛋白95（PSD-95）的存在，能够详细观察突触可塑性过程。此外，与神经退行性疾病相关的易感基因，包括淀粉样前体蛋白（APP）和早老素（PSEN1/2），在该物种中也是保守且具有功能活性的。
3 肥胖诱导的突触功能障碍
突触功能障碍是先于认知衰退和神经退变的关键病理事件，表现为突触结构和功能的改变、神经元通讯受损以及晚期的突触丢失。肥胖引起的神经毒性主要源于激素失调、慢性炎症和氧化应激。核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）信号通路是抗击氧化应激的主要细胞防御机制。在斑马鱼饮食诱导肥胖模型中，端脑中Nrf2表达减少，伴随超氧化物歧化酶1（sod1）和过氧化氢酶（cat）等关键抗氧化基因下调，导致活性氧（ROS）积累并损害突触完整性。
同时，肥胖促进了Toll样受体4（TLR4）/核因子κB（NF-κB）信号轴的激活，增加促炎细胞因子如白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）的表达。持续的炎症通路激活导致神经炎症并加剧突触功能障碍。胰岛素和瘦素等调节大脑功能的肽类激素失调将引发认知障碍。肥胖引起的慢性代谢炎症导致海马体等区域紧密连接蛋白下调，增加BBB通透性。在斑马鱼模型中，高脂饮食同样诱导了类似于人类的胰岛素和瘦素抵抗，并表现出焦虑增加及记忆和学习缺陷等行为学改变。
≥4 代谢紊乱中非神经元细胞的功能障碍
星形胶质细胞为中枢神经系统的能量代谢提供关键支持。代谢紊乱（如肥胖）可导致该途径失调，影响海马体的突触功能。载脂蛋白E（APOE）变异体APOE4的 alters 脑脂质代谢，减少胆固醇供应，导致突触囊泡丢失和SNAP-25蛋白减少。在转基因斑马鱼模型中，星形胶质细胞中多功能蛋白DJ-1的表达可通过调节Nrf2-ARE转录途径保护其免受氧化应激。
小胶质细胞在免疫监视和突触重塑中发挥核心作用。高脂饮食通过TLR4/NF-κB途径诱导下丘脑小胶质细胞激活，释放肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和IL-1β。此外，由28个氨基酸组成的肽类 Ghrelin 信号直接影响肥胖状态下小胶质细胞的活性，导致神经炎症和突触功能障碍。在过度喂养的成年斑马鱼中，小胶质细胞激活伴随着促炎细胞因子增加和神经发生减少。少突胶质细胞对代谢改变高度敏感，其功能障碍伴随髓鞘丢失，可能导致神经元变性。肥胖状态下，细胞代谢由氧化向糖酵解转化，促进NLRP3炎症小体激活，导致IL-1β和IL-18成熟分泌，进而引发突触毒性。
≥5 微生物群-肠-脑-突触轴：斑马鱼模型的启示
肠道菌群通过微生物群-肠-脑轴成为宿主代谢、免疫稳态和中枢神经系统双向通讯的关键调节因子。肥胖引起的肠道菌群失调通过引发全身炎症、代谢功能障碍，最终导致神经炎症和突触损伤。肠道菌群衍生的代谢物（如短链脂肪酸）刺激胰岛素、瘦素等分泌，从而调节脑功能；色氨酸代谢物可通过产生神经毒性代谢物如犬尿喹啉酸引发神经退行性病变。
在斑马鱼模型中，已开发出通过饮食和基因操控构建的肥胖模型。斑马鱼在无菌模型构建方面具有革命性优势，相较于小鼠成本低且耗时短。通过此方法可研究特定微生物对神经炎症、BBB功能障碍以及病理性蛋白（如β-淀粉样蛋白（Aβ）和α-突触核蛋白（α-syn））聚集的直接作用。利用斑马鱼，可实时观察系统性刺激后血脑屏障的免疫细胞浸润和小胶质细胞激活。
6 应用于斑马鱼的技术
双光子显微镜利用红外光，可在减少损伤的同时实现更深层的组织穿透，用于体内观察斑马鱼突触、树突和整个神经元群体的高分辨率成像。光遗传学分析通过表达对光敏感的视紫红质蛋白，实现对特定神经元的精准控制，从而评估在病理状态下肽类药物恢复神经回路功能的作用。单细胞RNA测序能够在单细胞水平揭示基因表达谱，目前已应用于比较斑马鱼神经退行性疾病模型与人类组织的转录组特征，识别响应治疗的细胞亚群和遗传途径。人工智能（AI）和机器学习的应用极大增强了对体内行为数据的分析能力，能够辅助鉴别运动障碍并预测治疗性肽在结构和靶点相互作用上的有效性。
7 使用斑马鱼评估的治疗策略
斑马鱼为测试新型的肽类和蛋白质治疗方法提供了高效平台。GLP-1受体激动剂如利拉鲁肽通过激活PI3K/Akt和MAPK/ERK等胞内信号级联，促进神经元存活，并表现出抗焦虑和抗抑郁样作用。双重GIP和GLP-1受体激动剂替尔泊肽在斑马鱼饮食诱导的DM2模型中，显著改善了认知表现并恢复抗氧化和抗炎标志物水平。神经营养因子如BDNF通过结合TrkB受体促进突触可塑性。此外，垂体腺苷酸环化酶激活多肽（PACAP）的PACAP38亚型及神经生长因子（NGF）均展现出抗氧化、抗炎及神经保护功能。除蛋白质类药物外，二甲双胍、维格列汀、西他列汀、吡格列酮等抗糖尿病药物亦表现出靶向共同病理生理机制的神经保护作用。
8 斑马鱼模型的转化局限性
尽管斑马鱼与人类在基因和生理上具相似性，但仍存在解剖学差异。例如斑马鱼缺乏哺乳动物脑部典型的层状大脑皮层结构，且其寿命较人类短，其老化时间线不能与人类直接等比例对应。浸泡给药方法常导致生物利用度不可预测，而成鱼的肠外给药又大幅降低大规模筛选能力。哺乳动物肽类在斑马鱼体内的药代动力学特征仍不明确，且BBB通透性差异阻碍了有效治疗剂量的跨物种转化。此外，斑马鱼肥胖模型中脂肪组织的分布和解剖复杂性与哺乳动物不同。行为学测试亦易受运动活动改变及环境压力源的影响而产生偏差。
9 结论
斑马鱼凭借其神经代谢保守性及先进的诊断技术，确立了作为独特的转化模型的地位，成为阐明肥胖引起突触功能障碍病理生理学机制的重要平台。在药物发现流程中，其不仅成本低于小鼠模型，且保留了较体外实验更高的生物学复杂性。随着基于肽类干预策略的深入研究，斑马鱼在推动从分子发现到临床相关的代谢性神经治疗学过渡中的地位正不断巩固。
