Аквариумная рыбка данио-рерио (zebrafish, «дамский чулок») стала модельным организмом в биологии развития. На ее примере удается исследовать воздействие различных факторов на формирование и функционирование сердечно-сосудистой системы человека.
Фото: Sebastian Gollnow / dpa / ТАСС
Фото: Александр Мачихин, Александр Бурлаков, Михаил Волков
Данио-рерио — вид пресноводных рыб семейства карповых, впервые описанный в 1822 году канадским зоологом Фрэнсисом Гамильтоном. Эти маленькие (25–40 мм) тропические рыбки, обитающие в Южной и Юго-Восточной Азии, стали любимцами аквариумистов всего мира благодаря исключительной подвижности и яркой оливково-синей окраске с золотистым или серебряным отливом. В 1970-х годах американский ученый Джордж Стрейсингер предложил использовать этот вид в качестве модельного организма для изучения развития позвоночных на разных стадиях. Малые размеры, простота содержания, круглогодичная и частая (каждые 15–20 дней) возможность размножения с получением множества эмбрионов (100–2000) и малая длительность эмбрионального развития (три дня) делают данио-рерио весьма удобным объектом для наблюдения и манипуляций и позволяют проводить сравнительные эксперименты на потомстве, полученном от одной пары. К настоящему времени стадии развития данио-рерио хорошо изучены и воспроизводимы в различных условиях, в том числе на космической станции.
Известность данио-рерио приобрели благодаря генетическим экспериментам. Они стали первыми аквариумными генетически модифицированными организмами: в 2003 году им был вживлен флуоресцентный ген морских медуз, в результате чего данио-рерио приобрели яркую флуоресцентную окраску и звучное имя GloFish. Геном данио-рерио полностью секвенирован, 70% его генов гомологичны генам человека. Это позволяет эффективно использовать данио-рерио для моделирования и анализа различных болезней человека, в частности, для исследования фармакокинетики лекарственных препаратов, для проверки их токсичности, для создания трансгенных моделей онкологических заболеваний и для решения многих других медицинских задач.
В настоящее время разработана обширная база данных ZFIN (The Zebrafish Information Network), доступная онлайн, содержащая генетические, эволюционные и другие данные, характеризующие данио-рерио как модельный организм.
Важнейшим лабораторным применением данио-рерио стали исследования сердечно-сосудистых заболеваний. Благодаря сходству с человеком по частоте сердечных сокращений, электрокардиограмме предсердий и желудочков, форме потенциала действия данио-рерио широко используются в качестве модели для изучения врожденных кардиологических заболеваний, мониторинга развития кровеносных сосудов, свертываемости крови. Для контроля состояния сердечно-сосудистой системы рыбок используются эхокардиография, микроангиография, флуоресцентная визуализация и другие инвазивные методы.
Но особый интерес представляют неинвазивные, бесконтактные методы исследования и визуализации сердечно-сосудистой системы данио-рерио, а также оценки ее состояния и характеристик на ранних стадиях развития. Такие исследования позволяют отследить воздействие различных факторов на функционирование сердца и процесс его формирования. Благодаря прозрачности тела данио-рерио на эмбриональных и личиночных стадиях оптические наблюдения являются основным методом подобных исследований in vivo.
Известно, что модуляция скорости кровотока в живых организмах приводит к изменению коэффициента поглощения света. При исследовании данио-рерио показано, что изменение объема крови в области сердца проявляется в периодических временных зависимостях интенсивности света, проходящего через данную область.
Ученые из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и Университета ИТМО разработали отечественное оборудование и программное обеспечение, позволяющие in vivo по серии изображений эмбриона или личинки данио-рерио, полученных с помощью микроскопа проходящего света, автоматически визуализировать карту кровеносных сосудов, вычислить параметры и частоту сердечных сокращений и рассчитать скорость кровотока в различных сосудах. Эти данные могут быть использованы для неинвазивного анализа структуры сосудов, исследования динамики протекания различных заболеваний и воздействия различных факторов (температуры, радиации, вирусов и пр.) на функционирование сердечно-сосудистой системы. Данное исследование опубликовано в журнале Journal of Biophotonics.
Поскольку данио-рерио используется для моделирования и анализа воздействия широкого спектра бактериальных, вирусных и паразитарных патогенов, разработанный российскими учеными подход может найти применение для оперативного исследования влияния таких патогенов на функционирование сердечно-сосудистой системы и экспресс-тестирования эффективности и безопасности разрабатываемых вакцин, что особенно актуально в сегодняшней ситуации.