布朗大学新成立的研究环境污染物影响的实验室

位于美国罗德岛州普罗维登斯[布朗大学]-房间明亮而温暖-全年70年代中期温和-有藻类和潺潺流水的气味。这听起来像一个遥远岛屿上的热带绿洲。事实上，它只是罗德岛布朗校区的一个实验室，那里是基因工程斑马鱼的繁殖地。

Jessica Plavicki是该大学Warren Alpert医学院病理学和实验室医学助理教授，她利用成年鱼的胚胎来研究发育遗传学——基因如何控制正常生长——以及发育毒理学——环境因素如何干扰正常生长和发育。

具体来说，Plavicki正在研究一种叫做“毒物”的有毒化学制品是如何影响大脑和心脏发育的。在某些情况下，她的团队将斑马鱼胚胎暴露在水源中发现的污染物中，以研究这些有毒物质的影响。她说，他们对全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)特别感兴趣，这是一组正在出现的令人担忧的污染物，包括不粘炊具和防水织物的副产品，以及消防泡沫的残留物。通常，他们使用有针对性的基因工具来调整被有毒物质破坏的分子通路。

A斑马鱼，Plavicki首选的研究污染物对发育影响的模型生物。

Plavicki的研究是以斑马鱼为基础的，但它的意义是广泛适用的。鱼可能有鳍而不是脚，有两个心室而不是四个，但是协调发展的分子信号在鱼和人类身上都是一样的。

“在我的实验室里，我们感兴趣的是了解接触污染物如何影响大脑和心血管系统的发育，”布朗大学卡尼脑科学研究所(Brown ‘s Carney Institute for brain Science)的普拉维奇说。“我们真正感兴趣的是不同器官之间的交集——心血管健康和大脑健康之间的互动。”

吸引和支持像普拉维基这样的早期职业研究人员，是增强布朗顶级研究企业影响力的基石。普拉维基的创新工作涉及多个重点领域。建立一个新的研究实验室对于促进科学发展是至关重要的，这是一项不小的事业。

启动一个实验室

自2016年来到布朗大学以来，普拉维基的大部分工作都集中在建立基因工程斑马鱼群体，确保每一种鱼都有正确的基因变化——特定的细胞会发光，或者特定的分子信号会开启或关闭。

在她建立这个殖民地之前，大学必须建立一个专门的设施来安置斑马鱼。这个最先进的热带设施包括鱼缸架、两个独立的水过滤和质量监控系统，以及养殖盐水虾和斑马鱼吃的微小浮游生物的设备。

然后，普拉维基不得不把她在威斯康辛州的博士后实验室的斑马鱼坦克运到布朗。

“把他们搬到这里来很有挑战性，”她说。“我们不得不在隆冬时节把鱼带来。这些鱼不喜欢在寒冷的天气里被运往全国各地。然后它们就不想繁殖了。我们必须等到下一代的鱼有好的繁殖者。”

尽管斑马鱼发育得很快——从受精卵到八分之一英寸长、透明的幼虫只需三天时间——但最好的繁殖鱼至少有六个月大。

与此同时，普拉维基正在建立繁殖群体，生产她的研究所需的基因工程胚胎和幼虫，并采购合适的设备来运行她的实验室，她还招募了一组年轻的研究人员。她说，成功地引进一群有才能、有干劲的学者是她开展创新研究的关键。

的Plavicki研究小组成员聚集在Jessica Plavicki周围，她正坐在光镜前。从左至右:蕾切尔·科赫、内森·马丁、凯特·塞茨、香农·马丁和阿普丽尔·罗德。

今年夏天，普拉维奇实验室包括布朗大学的三名本科生、布朗大学病理生物学研究生项目的三名博士生、两名博士后和一名研究助理(蕾切尔·科赫[Rachel Koch]饰)。

“我很幸运拥有一个非常棒的实验室，”普拉维奇说。“拥有一个良好的团队是我们未来所有工作的基础。”

照顾好蚁群

即使已经建立了斑马鱼种群，要想让实验室顺利运转也需要不断的关注。

科赫说，每天，包括周末和节假日，中央供水系统和独立检疫供水系统的水质(pH值、导电性和氮循环)都需要每天检查两次，以确保鱼处于健康的环境中。此外，斑马鱼每天要吃两次，每天都要生长和收获用于斑马鱼食物的盐水虾和微小的浮游生物。

研究助理雷切尔·科赫(Rachel Koch)走过斑马鱼养殖场，完成了照顾这条转基因鱼的常规任务。

科赫公司主要负责喂鱼和检查鱼的生活条件;然而，实验室实行轮班制，每个成员在周末看护时轮流值班。该大学的动物护理兽医协助假日护理。

科赫还带头为实验室安排和订购材料——从培养皿到干盐水虾蛋。她监测鱼的健康状况，确保鱼缸干净。和世界各地的鱼缸一样，斑马鱼鱼缸也是藻类的栖息地。她说，藻类特别喜欢靠近日光灯的上层水箱。

当科赫将一群斑马鱼(同一基因系的鱼)从一个被藻类覆盖的鱼缸中转移到一个干净的鱼缸中时，她把所有的红藻擦洗干净，然后好好冲洗一番。然后，她将清洗过的水箱浸泡在漂白剂中过夜，对它们进行消毒。接下来，她要彻底冲洗鱼缸，清除所有漂白剂的痕迹，因为漂白剂会对鱼造成伤害。然后这些鱼缸风干，在这一点上，它们准备好迎接新的鱼——要么来自另一个藻类覆盖的鱼缸，要么是幼鱼准备好迎接更大的鱼缸。

科赫说:“我每天都喂鱼，确保每样东西都是干净的，所有的水参数都在它们应该在的地方，这样鱼就处于一个良好、健康的环境中。”“但这不仅仅是和鱼打交道。学习遗传学真的很有趣，实验室里的每个人都在你需要的时候出现。”

研究影响发育的污染物

尽管照顾一个繁殖群体的斑马鱼需要大量的工作，但它们对于生物医学研究来说，是无价的“实验室老鼠”——生物模型。

研究生Shannon Martin检查了透明的斑马鱼胚胎，以确保它们属于正确的谱系。

Plavicki说，它们是群居的小动物，胚胎在母亲体外快速发育，并在大约一周的时间内保持透明。维持一群斑马鱼比一群实验室老鼠更划算，后者是另一种常见的研究模型生物。

“斑马鱼非常棒，”普拉维奇说。“它们最初是透明的，所以我们可以在显微镜下观察它们的发育。我们可以观察血液流动。我们可以监测胚胎鱼的心功能。我们可以做功能性神经成像来观察大脑活动的变化。在第一周内，所有的主要器官都开始工作。它非常迅速。”

通过高速扫描共聚焦显微镜，普拉维奇和她的团队可以实时观察暴露于有毒物质或被破坏的分子通路如何影响心脏和大脑的发育。共焦显微镜使用激光照射微小的区域，产生的图像和视频比传统的光学显微镜有更精细的细节。

此外，斑马鱼基因组已完全测序，并已开发多种基因工程工具用于斑马鱼研究。Plavicki和她的团队使用这些工具来生产转基因斑马鱼，这些斑马鱼在特定的细胞中发出绿色或红色的荧光，比如那些注定要成为心肌细胞或特定的神经元支持细胞的细胞。

使某些细胞发光的能力——以及更广泛地说，获得具有类似复杂功能的工具和技术——使普拉维奇和她的团队能够探索有关发育和毒物的独特问题。该团队研究的前沿课题之一是未被充分研究的PFASs对神经系统发育和功能的影响。Plavicki说，有成千上万种不同的PFAS污染物，只有少数得到了充分的研究。

通过高速扫描共聚焦显微镜，Plavicki和她的团队可以实时观察暴露于有毒物质或被破坏的分子通路对心脏和大脑发育的影响。

即使是全氟辛酸(PFOA)，这个小组中研究得最好的成员之一，也有许多健康问题没有得到解答。事实上，最近一个由布朗大学教授领导的科学顾问委员会质疑目前PFAS水污染水平的指导方针是否足以保护人类健康。

Plavicki说:“我们不知道哪些PFASs真的对健康有影响，哪些没有。”“它们现在是环境科学的热门话题。”

分子信号通路

除了将斑马鱼胚胎暴露于有毒物质之外，研究小组还利用基因工具来开启和关闭被有毒物质劫持的特定分子信号通路，包括一种参与血细胞、神经元和免疫细胞(AHR)发育的转录因子。

内森•马丁(Nathan Martin)是普拉维基实验室的第一位研究生，他正在研究AHR在特定类型神经元发育中的作用，以及接触激活AHR的污染物如何改变大脑发育和功能。

与Plavicki合作的博士后 April Rodd使用高速扫描共焦显微镜观察基因工程斑马鱼的发育。

他正在使用共聚焦显微镜观察大脑结构和大脑活动的大规模变化，当AHR在不同发育阶段的不同类型的神经元中被激活时。最终，他将观察AHR的激活是否会影响斑马鱼的行为，比如它们对闪烁的灯光或敲击声音的反应。这些测试是用来确定大脑发育的变化是否也会影响感知和行为。

马丁说:“能够在事物发展的过程中观察到它，真是太酷了。”“由于斑马鱼的幼虫很明显，而且已经形成了许多遗传线，而且愿意在斑马鱼群落中共享资源，所以我们可以研究神经发育。我们可以看看神经元的功能。我们可以看看血管系统的发展。我们可以看心跳。这简直就是奇迹”。

这项工作可能会导致血脑屏障的调整，使疗法能够到达大脑。血脑屏障是一种高度选择性的边界，将血液循环与大脑分开。

普拉维基还与布朗/卡尼脑科学研究所的神经科学家克里斯托弗·摩尔合作，利用光线来操纵大脑血管细胞中的基因。

“我们的两个实验室都对脑血管的发育和功能以及血脑屏障的相关问题感兴趣，”Plavicki说。“将我们的鱼类模型与他们的哺乳动物模型配对，真的很令人兴奋。”

事实上，正是这种合作的机会吸引了普拉维奇来到布朗大学和卡尼研究所，他在其他几所研究型大学进行了采访。

Plavicki说:“布朗大学有一个由不同部门的人组成的协作社区。“我与神经科学系的实验室和儿科的同事合作。这是一个非常有创意的合作环境。简而言之，这就是我选择布朗大学的原因。”