先天性心脏缺陷(CHD)是最常见的出生缺陷，包括一系列结构畸形，包括间隔缺陷、流入和流出道畸形、腔室发育不全和瓣膜发育不全等。尽管与具有双循环系统的哺乳动物的四腔心脏相比，斑马鱼的两腔心脏相对简单，但斑马鱼心脏发育的分子调控和形态发生过程是高度保守的。

卜海松等提取先天性心脏病患者外周血和gDNA，筛选出先心病的候选致病基因 KIAA0196，并利用CRISPR/Cas9技术建立了KIAA0196敲除斑马鱼，突变斑马鱼表现出类先天性心脏病缺陷。朱哲等基于转录因子Tbx20 对心脏腔室结构形成的关键调控作用，对1细胞期胚胎显微注射建立模型。突变体斑马鱼表现为静脉窦瘀血，心脏环化失败，结构异常表型与人类先心病缺损一致，可用于探究该基因在心脏腔室分化过程中的作用机制。Gata4基因在心脏发育中起重要作用，调控心肌细胞形成、迁移和分化，是先天性心脏病的相关基因，刘静运用TALEN技术建立了Gata4突变斑马鱼，为该病的遗传发育研究提供实验模型。

图1 先天性心脏缺陷的斑马鱼模型

斑马鱼的先天性心脏缺陷通常在 2 dpf 时进行分析，此时心脏已经历初始循环形态发生并位于蛋黄上方、腹侧和头部后方。可以区分心房 (A) 和心室 (V) 的形态，并且可以看到房室管和流出道。异位性表型可以通过心脏环状形态的方向性来评估，心脏通常在正常左右模式下经历d环（原位），但可以反转（s环）或保持在中线（无环）如果胚胎侧向性被破坏。

此外，斑马鱼是研究环境因素对心脏发育影响的绝佳模型。PM2.5与CHD发病率增加有关，斑马鱼胚胎暴露于PM2.5会导致发育性心脏缺陷，包括心脏畸形和心动过缓。该模型已被用于识别可改善PM2.5对心脏影响的化合物，例如叶酸。叶酸对发育性心脏缺陷的保护作用也在胎儿酒精谱系障碍的斑马鱼模型中有所描述，这证明了早期发育过程中持续接触酒精对心脏形态和生长的负面影响。斑马鱼也被用来模拟妊娠期糖尿病/高血糖对心脏发育的影响。总之，斑马鱼可以模拟遗传或环境起源的CHD的机制。

心肌病代表一系列心脏病，包括心肌的结构变化，包括三个主要类别。扩张型心肌病(DCM)是一种进行性疾病，其特征是心室扩大（通常为左心室）、心肌壁变薄和心输出量减少。肥厚型心肌病(HCM)与心室壁增厚有关。致心律失常性心肌病(ACM)涉及心肌细胞的变性，并逐渐被纤维脂肪瘢痕组织替代，影响心脏功能并导致结构性心脏重塑。通常，心脏功能逐渐受损，常常导致心力衰竭。心肌病和心力衰竭的标志在斑马鱼中是保守的，包括与心肌病和心力衰竭相关的基因的上调，例如nppa/nppb。因此，斑马鱼的研究通过对新型心肌病候选基因的功能验证，极大地促进了我们对心肌病潜在机制的理解。例如，2015年的一项研究描述了胚胎和成年斑马鱼心脏的转录组学分析，确定51个DCM相关基因中49个的斑马鱼同源物。

图2 斑马鱼心肌病模型

斑马鱼的心脏收缩力在 24 hpf 左右开始，此时心脏管已首次形成且肌节已组装。随着心脏发育，肌丝成熟，48 hpf 的心房和心室心肌细胞显示出不同的肌丝组织。心室壁心肌细胞显示皮质基底肌动蛋白，而心房心肌细胞形成跨越细胞的长肌丝，与血流方向垂直。肌节组装和功能的中断导致多种心肌病，以斑马鱼突变体或错误表达模型为代表。

传导障碍包括多种病理，其确切性质取决于整个心脏中电脉冲的产生或传播如何被破坏。尽管与哺乳动物相比，斑马鱼心脏的结构相对简单，但成年斑马鱼的心电图分析表明，成年斑马鱼心肌细胞的动作电位动力学与人类高度相似。标准化测量并建立ECG参数的基线变化，可以更详细地分析衰老动物、心律失常遗传模型或副交感神经系统抑制时心律失常如何发展。可以通过超声心动图捕获和量化胚胎和成鱼的心脏收缩力，而心脏性能也通过使用游泳隧道的运动耐力间接测量，其中成年斑马鱼在流速增加的水流中进行定时游泳，并记录到疲惫的时间。

除了斑马鱼和人类心肌细胞动作电位之间的相似性之外，斑马鱼心脏的传导动力学也对人类使用的通道阻滞剂和激活剂以及异丙肾上腺素和去甲肾上腺素等兴奋剂敏感。许多这类化合物对心脏功能或传导的影响与在人类中观察到的类似。施用刺激交感神经调节心脏功能的化合物，如去甲肾上腺素或异丙肾上腺素，会导致斑马鱼心动过速，而阿托品会抑制副交感神经输入，也会增加心率。在斑马鱼中也证明了抗心律失常药物的保守作用，胺碘酮和奎尼丁（这会导致心动过缓和延长 QT 间期）同样延长斑马鱼的QT间期。这些药理化合物对心脏功能的影响可以揭示有关健康和疾病中心脏电生理学基础分子途径的信息。

图3  心脏传导缺陷的斑马鱼模型

胚胎和成年斑马鱼心脏的心电图记录与从人类获得的心电图记录非常相似，具有可区分的 P 波、QRS 波群和 T 波，允许量化比较参数，如 QT 间期。长 QT 综合征和短 QT 综合征（LQTS 和 SQTS）均可由钾通道kcnh2中的突变引起，并分别由斑马鱼霹雳舞和雷鬼突变体建模。心脏起搏缺陷，如心房颤动（AF，失去规律的窦性心律）和病态窦房结综合征（SSS，有缺陷的窦性起搏，包括窦性暂停）也已使用斑马鱼功能丧失和错误表达模型进行建模。

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观察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。

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。

目前，已建立了几种斑马鱼心脏损伤模型，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。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。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。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。

总之，斑马鱼心脏损伤模型的构建，为心脏再生过程中的分子和细胞生物学机制研究提供了新的手段。近年来不断发展的荧光标记技术和高分辨率光学成像技术，将有助于我们进一步解析心脏多种细胞类型在此过程中互作的具体机制，有望为人类心脏疾病的治疗提供新的思路和策略。