211service.com
Sov med fiskarna
Det finns ett nytt marsvin i jakten på sömnrelaterade droger: zebrafisken. Forskare vid Harvard University har utvecklat ett screeningverktyg som testar effekterna av tusentals föreningar på zebrafiskens beteende i ett försök att upptäcka nya vägar som styr sömnen. Forskningen publicerades denna vecka i tidskriften Vetenskap , kan resultera i nya läkemedel för att behandla sömnlöshet och andra sömnrelaterade störningar.
Sömnigt huvud: Harvard-forskare använder zebrafisk som modell för att hitta läkemedelskandidater för sömnlöshet och andra sömnstörningar. På bilden ovan är huvuddelen av en zebrafisklarv. Zebrafiskens hjärna är märkt med grönt.
Alexander Schier och hans kollegor vid Harvard utvecklade ett automatiserat system för att bedöma 60 000 distinkta sömnrelaterade beteenden hos zebrafisk, en tropisk fisk som ofta används i vetenskaplig forskning. Efter screening av 5 600 små molekyler på larverna upptäckte teamet 463 signifikanta sömnförändrande föreningar, av vilka många har varit kända för att ha liknande effekter på människor.
Vi förväntade oss inte lika mycket bevarande av effekterna av läkemedel mellan människor och zebrafisk, säger Schier, professor i molekylär och cellulär biologi. Detta var ett principbevis på att många av de vägar som finns hos människor är bevarade i fisk.
Schier säger att sådana beteendemässiga likheter kan göra zebrafisk till en idealisk modell för att studera hur och varför människor sover, mysterier som till stor del är olösta. Det är fortfarande oklart vilka molekylära mekanismer som styr sömn och vakenhet. Att lokalisera dessa vägar och hitta läkemedel för att blockera eller marknadsföra dem är ett stort fokus för många läkemedelsföretag – sömnläkemedel genererar 7 miljarder dollar i årlig vinst i USA. Läkemedelsutvecklingsprocessen är dock tråkig och dyr. Schier tror att testning av drogkandidater i zebrafisk kan vara ett billigt och enkelt alternativ till konventionell drogscreening.
Vanligtvis, för att testa ett läkemedel, studerar forskare först dess effekter i odlade celler, för att se om läkemedlet binder framgångsrikt till en målreceptor eller molekyl. De avancerar sedan läkemedlet till djurexperiment och testar beteendeeffekter hos levande försökspersoner. Men läkemedel som har vissa effekter i odlade celler har ofta oväntade biverkningar – eller ingen effekt – hos ett levande djur.
Fördelen med zebrafisk är att man kan hålla stora mängder djur på ett väldigt litet utrymme, och föda upp många, många djur relativt billigt, säger Schier. Till skillnad från flugor och maskar, som ofta används i de tidiga stadierna av läkemedelsforskning, är fiskar ryggradsdjur. Det finns mycket i zebrafisk som är relevant för däggdjur, säger han.
För att screena drogerna pipetterade forskare enstaka zebrafisklarver i en liten brunn i en bricka med 96 brunnar. Varje brunn injicerades med ett läkemedel, med ett läkemedel som testades på 10 olika larver. De placerade brickan i en inspelningskammare med infraröda och vita LED-lampor och en kamera kopplad till datorprogramvara. Efter att ha satt upp brickan med ett motsvarande rutnät på datorskärmen, programmerade forskarna ljusets timing för att simulera dag och natt. Kameran registrerade varje fisks aktivitet under två dagar, och programvara för videospårning ritade ut varje fisks rörelser per sekund.
Z för zebrafisk: Zebrafisklarver (ovan) är naturligt genomskinliga. Forskare hoppas att en dag studera effekterna av sömnläkemedel på hjärnan och ryggmärgen, vilket kan ses på bilden ovan som en lång vit struktur som sträcker sig från vänster till höger.
Med hjälp av klustringsalgoritmer grupperade Schier och hans kollegor fisk i 60 000 distinkta beteendeprofiler, beroende på olika begränsningar. När du släcker lampan, hur ofta är de aktiva? När de är inaktiva, hur länge? Det är vad vi observerar i fisken, säger Schier. Du kan mäta många olika parametrar, och det gör att du kan profilera olika droger.
Antiinflammatoriska medel, såsom cytokiner, icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel och ciklosporin, hade en överraskande effekt. Normalt inducerar dessa läkemedel sömn när de tas för att bekämpa infektioner som influensa. Schier fann dock att när de gavs till normal, frisk zebrafisk, gjorde dessa föreningar, eller immunmodulatorer, fisken mer aktiv under dagen.
Vid sjukdom har immunmodulatorer varit inblandade i sömnen, säger Schier. Vi föreslår att det kanske finns någon baslinjefunktion för dessa immunmodulatorer under normala sömn- och vakencykler.
Sådana fynd kan hjälpa forskare att identifiera nya molekylära aktörer som är involverade i sömn och vakenhet. Irina Zhdanova , docent i anatomi och neurobiologi vid Boston University Medical School, studerar de fysiologiska mekanismerna för dygnsrytm och sömn hos zebrafisk. Zhdanova säger att det finns många sömnrelaterade läkemedel på marknaden med betydande biverkningar; dessa effekter kan undvikas med bättre screeningverktyg.
Den enorma omfattningen av läkemedel som testats [av Schiers grupp] visar att zebrafiskbaserade tester effektivt kan användas för att åtminstone förhandsgranska flera klasser av befintliga läkemedel och nya kandidatsubstanser, säger Zhdanova. [Det är] verkligen till stor hjälp.
I framtiden, säger Schier, kan zebrafisk också användas som en modell för att testa läkemedel för mänskliga psykiatriska sjukdomar som schizofreni och autism. Tanken är att identifiera gener förknippade med den mänskliga sjukdomen, och försöka konstruera samma genetiska defekt hos zebrafisk. Forskare kan sedan leta efter vissa beteendeförändringar som ett resultat, såsom en fisks känslighet för beröring eller dess reaktion på visuella signaler.
Förhoppningsvis skulle det finnas ett samband mellan den påverkade genen och beteendeförändringar, och man skulle försöka korrigera beteendeförändringen genom att lägga till särskilda droger, säger Schier. Det är lite science fiction för tillfället, men det är möjligt.