孤獨(dú)離群、互動(dòng)困難、對(duì)有害聲音恐懼、注意力不集中、容易發(fā)脾氣……孤獨(dú)癥（又叫自閉癥）兒童與這個(gè)世界的溝通有許多不為人知的挑戰(zhàn)。
據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球大約每100個(gè)兒童中就有一人患孤獨(dú)癥。孤獨(dú)癥成因復(fù)雜，早期干預(yù)能對(duì)治療和改善起到一定作用。但目前尚無(wú)明確的醫(yī)學(xué)診斷指標(biāo)，只能通過(guò)觀察兒童的社交和對(duì)外界刺激的反應(yīng)來(lái)診斷。
現(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員張永清團(tuán)隊(duì)與合作者用基因編輯技術(shù)建立了全球首個(gè)孤獨(dú)癥家犬模型，并開(kāi)發(fā)了可實(shí)時(shí)測(cè)量家犬瞳孔變化的眼動(dòng)測(cè)量技術(shù)。相關(guān)研究近日以“姊妹篇”的形式在線發(fā)表于《分子精神病學(xué)》雜志。
“這項(xiàng)研究采用最新的基因編輯技術(shù)，成功建立了家犬孤獨(dú)癥突變模型，并用一系列行為學(xué)、生理學(xué)研究驗(yàn)證了模型的可靠性，研究成果轉(zhuǎn)化的潛力非常大，有助于破解孤獨(dú)癥方面的難題。”中國(guó)科學(xué)院院士、香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院講座教授蘇國(guó)輝評(píng)價(jià)說(shuō)。
胚胎上的“小手術(shù)”
8年前，張永清作出了科研生涯中的一個(gè)重大決定：放棄研究十余年的模式動(dòng)物果蠅，用家犬建立孤獨(dú)癥模型。
這樣的選擇經(jīng)過(guò)了一番深思熟慮。與果蠅一樣，實(shí)驗(yàn)鼠模型具有繁殖能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)勢(shì)，但其腦結(jié)構(gòu)與人類(lèi)差異較大，無(wú)法與人類(lèi)建立有效的互動(dòng)，很難回答與情感相關(guān)的神經(jīng)機(jī)制或精神疾病的致病機(jī)理等方面的問(wèn)題。
靈長(zhǎng)類(lèi)是最理想的模式動(dòng)物。過(guò)去幾年，張永清團(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)教授李曉江團(tuán)隊(duì)合作建立了孤獨(dú)癥的非人靈長(zhǎng)類(lèi)模型。但其成本高、繁殖慢，應(yīng)用潛力和規(guī)模受限。
經(jīng)過(guò)3萬(wàn)多年的馴化和選育的家犬，是與人類(lèi)最親近的伴侶動(dòng)物。“它們的智力相當(dāng)于3~5歲的兒童，有著高度發(fā)達(dá)的情感認(rèn)知功能，善于與人進(jìn)行有效的交流。而且家犬繁殖周期短，8到12個(gè)月性成熟，兩年可以生三胎，一窩可以生4到8只，可在短時(shí)間內(nèi)繁育足量突變體動(dòng)物。”張永清對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。
孤獨(dú)癥病因?qū)W非常復(fù)雜，遺傳疾病約占65%，其中僅10%是單基因突變。如何為治療這一疾病提供分子靶標(biāo)？
張永清與中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員賴(lài)學(xué)良、北京希諾谷生物科技有限公司等合作，聚焦孤獨(dú)癥最常見(jiàn)的突變基因Shank3，利用基因編輯技術(shù)，創(chuàng)建了國(guó)際首例孤獨(dú)癥家犬模型。
這并不容易。曾在豬體內(nèi)培育出人源中期腎臟的賴(lài)學(xué)良向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋?zhuān)趧偸芫募胰咛ド嫌没蚓庉嫾夹g(shù)敲除Shank3，就像在一粒米內(nèi)部做一場(chǎng)“微型手術(shù)”，這使得其成功率僅約30%。同時(shí)，基因打靶突變體通常很難存活到性成熟，構(gòu)建出能夠成功繁育出后代從而模擬孤獨(dú)癥在人群間遺傳的突變體更是難上加難，只能選擇性地敲除部分Shank3基因。
克服重重挑戰(zhàn)，合作團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)繁育了四代151個(gè)突變家犬模型。
作為一種全新的孤獨(dú)癥動(dòng)物模型，如何檢測(cè)這一新范式的可靠性呢？張永清與合作者設(shè)計(jì)了一系列行為、情感及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。
首先，研究者通過(guò)犬犬互動(dòng)、人犬互動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，突變?nèi)憩F(xiàn)出明顯的社交退縮行為，面對(duì)困難時(shí)向人類(lèi)求助的主動(dòng)性也顯著降低。
其次，他們通過(guò)人工智能深度學(xué)習(xí)算法對(duì)比了普通家犬比突變家犬的搖尾趨勢(shì)變化發(fā)現(xiàn)，突變?nèi)舶拖麓箠A于兩股之間，擺動(dòng)幅度與頻率大大降低，表明突變體在社交時(shí)處于焦慮與恐懼狀態(tài)。
“尾巴是家犬表達(dá)情感的一個(gè)窗戶(hù)。它們高興時(shí)，尾巴會(huì)搖得很快；生氣時(shí)，尾巴會(huì)翹起來(lái)；害怕時(shí)，會(huì)夾著尾巴。”張永清說(shuō)。此前他與合作者通過(guò)人工智能深度學(xué)習(xí)算法對(duì)2萬(wàn)余次狗搖尾巴進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與人類(lèi)的指紋和步態(tài)相似，每只家犬都表現(xiàn)出獨(dú)特而穩(wěn)定的搖尾特征，當(dāng)跟人的關(guān)系更熟悉時(shí)，尾巴會(huì)偏向右搖。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證突變體的焦慮表型，研究者還進(jìn)行了放射性免疫測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突變體血清中的應(yīng)激激素——皮質(zhì)醇顯著增加。皮質(zhì)醇水平增加以及夾著尾巴或尾巴搖擺減少表明突變體呈現(xiàn)焦慮狀態(tài)。
“用犬作為精神系統(tǒng)疾病模型，這肯定是首例。”美國(guó)耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教授姜永輝評(píng)價(jià)說(shuō)，犬類(lèi)模型最大的優(yōu)點(diǎn)是可用于系統(tǒng)的行為學(xué)和生理指標(biāo)的測(cè)定，藥物代謝模式也于人的更接近，臨床推廣潛力相較于小鼠更大，轉(zhuǎn)化的成功率會(huì)更高，。
“從果蠅跨界到犬類(lèi)，我非常佩服張永清研究員的勇氣，這非常不容易。他與不同團(tuán)隊(duì)建立了很好的協(xié)作，作出了十分有價(jià)值的工作，他們建立的家犬模型對(duì)今后自閉癥的研究特別是相關(guān)藥物篩選有很大的潛力。”中國(guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)教授段樹(shù)民評(píng)價(jià)說(shuō)。
“丈量”眼睛里的情緒不只是建立新的家犬模型，張永清和合作者還建立多樣化的實(shí)驗(yàn)范式來(lái)檢驗(yàn)新模型。
除了上述實(shí)驗(yàn)，他們還把目光投向了新的實(shí)驗(yàn)范式——瞳孔大小變化。
眾所周知，瞳孔的變化與光線強(qiáng)度變化有關(guān)。遇到強(qiáng)光時(shí)，人的瞳孔會(huì)縮小；在黑暗中，瞳孔則會(huì)放大。
實(shí)際上，瞳孔的變化還與心智負(fù)荷和情緒狀態(tài)有關(guān)。“俗話說(shuō)，‘見(jiàn)錢(qián)眼開(kāi)’，人在面對(duì)高價(jià)值的獎(jiǎng)勵(lì)過(guò)度興奮時(shí)會(huì)瞳孔放大；而在休閑放松時(shí)，瞳孔則會(huì)縮小。”張永清說(shuō)。
這一現(xiàn)象能否用于檢驗(yàn)突變?nèi)畬?duì)于環(huán)境刺激的反應(yīng)呢？
為了找到答案，張永清團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員蔚鵬飛團(tuán)隊(duì)以及英國(guó)林肯大學(xué)教授郭昆等合作，開(kāi)發(fā)了適用于家犬的瞳孔測(cè)量?jī)x，使用人工智能輔助的瞳孔檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家犬瞳孔大小的實(shí)時(shí)測(cè)量，以此了解它們?cè)诓煌h(huán)境中的情緒。
利用該測(cè)量?jī)x，合作團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了在不同刺激條件下的瞳孔大小變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了與孤獨(dú)癥患者相一致的瞳孔反應(yīng)異常。
與普通家犬相比，研究者發(fā)現(xiàn)，突變?nèi)鎸?duì)正常聲音刺激時(shí)瞳孔放大更明顯，表明其對(duì)聲音更為敏感。而在面對(duì)高分貝電子鞭炮聲刺激時(shí)，突變?nèi)耐讜?huì)更快速地放大，并且恢復(fù)到正常基線的時(shí)間明顯延長(zhǎng)，表明其被聲音驚嚇后瞳孔大小需要更長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)正常。
此外，當(dāng)人與犬同時(shí)佩戴瞳孔測(cè)量?jī)x進(jìn)行社交互動(dòng)時(shí)，普通犬與人互動(dòng)會(huì)出現(xiàn)瞳孔縮放的同步化，而突變?nèi)羞@種同步化被破壞。“比如在人撫摸時(shí)，普通犬瞳孔會(huì)與人的瞳孔縮放同步化，但突變?nèi)畡t不表現(xiàn)這種同步化。而當(dāng)給予高獎(jiǎng)勵(lì)食物時(shí)，普通犬瞳孔會(huì)變大，但突變?nèi)耐鬃兓幻黠@，對(duì)食物反應(yīng)變小。”蔚鵬飛舉例說(shuō)。
“突變?nèi)耐追磻?yīng)異常為解析孤獨(dú)癥患者的感知覺(jué)異常提供了一個(gè)全新的角度，也為孤獨(dú)癥診斷和治療策略的研發(fā)提供了新的檢測(cè)體系。”張永清說(shuō)。
“這項(xiàng)研究讓人興奮，用瞳孔的變化表征孤獨(dú)癥患者的情緒變化是一個(gè)非常好的生物學(xué)指標(biāo)。”北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部孤獨(dú)癥研究中心主任于翔評(píng)價(jià)說(shuō)，“犬跟人的互動(dòng)就像人跟人的互動(dòng)一樣，良好的互動(dòng)會(huì)讓催產(chǎn)素上升，突變?nèi)畬?duì)這種互動(dòng)不敏感也證明了這個(gè)模型的有效性，期待犬模型會(huì)給診斷和治療孤獨(dú)癥研究帶來(lái)更多機(jī)會(huì)。”
用科學(xué)改善生活與建立家犬孤獨(dú)癥模型一樣，繁育突變型家犬也非易事。因?yàn)橥蛔兒蟮募胰赘腥尽⑸。瑸榱烁玫卣疹櫵鼈儯瑓⑴c項(xiàng)目的研究生們幾乎天天泡在北京昌平一片農(nóng)田邊的實(shí)驗(yàn)室里，8年的磨煉也讓他們從最初的“養(yǎng)犬小白”變成了“養(yǎng)犬能手”。
多位專(zhuān)家表示，孤獨(dú)癥犬模型的成功構(gòu)建，將促進(jìn)其病理生理機(jī)制的闡明，并為開(kāi)發(fā)新的藥物和治療措施提供新的實(shí)驗(yàn)體系。
“臨床研究非常關(guān)注大動(dòng)物模型，其優(yōu)勢(shì)是更有利于觀察重要生命體征的變化，這對(duì)提升診斷、治療以及開(kāi)發(fā)藥物和醫(yī)用器械等臨床轉(zhuǎn)化研究的成功率至關(guān)重要。”首都醫(yī)科大學(xué)副校長(zhǎng)、北京腦重大疾病研究院院長(zhǎng)吉訓(xùn)明評(píng)價(jià)說(shuō)。
到目前為止，利用家犬作為模式動(dòng)物開(kāi)展的研究已經(jīng)獲得兩次諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，包括1904年巴甫洛夫在消化系統(tǒng)生理學(xué)方面取得的開(kāi)拓性成就，以及1923年弗雷德里克·格蘭特·班廷因發(fā)現(xiàn)胰島素而挽救了千千萬(wàn)萬(wàn)的糖尿病患者。
除了建立孤獨(dú)癥家犬模型，近年來(lái)，張永清團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了家犬的全腦蛋白質(zhì)組時(shí)空表達(dá)圖譜，利用實(shí)驗(yàn)犬研究了人類(lèi)動(dòng)脈粥樣硬化與心腦血管疾病的關(guān)聯(lián)。
張永清希望，在“健康中國(guó)2030”的大背景下，用科學(xué)力量能夠改善更多人的生活。
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