题目：Zebrafish swimming towards cures: a scalable NAM platform for drug discovery

原文链接：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/42264431

期刊：Drug Discovery Today

摘要

药物研发面临成本不断攀升、周期不断延长以及约90%的失败率这三大难题，这也促使美国国立卫生研究院（NIH）和美国食品药品监督管理局（FDA）出台指导意见，以减少动物实验。作为一种新方法斑马鱼（Danio rerio）作为一种模式生物（NAM），架起了高通量体外实验与哺乳动物模型之间的桥梁。其遗传可操作性、光学透明性、快速发育特性、高繁殖力以及与人类的基因组相似性，使得药物开发过程中的全生物体筛选具备成本效益。本综述梳理了斑马鱼从靶点识别到监管评估的各类应用，并探讨了自动化、成像、人工智能（AI）以及基因工程领域的进展如何拓展其应用边界。同时，重点阐述了斑马鱼如何作为互补性平台，加速治疗发现与精准医学的发展。

引言

可成药基因组（即可被小分子靶向的蛋白质）估计包含3000至4500个基因，但美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物仅针对其中5%至10%的基因，仍有大量未被探索的靶点空间¹。每研发一种获批药物的成本约为26亿美元，耗时10至15年。尽管高通量筛选、计算建模和组学技术取得了进展，但约90%的候选药物因疗效不足或不可预见的毒性在后期试验中失败。体外研究虽可规模化，却具有简化论特征，往往无法体现系统性相互作用。这些挑战凸显了对新型评估方法（NAMs）的需求——这类方法需兼具生理相关性、可规模化性和成本效益。

斑马鱼（斑马拟丽鱼）是药物研发中一种极具价值的脊椎动物模型，它架起了体外实验与哺乳动物体内研究之间的桥梁。尽管自20世纪60年代起便广泛应用于发育生物学研究，但凭借保守的器官系统、快速的发育进程以及高繁殖力，斑马鱼如今已在生物医学研究和临床前药物研发流程中站稳脚跟。值得注意的是，斑马鱼幼鱼可实现高通量的完整生物个体实验在哺乳动物系统中无法达到的规模和成本的化学筛选。

斑马鱼与人类在遗传和药理学方面具有高度一致性：约70%的人类基因至少有一个斑马鱼同源基因，近84%的人类疾病基因在斑马鱼中保守存在¹²。斑马鱼体型小且对小分子物质具有通透性，可实现无创给药，并对发育、生理和行为表型进行实时纵向评估。这些特性使斑马鱼适用于高内涵体内表型筛选，能够同时筛选化合物并评估其毒性。除筛选外，斑马鱼还为靶点验证和精准医学提供了遗传工具，包括CRISPR/Cas9敲除和敲入模型、组织特异性转基因动物以及吗啉代敲减技术（图1）。其实际应用成果包括在斑马鼠德雷夫综合征筛选中发现的氯米唑和洛卡塞林，这些化合物已被证实具有临床相关性（表1）。随着自动化技术、基因工程和人工智能驱动分析的不断发展，斑马鱼有望在药物发现流程中占据核心地位。

在本综述中，我们探讨了斑马鱼正如何越来越多地应用于整个药物研发流程：从筛选有潜力的药物靶点，到临床前测试，甚至涉及监管相关问题（图2）。我们重点指出了斑马鱼的优势所在，以及其局限性仍需解决的方面。

斑马鱼模型中的靶点识别与验证

鉴于许多人类疾病通路在斑马鱼中具有保守性，遗传和化学筛选可在整个生物个体的背景下识别致病基因和药物靶点。 正向遗传筛选和吗啉代敲低技术助力发现了调控疾病表型的基因。Nasevicius 和 Ekker 首次将吗啉代敲低确立为早期胚胎中基因失活的快速方法，制备出已知突变体的“表型模拟体”。如今，这些方法与转基因技术及靶向基因编辑（锌指核酸酶、转录激活子样效应因子核酸酶和成簇规律间隔短回文重复序列/CRISPR 相关蛋白 9）相结合，以构建精准的疾病模型。尤其是 CRISPR/Cas9 技术彻底革新了斑马鱼遗传学研究：Jao 等人在多个基因座实现了75%至99%的诱变，且双等位基因敲除效率高、生殖系传递有效，这使斑马鱼成为一种可规模化的基因敲除工具。(F_{0}) “crispant”（CRISPR 靶向的嵌合突变体）和稳定的突变品系现已常规用于疾病基因的检测功能。

跨疾病领域的应用

斑马鱼模型已被应用于多种疾病的研究。在肿瘤学领域，研究人员利用斑马鱼构建人类癌症模型，并开展体内化学和遗传筛选，以寻找新型靶点和药物。例如，伦纳德·佐恩团队借助斑马鱼鉴定出造血干细胞的调控因子；一项小分子筛选发现前列腺素E2（PGE2）可促进造血干细胞（HSC）生成，后续研究推动了PGE2类似物的临床试验，以改善人类骨髓移植。同样，阿布莱因等人对人类黏膜黑色素瘤进行了靶向测序，随后在斑马鱼中通过转基因技术和CRISPR基因编辑在嵌合斑马鱼中表达候选癌基因或敲除肿瘤抑制基因，证实SPRED1是KIT驱动型黑色素瘤中的肿瘤抑制基因。对成年转基因鱼的药物测试显示，KIT抑制剂达沙替尼可杀伤KIT驱动型黑色素瘤，但SPRED1失活时则无效；在此情况下，仅MEK抑制剂曲美替尼发挥作用。这一研究证明了基于CRISPR的人类候选基因敲除如何改变肿瘤行为，并在体内指导治疗方案的选择。

斑马鱼也是研究心血管疾病和代谢疾病的宝贵模型，因为它们的心脏在72小时内发育完成，易于成像，且与人类共享许多疾病相关通路和突变，包括影响肌节功能、离子通道和血管生成的通路与突变。斑马鱼被用于研究药物诱导的心脏毒性，因其保守的心脏电生理特征与人类长QT综合征和心律失常反应相似。在肥胖、2型糖尿病（T2DM）和高脂血症等代谢疾病研究中，研究人员通过多种方法构建斑马鱼模型，包括通过高脂或高胆固醇饮食诱导饮食性肥胖（DIO）、对pdx1、plxnd1或lxra等靶基因进行基因编辑，以及使用葡萄糖或链脲佐菌素等试剂进行化学诱导。这些模型可复现人类的关键病理特征，包括肥胖、肝脂肪变性、糖耐量受损、胰岛素抵抗和血脂水平升高。在青少年发病的成人型糖尿病（MODY）的pdx1突变模型中，广泛用于糖尿病治疗的二甲双胍给药可恢复β细胞数量、使血糖水平恢复正常并提高存活率。这些表型与二甲双胍在2型糖尿病患者身上的作用效果一致，证实了该模型的转化研究价值。

在神经系统和行为障碍研究中，斑马鱼模型利用斑马鱼幼体的透明性，可直接实时观察神经回路和行为。鱼类的神经元、神经胶质细胞和神经递质系统具有高度保守性，且斑马鱼幼体表现出可测量的行为。癫痫是一个显著的例子：缺乏电压门控钠通道基因scn1Lab的斑马鱼突变体可模拟德雷夫综合征（一种由人类SCN1A基因突变引起的严重儿童癫痫）。巴拉班等人研究发现，scn1Lab突变体幼体会出现自发性电癫痫发作和抽搐。对约320种药物进行的靶向筛选显示，克利米唑（一种美国食品药品监督管理局批准的抗组胺药）能有效抑制这些斑马鱼的癫痫发作。这一结果不仅验证了斑马鱼模型在癫痫药物研发中的价值，还提出了将现有药物重新用于治疗德雷夫综合征的思路。其他神经发育和神经退行性疾病模型也在积极研发中：例如，表达人类α-突触核蛋白的斑马鱼可模拟帕金森病的部分特征；疾病风险基因敲低模型（如脊髓性肌萎缩症的smn1基因或自闭症的shank3b基因）也被用于药物筛选抑制因子。

筛选命中识别与优化

斑马鱼胚胎能轻易从水中吸收化学物质，且可排列在微孔板中进行高内涵筛选（图3）。全生物筛选、光学透明性以及与人类的高度同源性，使得研究人员能够快速对化合物文库进行表型分析，并提前降低候选药物的风险。体内环境设置了具有生物学意义的筛选标准：可评估化合物在完整生物体内的靶点结合情况；化合物活性与血脑屏障通透性相关；而发育过程依赖于精密调控的信号通路，这意味着非特异性或广谱抑制性化合物会迅速引发致死效应，从而形成了一种内在的选择性筛选机制。因此，斑马鱼研究体系已被用于识别具有生物活性的小分子、阐明构效关系（SAR），以及支持药物重定位研究。

多样的表型筛选方式

斑马鱼的多功能性支持一系列筛选模式，这些模式利用了它们的遗传可追溯性、与高通量成像的兼容性和自动化分析。在这里，我们将这些模式分为形态筛选（包括转基因辅助的筛选）、行为筛选和基因表达报告筛选，每种筛选模式都提供独特的命中识别和优化筛选模式。

形态学筛选（包括转基因辅助筛选）

斑马鱼形态学筛选聚焦于胚胎或幼虫的可见结构变化，可直接反映化合物诱导的发育扰动。这些检测方法在识别发育信号调控因子、器官发生、组织重塑及毒性相关物质方面尤为有效，因为利用明场显微镜可快速评估形态、大小或模式的改变。Hong 团队率先将斑马鱼用于化学筛选，通过以胚胎初级轴背化作为表型读数，鉴定出骨形态发生蛋白（BMP）信号抑制剂背调素。转基因辅助的形态学筛选引入荧光报告基因，以突出特定细胞或组织的生理过程，从而提升了该技术的应用价值，实现了灵敏度更高的高内涵分析。 fli1:EGFP 等标记内皮细胞的转基因品系，已被用于量化抗血管生成化合物诱导的血管重塑，为癌症治疗用血管内皮生长因子（VEGF）抑制剂的临床前验证提供了重要依据。同样，视网膜变性中感光细胞形态的转基因模型优先筛选可恢复视锥或视杆结构的化合物，而血管突变体的单倍体转基因筛选则揭示了维持血管完整性的关键调控因子。利用标记迁移后侧线原基（PLLp）细胞的 cldnb:EGFP 进行表型驱动筛选，也成功发现了集体细胞迁移抑制剂，证明该平台能够在癌症模型中筛选出抑制转移的化合物。这些方法为识别受发育信号改变影响的结构变化提供了直观读数，助力活性物质的筛选鉴定。

行为学筛选

行为学筛选利用斑马鱼幼体丰富的可量化运动和反应特征，为研究神经类和精神类药物的作用效果提供了重要线索。这些检测方法采用配备红外摄像头的高通量运动追踪系统和轨迹分析软件，来分析化合物诱导的活动模式变化，使其成为神经活性化合物库筛选的理想工具。简单的行为学范式包括光运动反应（PMR），其中胚胎受光诱导的运动可作为神经毒性或兴奋性的替代指标；以及视觉运动反应（VMR）检测，该方法已被用于筛选β受体阻滞剂，例如卡维地洛，以改善色素性视网膜炎模型中的视网膜变性表型。趋壁性是一种与焦虑相关的贴壁行为，已被用于筛选抗焦虑药物；而惊跳反应检测则用于探究感觉-运动整合功能。一项具有里程碑意义的研究以睡眠-觉醒周期为检测指标，筛选了超过5000种化合物，通过褪黑素信号传导等保守通路发现了新型催眠药和觉醒状态调节剂。

深度学习和机器视觉领域的近期突破实现了复杂的行为指纹识别技术：研究表明，基于深度自编码器的模式识别相比传统统计方法，能以更高的灵敏度识别神经活性物质和发育性神经毒物，可对暴露于环境化学品和药物的斑马鱼幼虫的细微异常进行分类。该方法既可以在大规模毒理学筛选中实现异常检测，也能预测化学品对神经回路的作用。尽管社会行为检测的高通量应用较少，但已有研究通过斑马鱼评估其社交趋近与社交维持行为，其行为改变被用于构建自闭症谱系障碍等神经发育障碍的模型。对这些行为的药理学调控为保守的社交神经环路研究提供了新的思路。

基因表达报告子筛选

基因表达筛选采用由通路特异性反应元件驱动的荧光或发光报告基因转基因品系，能够实时、无创地监测化合物诱导的分子反应。该方法尤其适用于识别细胞内信号级联的调节剂，此时整体表达水平（如上调或下调）作为主要读数，可通过微孔板实现高通量定量酶标仪或成像技术。

报告基因检测的一个例子是使用FGF信号通路报告基因dusp6，该基因被用于构建Tg(dusp6:d2EGFP)品系，其通过不稳定型绿色荧光蛋白（GFP）的表达对成纤维细胞生长因子（FGF）通路的激活产生响应。在高内涵化学筛选中，这一转基因系统成功鉴定出了新型FGF激活剂与抑制剂，其中包括(E)-2-亚苄基-3-(环己基氨基)-3,4-二氢-2H-吲唑-5-醇（BCI）。BCI可抑制Dusp6的活性，从而扩增心肌细胞谱系并促进心脏再生。同样，针对Wnt、Notch和Hedgehog信号通路的报告基因（SPR）品系也已被用于筛选通路特异性调节剂，并融入到更广泛的系统生物学研究体系中。

另一个关键实例是糖皮质激素反应性活体斑马鱼荧光素酶活性（GRIZLY）检测法，这是一种用于糖皮质激素信号传导的转基因荧光素酶报告系统。该检测法以高灵敏度和特异性检测活体活性，能够捕捉代谢激活化合物或改变内源激素生成的物质所产生的影响。在化合物库筛选中，它已发现了新型激动剂和拮抗剂，助力寻找副作用更小的抗炎药物。该检测法通过斑马鱼幼体的荧光素酶活性提供一种简便、时间分辨的定量读数，可作为独立平台使用，也可整合到高通量筛选（HTS）流程中，其详细方案重点阐述了数据标准化、质量控制和可视化方法。

治疗性筛选（也称为挽救筛选或抑制子筛选）

斑马鱼的治疗性筛选核心是在已建立的遗传或化学诱导模型中识别能够挽救疾病表型的化合物。 这些检测利用斑马鱼保守的生理特征和器官结构，能够在单一完整生物个体的背景下同时评估药效、毒性和作用机制。从概念上讲，这些筛选与传统的基于表型的检测类似，但侧重点相反，它们寻找的是恢复受损生物功能的药物，而非扰乱正常生理状态的物质。一个典型的例子是彼得森（Peterson）等人开展的网格抑制子（gridlock suppressor）筛选，该研究中hey2基因（网格基因）的突变会背主动脉循环；对约5000种化合物的筛选发现，PI3K抑制剂能够挽救突变胚胎的血流。在肌肉营养不良等遗传病模型中，斑马鱼可提供敏感的形态学读数，可用于定量筛选。一种广泛应用的方法利用了有序肌纤维的双折射特性，这类肌纤维在偏振光下会在深色背景中呈现明亮的光。这种视觉检测方法可快速识别出能恢复营养不良胚胎肌肉完整性的化合物，其标准化参数确保了研究结果的可重复性和可比性。借助治疗性筛选方法，斑马鱼研究已为多种适应症筛选出了先导化合物，包括心血管疾病、神经系统疾病和代谢性疾病，这些化合物持续为临床前药效学研究和转化研究提供参考。

构效关系研究

斑马鱼在药物研发中一个更独特的用途是作为体内早期模型纳入体内构效关系（SAR）研究，通过评估效力、选择性和全生物体生物活性来优化候选药物。尽管多索莫芬是在斑马鱼的表型筛选中被发现的，但其胚胎呈现出两种不同的表型：第一种是通过抑制ALK2引发背化作用，进而导致轴缩短；第二种是抑制另一种受体酪氨酸激酶（RTK）——血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）后，体节间血管消失。通过对类似物的迭代合成和体内测试，研究人员明确了受体特异性和表型分离的关键结构要求，最终开发出选择性更高的ALK2抑制剂（如DMH1）和选择性更高的血管内皮生长因子（VEGF）抑制剂（如DMH4）。斑马鱼模型在前列腺素E2类似物（如dmPGE2）的鉴定中也发挥了关键作用，这类物质可增强造血干细胞关键的是，体内结构活性关系（SAR）避免了典型体外测定所固有的伪影。基于细胞和无细胞系统在非生理条件、异源过表达、人工离子组成和温度、去污剂增溶受体或简化膜的环境中运行，且缺乏辅助蛋白和代谢能力。它们通常需要超生理水平的激动剂才能获得足够的信噪比。这些偏差会改变受体构象、改变信号放大、偏向通路选择，并掩盖或夸大竞争性与变构机制，从而导致效价、效力和选择性发生变化，难以预测体内药理学。在具有天然受体表达、组织背景、代谢和代偿性信号传导的完整生物体中测定效应，斑马鱼体内结构活性关系（SAR）优先选择更有可能转化为哺乳动物系统的分子。

药物重定位

斑马鱼筛选因其与人类获批药物库的兼容性，特别适合药物再利用研究。通过表型驱动的方式发现已知药物的意外活性，能够快速将其重新定位用于新的适应症。一个显著的例子是塞米唑的发现，该研究源于对携带Nav1.1（scn1Lab）突变的转基因斑马鱼品系的筛选，该模型能准确模拟人类德拉韦综合征的遗传基础。在320种化合物的药物库中，克莱米唑因能抑制该突变斑马鱼模型中的惊厥行为和脑电图癫痫发作而被特异性筛选出来。这一极具前景的发现推动克莱米唑进入了德拉韦综合征的II期临床试验（临床试验.gov标识符：NCT04462770）。

此外，来氟米特作为美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗类风湿关节炎的二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）抑制剂，基于斑马鱼筛选被重新定位用于肿瘤学领域。具体而言，研究人员通过化学遗传筛选发现了 NSC210627，该筛选旨在寻找能影响斑马鱼胚胎中神经嵴细胞发育、自我更新及淋巴活性的化合物。这些发育过程通常与癌症的发病机制相关。该筛选鉴定出了结构不同的 DHODH 抑制剂，这表明来氟米特参与了肿瘤发生的关键通路。目前，来氟米特已进入多项 I/II 期临床试验及癌症预防研究，涉及的适应症包括既往接受过治疗的转移性三阴性乳腺癌、PTEN 缺失的晚期实体恶性肿瘤、复发/难治性多发性骨髓瘤、高危冒烟型骨髓瘤以及多发性内分泌腺瘤病 1 型（MEN1）综合征。

临床前疗效研究

尽管哺乳动物模型仍是临床前研究的金标准，但斑马鱼为全动物水平的药物评估提供了一个多功能的脊椎动物平台。其保守的药物靶点、体型小且发育迅速的特点，使其能够在多种疾病模型中开展高效的药理学测试。二十多年的研究表明，在斑马鱼中筛选出的化合物往往在小鼠和人类系统中仍保持活性。因此，斑马鱼可通过实现对小分子药物的疗效、作用机制及毒性进行早期体内评估，来衔接体外实验与哺乳动物研究。

肿瘤学与个性化医疗

斑马鱼癌症模型既包含遗传性肿瘤，也包含移植的人类细胞，正越来越多地用于评估抗癌药物的疗效。斑马鱼中的患者来源异种移植模型（PDX），有时被称为“斑马鱼化身模型”，在肿瘤个体化治疗领域展现出巨大潜力。在该方法中，来自患者的肿瘤细胞或活检组织被植入斑马鱼幼虫，随后用候选疗法进行处理。斑马鱼幼虫透明的身体结构，使得研究人员可以直接观察肿瘤在药物作用下的消退和扩散情况。与小鼠PDX模型相比，斑马鱼PDX模型每条鱼仅需约100至200个患者细胞，且能在一周内得出结果，其速度快了数个数量级，对组织的需求也更低（图4）。小鼠PDX模型通常需要将10⁵至10⁷个活细胞植入免疫缺陷宿主体内，且需6至24周的移植时间才能可评估的肿瘤数量较多，扩增和治疗相关研究将整体时间线延长至4至9个月。这种快速性以及对样本量的极低要求，使得斑马鱼在化学敏感性分析方面极具应用价值。近期一项针对转移性结直肠癌的临床研究，对比了55名患者的治疗结局与其匹配的斑马鱼“化身”（zAvatar）的药物反应结果。值得注意的是，斑马鱼“化身”对化疗敏感性的预测结果，在91%的病例中与患者的临床反应一致；且斑马鱼检测显示对化疗敏感的患者，其无进展生存期显著更长。同样，斑马鱼“化身”也被用于预测其他癌症患者对放疗和免疫治疗的反应。在一项针对膀胱癌的个性化研究中，研究人员将患者的肿瘤移植到斑马鱼体内，并采用卡介苗（BCG）免疫疗法进行治疗；该斑马鱼模型成功识别出了将从中获益的患者，因为斑马鱼体内肿瘤的消退情况与供体患者的临床缓解状态相吻合。这些研究成果充分证明，斑马鱼模型平台能够将肿瘤的基因组和病理数据转化为功能性药物敏感性检测，指导精准医疗。

神经系统疾病

斑马鱼也可作为神经疾病和神经退行性疾病研究的强大模型，为神经活性小分子的筛选提供了支持。斑马鱼的神经系统包含主要神经递质回路（多巴胺能、5-羟色胺能等）的同源物，其许多受体序列与人类的序列几乎完全一致。借助Daniovision等专用设备开展的高通量行为学分析，可量化幼鱼的运动能力、对刺激的反应或癫痫发作活动，从而提供与疾病状态相关的表型读数。例如在癫痫研究中，德雷夫综合征的斑马鱼模型（存在scn1lab钠通道缺失）会表现出自发性高速“游泳性癫痫发作”行为。对scn1lab突变幼鱼进行的大规模筛选成功重新验证了德雷夫综合征的标准疗法（丙戊酸、司替戊醇和芬氟拉明），证实了该模型的预测价值。近期，研究人员在该模型中对3000余种化合物进行了筛选，筛选出数种新型抗癫痫候选药物，进入候选名单以开展进一步临床前试验。同样，阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症（ALS）的斑马鱼模型也正处于积极研究阶段。先进的成像技术和报告基因品系可实现对蛋白质聚集或神经元死亡的可视化观察，而行为学范式（如习惯化或觉醒反应）则能识别出细微的功能缺陷。因此，基于斑马鱼的高通量筛选已发现了新的神经保护候选药物：研究人员利用美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物库对幼鱼进行处理，发现了一组化合物，这些化合物能模拟已知的钙调磷酸酶抑制剂的作用，为痴呆症的预防提供了潜在候选药物。鉴于斑马鱼的行为或细胞表型往往能反映人类病理特征，在斑马鱼模型中筛选出的有效治疗化合物，可为神经疾病的临床研发提供重要参考。

心血管疾病与代谢疾病

心血管疾病建模是斑马鱼研究的另一活跃领域。斑马鱼心脏发育迅速，解剖结构与人类早期心脏结构相似；值得注意的是，成年斑马鱼受伤后可再生心肌组织（这一点与哺乳动物不同）。这些特性被用于心脏治疗药物的小分子筛选中。例如，除了上述心力衰竭报告基因筛选外，其他研究还聚焦于遗传性心脏病。一个典型案例是使用心脏复极时间延长的kcnh2（人类 ether-à-go-go 相关基因，hERG）突变斑马鱼：筛选长QT表型的抑制因子时发现了可使心律恢复正常的化合物。除心脏外，斑马鱼幼虫还被用于构建血管发育和代谢疾病（如脂质代谢和葡萄糖稳态）的模型，为抗动脉粥样硬化或抗糖尿病药物的体内测试提供了支持。例如，肝脂肪变性的饮食和遗传模型（如喂食高脂/高胆固醇饮食的幼虫）会出现快速且可量化的肝脂质积累，这一特性被用于中高通量筛选，以寻找抗脂肪变性化合物和脂质代谢调节剂。同样，转基因β细胞消融模型也支持了大规模化学筛选，发现腺苷通路激动剂（如5'-N-乙基甲酰基腺苷，NECA）可增强β细胞再生，筛选得到的活性物质随后在哺乳动物模型中得到了验证。全动物模型的研究背景至关重要：斑马鱼筛选可固有地评估药物对血流、循环和器官功能的全身效应，为潜在的人类治疗提供了体外实验所不具备的转化关联。

传染病与宿主-病原体模型

由于斑马鱼具有保守的先天免疫系统且便于进行感染实时成像，传染病已成为斑马鱼研究的一个日益重要的方向。斑马鱼胚胎（以及幼体）可通过浸泡或显微注射人类病原体（细菌、真菌或病毒）来构建体内感染模型。这些模型目前正被用于抗菌药物筛选。例如，感染海分枝杆菌（结核分枝杆菌的近缘种）的幼体会重现人类结核病的诸多特征，包括肉芽肿形成。在近期一项抗结核化合物的筛选研究中，斑马鱼感染实验发现了一种新型天冬氨酰-tRNA 合成酶抑制剂，该药物具有体内疗效（这是常规体外实验此前未发现的）。重要的是，全动物感染模型能够揭示细胞培养实验遗漏的药物活性：一线抗结核药物吡嗪酰胺在低 pH 环境下对结核分枝杆菌无体外抑制活性，但在患者体内却具有治疗效果；当斑马鱼模型证实吡嗪酰胺需要宿主代谢激活才能杀灭细菌时，这一矛盾得到了阐释。从更广泛的角度来看，斑马鱼胚胎为同时评估抗生素（以及抗病毒药物）的疗效与毒性提供了快速且符合伦理的平台。有研究以斑马鱼构建潜伏性分枝杆菌感染模型为例研究人员对感染模型进行改造，使其产生耐药物的“持留菌”；该模型目前被用于筛选可通过杀灭休眠细菌来缩短结核病治疗疗程的药物。同样，斑马鱼也被用于研究葡萄球菌、假单胞菌、真菌病原体乃至病毒感染（如流感和疱疹），这使得研究人员能在活体宿主环境中进行化合物筛选。总体而言，斑马鱼感染模型为体外筛选结果与哺乳动物测试搭建了一座高性价比的桥梁，提升了抗菌药物研发的转化效率。

这些模型共同实现了在多种病理生理背景下对小分子的全生物体评估。更低的成本让临床前结果更早进入研发流程，提高了哺乳动物模型中的成功率；同时还能在体内测试药物组合和给药方案——这些测试在哺乳动物身上进行成本过高，从而能在开展人体研究前，研发出新型癌症靶向+免疫调节剂组合药物。这种转化研究方面的影响力，促使美国食品药品监督管理局（FDA）和美国国立卫生研究院（NIH）越来越认可斑马鱼作为一种非哺乳动物模型（NAM）的价值。

斑马鱼药物筛选中的定量指标

尽管斑马鱼筛选常被吹捧为细胞实验和啮齿动物模型之间的桥梁，但其更高的筛选通量却鲜有具体的定量对比数据予以支撑。一对成年斑马鱼每周可产生数百个同步发育的胚胎，这些胚胎可在标准96孔板中每孔接种1至3个。这一规模支持开展真正的大规模筛选：例如，已有研究在斑马鱼胚胎中完成了10000至100000种化合物库的筛选。相比之下，在啮齿动物中开展的同类脊椎动物研究受限于幼崽数量少、繁殖周期长，难以实现这一规模。实际应用中，单个斑马鱼研究平台每周可筛选约1000至10000种化合物（具体取决于自动化程度和检测指标），而基于小鼠或大鼠的体内筛选在相同时间内，筛选化合物数量很少能达到数十种。

斑马鱼检测的成本效益也远优于哺乳动物。其饲养与基础设施简单且成本低廉：一个小型斑马鱼养殖设施（包含数十个2至3升的鱼缸）仅需数千美元即可建成。维护工作量极低，幼体阶段的喂食需求也十分简单。在开展筛选实验时，这些成本节省会进一步累积，据估算，斑马鱼毒理学筛选的成本几乎比同等规模的大鼠筛选低近500倍。此外，检测可并行开展，无需承担啮齿类动物所需的空间成本和监管负担。除了斑马鱼本身的饲养成本外，时间效率是其另一大核心优势。斑马鱼胚胎发育迅速：受精后4至5天，胚胎已具备跳动的心脏、功能正常的肝脏以及发育完成的大脑。因此，相关处理和表型检测可在数天内完成。例如，行为学或心脏检测通常在受精后3至5天即可启动，并在一周内结束。相比之下，哺乳动物模型则需要数周甚至数月：小鼠幼崽需经过约3周的妊娠期以及出生后的发育成熟才能诞生，而异种移植模型中的肿瘤形成也需要数周时间。凭借快速的胚胎发育特性，基于斑马鱼的筛选可在数天内获得初步毒性、发育毒性或药效数据，从而加速整个研发流程。

另一个关键指标是单次治疗的化合物使用量。斑马鱼幼体体型微小且需在水环境中给药，这意味着每次测试仅需微量的药物溶液。通常，96孔板的单个孔中放置1-3条幼体，置于约100-300微升的胚胎培养基中，再向其中加入化合物。在小鼠实验中，假设采用单次给药方案，给20克重的小鼠注射10毫克/千克的合理浓度，每只小鼠需要0.2毫克化合物。而在斑马鱼实验中，用300微升培养基处理一枚胚胎，以10微摩尔的常规筛选浓度（针对分子量为300的分子）计算，仅需0.9微克化合物，化合物使用量减少了200倍以上。斑马鱼对化合物的低需求不仅能节省化学试剂成本，还能对珍贵或有限的分子进行筛选，例如在毫克级合成是常规操作的药物化学研发项目中所制备的分子。

总而言之，与哺乳动物测试相比，斑马鱼筛选在通量、速度和成本之间实现了理想的平衡。斑马鱼繁殖力强、体型小，可同时对数千个胚胎进行检测。每个筛选只需数天即可完成，人工投入极少，且每只动物所需的药物剂量也极低，这些优势带来了数量级的效率提升：研究发现，斑马鱼的单次检测成本比啮齿类动物低数百倍，检测通量也同样大幅提高。

斑马鱼模型在监管临床前评估中的应用

监管机构如今已将斑马鱼视为药物开发中一种有价值的新型替代方法，前提是其使用具有科学依据。美国食品药品监督管理局（FDA）当前的框架明确“允许并鼓励”使用经过验证的非动物实验（包括模式生物）来替代或补充传统毒理学测试。在其科学路线图和指导文件中，FDA 将斑马鱼列为用于安全性和有效性筛选的极具前景的“替代生物”。例如，FDA 的新替代方法计划在旨在为监管决策提供依据的研究项目（如发育神经毒性研究）中重点提及斑马鱼。 2025年，FDA 宣布了模式转变，逐步取消对新生物制剂及其他药物的强制性动物测试，并鼓励在新药临床试验申请（IND）中纳入非动物方法（NAM）数据，以加快研发进程并减少动物使用。这些举措表明监管机构对斑马鱼数据，尤其是通过早期阶段（Q类申报或研究性新药申请前）咨询提交的数据，这类咨询可明确检测方法的有效性及使用场景。在国际层面，人用药品注册技术要求国际协调会（ICH）S5(R3)生殖毒理学指导原则如今明确认可，“经验证的替代检测方法，如非哺乳动物体内检测方法”（例如斑马鱼）可替代或在特定情况下减少用于检测发育风险的哺乳动物实验。

IND申报中的斑马鱼数据

在实际应用中，斑马鱼数据被纳入新药临床试验申请（IND）主要是作为支持性安全性信息，而非强制性证据。新药临床试验申请必须包含非临床药理学和毒理学数据，以证明首次人体试验的合理性。斑马鱼研究可通过识别潜在风险或确认靶向作用，来丰富这些部分的内容。典型的数据类型包括体内胚胎毒性/致畸性筛选、器官特异性毒性测定（如心脏、肝脏或神经行为表型）以及高通量药理学研究。申办方通常会利用此类筛选在开展成本高昂的啮齿动物试验前对化合物进行初步筛选。

部分研究性新药申请（IND）已明确公布了斑马鱼安全性数据，并获得美国食品药品监督管理局（FDA）和欧洲药品管理局（EMA）的“认可”，以此作为研究性新药申请获批的依据。96 近年来，斑马鱼发育毒性结果已提交至美国及海外的试验药物档案中。在其验证研究（符合人用药品注册技术要求国际协调会（ICH）S5(R3) 草案要求）中，斑马鱼检测法正确分类了76%的已知致畸物和非致畸物。此类数据会与哺乳动物研究结果一同解读，以增强评估的可信度。值得注意的是，斑马鱼数据从未正式取代所需的啮齿类/非啮齿类动物毒理学资料包，但监管机构允许将其作为机制性或预测性证据纳入申报材料。美国食品药品监督管理局当前的指导文件鼓励申办方在研究性新药申请附信或研究性新药申请前会议申请中，说明选择替代模型的理由，确保审评人员能明确斑马鱼检测结果与人类风险的关联。

监管指导原则与实例

监管机构已开始为斑马鱼的使用提供正式规范。2020年最终定稿的修订版ICH S5(R3)明确提及了经认可的替代试验：该文件指出，在特定条件下，非哺乳动物体内试验的数据可用于危险识别。这意味着，例如，一旦验证了斑马鱼胚胎试验的一致性，经过充分验证的斑马鱼胚胎试验或许可替代额外的哺乳动物试验，用于评估胚胎胎儿致死性或畸形。目前尚无FDA指南强制要求使用斑马鱼，但多项指南文件（ICH S5、S6等）均允许灵活处理：只要数据具有科学有效性，申办者在使用创新模型时“可进行咨询”。FDA近期发布的单克隆抗体路线图（2025年4月）甚至展望了未来可使用非哺乳动物（NAM）数据的场景（包括潜在的斑马鱼研究结果）可能部分替代传统的毒性研究。

具体的案例正在不断涌现。在美国国家毒理学计划中心（NCTR），斑马鱼已被用于表征环境暴露和药物暴露对发育的神经毒性。经同行评审的研究也证实了其预测的有效性：在对经典斑马鱼致畸性方案的盲法验证中，约90%的参考致畸物被正确识别。举个例子，阿司匹林（一种已知的致畸物）在与哺乳动物致畸水平相关的剂量下，会在斑马鱼胚胎中诱发特征性畸形。相比之下，无已知发育风险的物质（如某些镇痛药）对鱼类则未表现出任何影响。这种一致性帮助监管机构认可了该检测方法的价值。

尽管取得了这些进展，斑马鱼仍是一种辅助性的监管模型。美国食品药品监督管理局（FDA）仍要求申办方对任何非标准数据进行说明。尽管如此，随着科学研究的不断成熟，以及人用药品注册技术要求国际协调会（ICH）S5（R3）指南等框架提供了资质认定路径，斑马鱼检测正逐渐被认可为符合用途的工具。总而言之，美国食品药品监督管理局将斑马鱼数据视为新药研究申请（IND）资料中具有价值的新兴证据，尤其适用于发育毒性和器官特异性安全性相关问题的评估。但要求这些数据需与传统研究一起进行严格验证和解读。

挑战与局限

尽管斑马鱼模型具有诸多优势，但也面临多项药理学和技术层面的挑战，这些挑战使其研究成果向人类医学的转化过程变得复杂。斑马鱼体内的化合物通常通过浸泡或显微注射的方式给药，而非口服或静脉给药途径，因此，药物的有效吸收对物理化学因素高度敏感。小分子物质通过幼鱼皮肤和鳃的吸收程度，在很大程度上取决于水体的pH值、缓冲能力以及化合物的溶解度。尽管斑马鱼拥有大量保守的药物靶点（超过80%的人类疾病基因在斑马鱼中存在同源基因12），但药物的吸收、分布、代谢、排泄（ADME）过程仍未被充分了解。例如，斑马鱼幼鱼表达细胞色素P450酶和转运体的同源基因，但其酶活性和组织分布可能与哺乳动物存在差异。要确定合适的给药剂量还需开展大量研究：示踪研究表明，在幼鱼早期阶段，化合物往往会在卵黄中积累，或难以穿透血脑屏障。质谱法和放射性标记法可对体内暴露量进行定量检测，但这些方法通量低且技术要求高。因此，在实际应用中，将斑马鱼的有效给药剂量与人类药理学数据相关联并非易事。尽管存在这些问题，数十年来的研究证据表明筛选实验表明，斑马鱼的表型结果通常与哺乳动物的药效相关。例如，许多调控保守靶点的药物（如MEK抑制剂、血清素配体以及常见镇痛药）在斑马鱼和人类身上均表现出相似的作用。然而，仍存在重要的局限性：例如，体积过大的分子或高亲脂性药物可能无法穿透胚胎，且某些生物转化步骤存在差异；因此，斑马鱼实验中的阴性结果不能绝对排除其在人体内的活性。由此可见，对斑马鱼的ADME（吸收、分布、代谢、排泄）进行细致的体外特性分析，并采用多种检测方法，对于解读药理学研究结果至关重要。

技术问题也限制了斑马鱼药物研究。显微注射作为疾病建模和异种移植的核心技术，不仅劳动强度大，还依赖操作人员的技术水平。即便是受过训练的研究人员，其实验通量也仅能维持在较低水平（手动注射通常每只幼体需要数十秒），且不同操作人员的实验结果存在差异。例如，丁等人的研究表明，手动胚胎注射的成功率约为60%，存活率约为70%，且不同操作人员之间的差异显著。成像和数据收集同样面临限制：斑马鱼体型微小，需要高分辨率显微镜以及精准的固定方式。幼体必须以可重复的方向放置，通常置于多孔板或琼脂糖腔室中，以实现自动化显微成像。实际操作中，大多数实验室采用96孔或384孔板形式，但即便如此，对复杂表型（形态、细胞迁移、行为）的追踪和量化仍可能带有主观性。行为学检测和活细胞成像还会引入额外的干扰因素。此外，斑马鱼的饲养管理缺乏啮齿类动物设施那样的严格规范，这导致了批次效应的产生。品系背景、喂食方式、光照周期以及水质等因素，都会对实验终点产生细微影响。该领域已着手解决这一问题：近期发布的《斑马鱼学》指南重点指出了常见操作误区，并建议对饲养条件和实验变量进行标准化记录。尽管如此，操作规范不统一的问题仍持续存在。

表型筛选的靶标无关特性既是优势也是局限。它无需预先掌握靶标知识就能识别出具有理想生物学效应的化合物，发现基于靶标的策略所遗漏的全新作用机制或多药药理特性，这在斑马鱼研究中尤为重要——斑马鱼的全生物体表型可在生理相关的环境中快速评估。然而，确定命中物背后的分子机制（即靶标解析）仍颇具挑战。亲和蛋白质组学、CRISPR/Cas9 敲低、计算建模等后续研究方法，可能会受到脱靶相互作用、化合物非特异性作用以及脊椎动物机体复杂性的干扰。转基因品系和行为学检测有助于验证，但靶标解析通常还需借助哺乳动物模型进行确认，这也拖慢了向临床研发推进的进程。

为缓解这些挑战，研究人员正在开发多种策略。在药理学方面，将斑马鱼数据与体外ADME分析相结合可指导剂量选择。荧光或放射性标记探针可用于体内摄取动力学的测定。从技术层面来讲，自动化是一种强有力的矫正手段。机器人注射系统（见下文）大幅降低了对操作人员的依赖，自动化幼虫分选仪和液体处理工作站亦是如此。微流控设备和琼脂糖模具可固定胚胎，以实现给药的均匀化。先进的报告基因品系（如在代谢激活或毒性应激下会发出信号的转基因品系）有助于实现读数的标准化。计算工具和机器学习在应对挑战中也能发挥作用：人工智能图像分析可消除人为偏差（见下文）。最后，在方案、原始数据和元数据共享方面的协同努力正提升着研究的透明度。随着该领域不断成熟，社区指南与技术创新的结合将助力解决当前的局限性。

最后一个未被充分认识的阻碍斑马鱼更广泛应用的因素并非技术可行性，而是对该模型的认知偏差。在某些临床和监管场景中，尽管已有公开证据表明斑马鱼在药物反应、疾病机制和预测表型方面具有保守性，但由于其在进化上与哺乳动物距离较远，相关研究仍被低估。这种质疑会形成一种应用偏见，即人们默认哺乳动物系统更具相关性，而斑马鱼模型则需要提供额外层面的论证依据。要解决这一问题，需开展严格的基准测试、采用标准化的实验设计、透明报告检测性能，并更清晰地传递信息——斑马鱼是适用于特定研究目的的脊椎动物模型，可作为体外实验与哺乳动物研究之间的桥梁。高内涵表型分析、人工智能驱动分析的发展，以及监管机构对替代模型的新兴趣，共同汇聚在一起，或许让当下成为突破这一认知障碍的绝佳时机。

新兴技术与未来展望

自动化与机器人技术的快速发展正在扩充斑马鱼研究工具库。显微注射是将RNA/DNA、癌细胞等物质递送至斑马鱼体内的基础技术，但该技术劳动密集，且不同操作人员的注射速度与精准度存在显著差异。目前最先进的机器人显微注射设备可对斑马鱼胚胎和幼鱼进行高通量注射。丁等人研发了一套自动化系统，能定位每一条幼鱼并精准将物质注射到其血管或组织中，运行速度约为受过训练的操作人员的两倍。该平台实现了约60%的注射成功率和约70%的存活率，与专业操作人员相当，同时将每条幼鱼的注射时间缩短了一半。98 类似地，郭等人介绍了一款视觉引导的批量注射设备，完成88个样本的注射循环仅需一定时间；该设备实现了92%以上的注射成功率和约94%的存活率，单次注射耗时约14秒。100 此类机器人极大提升了实验通量：一套自动化系统每天可注射数百条幼鱼，而手动方法则慢了一个数量级。这些系统还能最大限度减少人为失误（见下文）。除了显微注射技术外，用于胚胎分选、多孔板处理和药物分配的机器人平台也在研发之中。借助这些工具，高通量筛选和复杂的多步骤实验方案可实现自动化，降低不同实验之间的误差。

借助新型显微镜和分析流程，利用斑马鱼光学透明度的显微技术取得了新进展。光片和共聚焦系统如今可实现胚胎整体的长期体积成像，在体内捕捉细胞动态变化。结合自动化分析，这些系统能够大规模量化复杂表型。斯图策尔等人（Sturtzel et al.）为斑马鱼异种移植开发了一套高内涵成像流程：将斑马鱼幼虫包埋在琼脂糖中96孔板，一套软件流程可逐日自动检测肿瘤并量化其大小。同样地，霍德（Hoade）等人实施了WiScan Hermes高内涵显微镜，并搭载了基于人工智能的“雅典娜（Athena）”应用程序：该程序可自动识别每个孔中的鱼类及解剖学标志点，与人工计数相比，能以超过98%的准确率对荧光标记细胞进行计数。¹⁰²这些工具消除了人工成像的瓶颈，实现了真正意义上的高通量表型分析。展望未来，整合全脑成像（通过虚拟大脑图谱）与单细胞检测结果（例如，幼虫中的原位转录组学），有望将行为、形态学与分子特征关联起来。在所有应用场景中，这些成像技术的进步都依托定量数据：筛选实验可报告效应大小（以肿瘤面积倍数变化或行为指标单位计），而非主观评分，从而提升检测结果的严谨性。

人工智能目前已应用于整个斑马鱼药物研发领域，为数据挖掘和实验设计带来了新的能力。例如，“胚胎网络”是一个深度卷积网络，基于超过200万张具有明确通路扰动的斑马鱼胚胎图像进行训练。它能自动识别与特定信号通路相关的细微形态发生缺陷，甚至在这些缺陷被人类观察者发现之前就可识别，还被用于标记经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物中未预期的发育毒性。同样，“金盏花”是一款基于网页的姿态追踪应用程序，它采用简化的神经网络，可在多孔板中追踪斑马鱼幼体的十个身体部位。这种身体分割技术能让行为分析的细节更加精细。关键的是，“金盏花”可在浏览器中运行，无需专用硬件，让这一复杂的行为分析技术得以普及。随着这些工具不断成熟，人工智能将加速工作流程的各个阶段，从识别活性化合物到表征表型，充分发挥斑马鱼固有的规模化研究优势。

斑马鱼也越来越多地被用于个性化医疗。在肿瘤学领域，鱼类患者来源的异种移植物（PDX），即“斑马鱼化身模型”，正作为预测性生物检测方法接受测试。斑马鱼患者来源的异种移植物（zPDX）的优势包括仅需约100-200个患者细胞、检测周期为5-7天，以及能直接在活体宿主中观察肿瘤行为的能力。在实际应用中，可将活检获取的肿瘤细胞植入数十条斑马鱼幼鱼体内，随后用候选药物进行处理；一周内即可通过肿瘤消退、血管生成或迁移等检测结果生成化学敏感性图谱。早期临床研究结果令人鼓舞。科斯塔（Costa）等人的研究表明，采用与患者相同的化疗方案对结直肠癌斑马鱼化身模型进行体外处理后，该模型对患者病情进展的预测准确率约为91%。斑马鱼化身模型显示出药物敏感性的患者，其无进展生存期确实显著更长。

除肿瘤学领域外，精准基因工程技术正在推动斑马鱼模型的变革。对斑马鱼进行精准编辑可引入患者特异性等位基因，重现疾病病因。新型Cas变体和碱基编辑器拓展了可编辑的序列范围。例如，基于SpRY的胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑器在斑马鱼中几乎无PAM位点的区域实现了高达约96%的编辑效率，使得插入此前无法实现的突变成为可能。¹⁰⁵这些创新意味着几乎任何人类单核苷酸变异都能在正确的基因组背景下实现体内建模。此外，条件性和组织特异性编辑的新兴技术（包括Cre/lox或CRISPR–Cas12工具）能够在目标细胞类型或发育阶段对基因进行扰动，模拟许多疾病的嵌合特性。综上，这些基因工具有望打造出精准反映患者病理生物学特征的“精准斑马鱼模型”，以远低于小鼠模型的成本开展体内“精准医学”研究，助力靶点验证与个性化药物筛选。

展望未来，有多个趋势预示着光明的前景。整合式研究方法将应运而生：例如，将斑马鱼与器官芯片或类器官模型相结合，以捕捉多器官间的相互作用。对药物处理的斑马鱼幼虫开展全动物代谢组学或单细胞RNA测序研究，可全面解析药物作用范围。微生物组工程改造的斑马鱼有望揭示肠道与药物之间的相互作用。体内传感器技术的进步（例如用于检测神经活动、离子浓度或氧化还原状态的荧光报告分子）将实现对药物效应的实时动态监测。研究的规模化水平将持续提升：自动化机器人系统最终可处理384孔或1536孔板，且筛选过程中结合在线AI分析可实现实时决策。在临床应用中，科研联盟有望通过大型系统性试验，结合患者结局来验证斑马鱼检测方法的有效性。此外，“数字孪生”模型也颇具发展潜力：基于斑马鱼和人类数据训练的计算机模拟技术，可在虚拟环境中预测生物对药物的反应。

结论

斑马鱼模型在药物研发领域占据独特地位，它提供了一种全动物系统，具有高度的遗传和生理相关性，同时通量比啮齿动物高出数个数量级。在胚胎和幼体阶段，研究人员能够在活体中以单细胞分辨率观察发育和疾病过程。这一优势已促成了多项发现，例如新型通路调节剂和药物重定位候选药物，而这些成果在细胞培养中很可能会被遗漏。然而，将斑马鱼的研究成果转化应用于人类时需格外谨慎。斑马鱼与人类在体型、解剖结构以及部分代谢机制上存在差异，这可能导致假阴性或假阳性结果。因此，将斑马鱼视为细胞筛选与哺乳动物模型之间的互补桥梁至关重要。

展望未来，大量证据表明斑马鱼的研究价值将愈发凸显。新技术正直接解决当前的局限性：自动化机器人技术可减少人为误差；先进成像技术和人工智能能提取更丰富的定量数据；精准基因组编辑技术则可构建人源化疾病模型。与此同时，斑马鱼药理学领域积累了20余年的研究成果，再加上严格的标准化建设，该领域正逐步发展为可靠的临床前研究平台。总而言之，尽管斑马鱼并非解决药物研发难题的万能良方，但它已被证实可在表型发现和早期转化研究中发挥重要作用。