稳态强磁场延迟斑马鱼早期发育

论文摘要

地磁场是地球生命进化和存在的物理条件之一。地磁场保护地球生命免受宇宙射线的伤害,一些鸟类和海洋生物利用地磁场进行定位和长距离迁徙。对现代社会的人类而言,除了地磁场,人们几乎每时每刻都处在各种电器产生的电磁场中。尤其是随着临床上磁共振成像仪的普及,人类可以接触到强度达地磁场数万倍的高强度稳态磁场。在科研领域,人们相继开发出更高场强的磁共振成像技术,磁场强度高达地磁场的数十万倍。考虑到磁共振成像的潜在生物应用,研究人员十分关注稳态强磁场的生物效应,这也是磁生物学领域的主要问题之一。迄今为止,人们用多种生物从不同方面研究了该问题。但是,关于稳态强磁场对发育的影响,相关研究并不丰富。已有的研究只在数小时的时程或少数几个方面上探究了这一问题。目前,尚没有研究对该问题进行长时程的全面观察。本课题中利用模式生物斑马鱼的优势,研究了 9.0 T稳态强磁场对斑马鱼早期发育的影响。与之前文献报道的其他动物相比,斑马鱼体外受精和发育、发育迅速、早期胚胎透明,用较短的时间即可以观测到从受精至幼鱼的发育过程。实验中,将刚刚受精的斑马鱼卵置于9.0T的稳态强磁场中。24小时后,强磁场暴露结束,斑马鱼胚胎回到正常环境中继续发育。在之后的5天内,从多个方面记录斑马鱼的发育情况,考察稳态强磁场对其早期发育的影响。研究发现,从受精后开始持续24小时的稳态强磁场暴露,对斑马鱼胚胎既不致死,也不致畸,并且不影响胚胎的整体发育模式。但是,强磁场延迟了动物的发育速度,具体表现为暴露组斑马鱼的胚胎在出膜、咽弓发育、身体生长和眼动反应发育等方面均出现延迟,且发育过程中的指标基因表达发生改变。这种延迟效应并不是永久性的,被延迟的动物在回到正常环境中后会逐渐追平并赶上对照的发育速度,在各项指标上不再有显著性差异。根据生物大分子微管的抗磁各向异性,在机理部分用生物物理模型来解释和模拟稳态强磁场对斑马鱼早期发育的延迟效应。强磁场改变了微管的聚合速率,并使微管发生转动和弯曲,从而降低了微管在定位和定向纺锤体时的效率,使得细胞周期比正常地磁场环境中的细胞周期更长。由于斑马鱼发育过程中伴随着持续进行的有丝分裂,这种细胞周期的延长不断累积,最终表现为整个胚胎的发育延迟。根据该模型得到的计算机模拟结果与理论预期和实验现象相吻合。此外,在合作课题中,我们利用高场磁共振成像技术和外源19F纳米粒子,检测斑马鱼体内的蛋白质活性。在第一个实验中,19F纳米粒子被注入断尾的斑马鱼中,在断尾处Caspase3/7的作用下,纳米粒子显示出磁共振信号,被仪器检测到,实现了对蛋白质Caspase3/7的检测和定位。在第二个实验中,19F纳米粒子被注入荷瘤斑马鱼中,在肿瘤细胞Legumain的作用下,纳米粒子显示出磁共振信号,被仪器检测到,实现了对蛋白质Legumain的检测和定位。19F纳米粒子在位检测蛋白质的功能,为肿瘤的定位和治疗提供了一种思路。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 稳态强磁场

1.1.1 地磁场和环境中的磁场

1.1.2 稳态磁场

1.1.3 稳态强磁场

1.1.4 磁共振成像中的稳态强磁场

1.1.5 世界上的稳态强磁场研究中心

1.1.6 稳态强磁场小结

1.2 斑马鱼

1.2.1 斑马鱼概述

1.2.2 斑马鱼作为生物模型的优势

1.2.3 斑马鱼早期发育的阶段和特点

1.2.4 斑马鱼卵裂期细胞分裂的特点

1.2.5 斑马鱼咽弓的发育

1.2.6 斑马鱼小结

1.3 稳态强磁场的生物效应

1.3.1 磁生物学

1.3.2 稳态强磁场对细胞的生物效应

1.3.3 稳态强磁场对小鼠和大鼠的影响

1.3.4 稳态强磁场对爪蟾胚胎发育的影响

1.3.5 稳态强磁场对斑马鱼的影响

1.3.6 稳态强磁场对其他动物发育的影响

1.3.7 MRI对人体及其发育的影响

1.3.8 稳态强磁场的生物效应小结

1.4 选题意义

1.4.1 选题理由

1.4.2 创新点

第2章材料和方法

2.1 稳态强磁场相关操作

2.2 斑马鱼实验方法

2.2.1 动物伦理声明

2.2.2 斑马鱼的饲养

2.2.3 斑马鱼受精卵的获取

2.2.4 斑马鱼受精卵接受强磁场暴露

2.2.5 斑马鱼发育形态和指标观察

2.2.6 阿尔新蓝鱼骨染色

2.2.7 斑马鱼幼鱼QRT-PCR

2.2.8 斑马鱼早期胚胎的免疫组织化学染色

2.2.9 斑马鱼幼鱼自由移动行为检测

2.2.10 斑马鱼幼鱼眼动反应（OKR）检测

2.3 数据分析

2.4 实验仪器

2.5 实验试剂

2.5.1 HANK's溶液

2.5.2 PBS

2.5.3 斑马鱼麻醉剂

2.5.4 阿尔新蓝染液

2.5.5 斑马鱼卵裂期胚胎固定液

2.5.6 甲醇/PBS梯度溶液

4）溶液'> 2.5.7 硼氢化钠（NABH₄）溶液

2.5.8 0.2% PBST溶液

2.5.9 抗体封闭液

第3章结果分析和讨论

3.1 稳态强磁场对斑马鱼发育的形态学影响

3.1.1 稳态强磁场不影响斑马鱼胚胎的整体发育进程

3.1.2 稳态强磁场不影响胚胎存活,但延迟胚胎出膜和身体生长

3.1.3 稳态强磁场延迟斑马鱼咽弓的发育

3.1.4 小结

3.2 稳态强磁场对斑马鱼发育指示基因表达的影响

3.2.1 肌肉发生

3.2.2 神经发生

3.2.3 小结

3.3 稳态强磁场对斑马鱼发育的行为学影响

3.3.1 稳态强磁场不影响斑马鱼幼鱼的自由游动行为

3.3.2 稳态强磁场延迟斑马鱼幼鱼眼动反应的发育

3.4 稳态强磁场延迟斑马鱼发育的生物物理模型

3.4.1 模型的物理基础:微管的抗磁各向异性

3.4.2 模型的生物基础:斑马鱼卵裂期大尺寸的细胞和纺锤体

3.4.3 理论模型:稳态强磁场对微管的作用

3.4.4 理论模型:稳态强磁场对纺锤体定位和定向过程的影响

3.4.5 计算机模拟:稳态强磁场干扰纺锤体的定位和定向,从而延迟发育

3.5 结论

3.6 讨论

3.6.1 稳态强磁场对发育的生物效应:比较斑马鱼和其他生物相关研究

3.6.2 稳态强磁场影响纺锤体的模型

3.6.3 理论模型的验证

3.6.4 比较稳态强磁场对不同阶段斑马鱼的生物效应

3.6.5 稳态强磁场对发育的延迟作用不是永久性的

3.6.6 稳态强磁场在日常生活和医疗中的安全参考

19F磁共振成像检测斑马鱼体内蛋白质活性'>第4章高场¹⁹F磁共振成像检测斑马鱼体内蛋白质活性

4.1 引言

4.1.1 斑马鱼高场磁共振成像

4.1.2 斑马鱼断尾之后的细胞凋亡

4.1.3 斑马鱼肿瘤移植模型

4.2 材料和方法

4.2.1 高场磁共振成像仪

19F纳米粒子合成'> 4.2.2¹⁹F纳米粒子合成

4.2.3 斑马鱼基本操作

4.2.4 斑马鱼尾鳍损伤和吖啶橙染色

4.2.5 斑马鱼腹腔注射肿瘤细胞

4.2.6 质粒转化、细菌培养和质粒提取

4.2.7 向HEK293T细胞中转染DSRED质粒

4.3 实验结果一

4.3.1 斑马鱼断尾后,断面处大量细胞死亡

19F MRI在斑马鱼断尾处检测到CASPASE 3/7活性'> 4.3.2¹⁹F MRI在斑马鱼断尾处检测到CASPASE 3/7活性

4.4 实验结果二

4.4.1 构建斑马鱼肿瘤移植模型

19F MRI在斑马鱼腹腔肿瘤处检测到LEGUMAIN活性'> 4.4.2¹⁹F MRI在斑马鱼腹腔肿瘤处检测到LEGUMAIN活性

4.5 结论

4.6 讨论

4.6.1 斑马鱼在高场MRI生物研究中的优势

4.6.2 MRI检测肿瘤细胞内LEGUMAIN的潜在应用

第5章总结和展望

5.1 稳态强磁场的生物效应相关研究

5.2 斑马鱼的高场磁共振成像

参考文献

附录A 纳米粒子结构

致谢

在读期间发表的学术论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 葛舒超

导师: 胡兵

关键词: 稳态强磁场,斑马鱼,发育,微管,纺锤体

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 中国科学技术大学

分类号: Q691

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000190

总页数: 125

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