Der unglaublich nützliche Zebrafisch: Ihre Anwendung in der Wissenschaft des Schlafs

Zebrafische sind schöne kleine Lebewesen, aber sie könnten uns auch helfen, die Wissenschaft des Schlafs besser zu verstehen.

Zebrafisch
Zebrafische können ihr eigenes Herz heilen

Zebrafische sind unglaubliche Geschöpfe. Sie kommen in vielen Aquarien auf der ganzen Welt vor, und sie sind auch für die wissenschaftliche Forschung ziemlich praktisch.

Ein Bereich, in dem sie eingesetzt werden, um signifikante Durchbrüche zu erzielen, sind Schlafstudien. In einer kürzlich durchgeführten Studie könnten Forscherinnen und Forscher dem Verständnis, warum wir schlafen, einen Schritt näher kommen.

Es würde auch die Tür zu besseren Behandlungen von Schlafentzug und anderen schlafbezogenen Störungen öffnen.

Die Rolle von Zebrafischen in Schlafstudien

Zebrafische sind häufige Versuchstiere für die wissenschaftliche Forschung. Von der Entwicklung neuer Medikamente bis hin zur Untersuchung von Möglichkeiten zur Behandlung von Autismus – sie haben spezifische Eigenschaften, die sie dafür ideal machen.

Einige neuere Studien haben sie verwendet, um uns zu helfen, die Geheimnisse hinter dem Schlaf zu verstehen. Zum Beispiel konnten Forscher in einer kürzlich im Journal Nature veröffentlichten Studie Schlafmuster in den Gehirnen von Zebrafischen identifizieren.

Durch den Einsatz einer Kombination aus Gentechnik und einer speziell entwickelten Technik zum Scannen des gesamten Zebrafisches konnte das Team einige interessante Erkenntnisse gewinnen. Das von ihnen eingefügte Gen wurde als fluoreszierende Proteine exprimiert, die fluoreszieren, wenn der Kalziumgehalt in der Zelle zunimmt.

Ein solcher Anstieg des Kalziumgehaltes wird oft als Proxy für eine erhöhte physiologische Aktivität verwendet. Je mehr also ein Muskel oder Augenlid oder Neuronen im Gehirn feuern, desto mehr „blitzt“ es auf.

Indem sie sich auf das Gehirn konzentrierten, konnten die Forscher die Zellaktivität in Echtzeit aufzeichnen.

Das mag nicht allzu bemerkenswert klingen, aber es stellt sich heraus, dass diese Muster denen von Menschen unglaublich ähnlich sind.

Die Forscher glauben laut National Geographic, dass diese „ähnlichen Schlafmuster sowohl bei Fischen als auch bei Säugetieren Hinweise auf die Entwicklung des Schlafs bei unseren gemeinsamen Vorfahren geben könnten, die uns wiederum helfen könnten, die biologische Funktion des Einnickens besser zu verstehen“.

Dies könnte die wissenschaftliche Gemeinschaft dem Verständnis, warum wir überhaupt schlafen, einen Schritt näher bringen. Bis heute gibt es wirklich keinen Konsens in dieser scheinbar einfachen Frage.

Die zuvor erwähnte Studie scheint darauf hinzuweisen, dass Schlaf, insbesondere REM-Stadien, einen sehr frühen evolutionären Nutzen gehabt haben muss, der sich vor mehr als 450 Millionen Jahren entwickelt hat.

Aber es ist nicht nur aus einer evolutionären Perspektive interessant. Diese Art der Forschung mit Zebrafischen könnte den Weg für die Entwicklung zukünftiger Medikamente zur Behandlung dessen ebnen, was einige als eine wachsende Epidemie von Schlafentzug in vielen Ländern der Welt bezeichnet haben.

Was ist das Besondere am Zebrafisch?

Zebrafische (oder Danio rerio) sind nicht nur auffallend schöne Geschöpfe, sondern sie sind auch für die wissenschaftliche Forschung recht nützlich. Sie gehören zur Familie der Elritzenfische (Cyprinidae), sind ein häufiger Anblick in so manchem Aquarium in beiden Wohnungen und, wie sich herausstellt, auch in Labors.

Für den Menschen hat der Zebrafisch nur einen geringen wirtschaftlichen Wert als Lebensmittel oder als Futter für andere Tiere, aber im Aquarienhandel sind sie sehr beliebt. Diese winzigen tropischen Süßwasserfische haben spezifische Eigenschaften, die sie aus verschiedenen Gründen ideal machen.

Zebrafische sind in ihrem embryonalen Entwicklungsstadium zufällig transparent. Das macht sie für Wissenschaftler so großartig, dass sie mit relativer Leichtigkeit in ihre innere Arbeit hineinschauen können.

Auch die Embryonen von Zebrafischen entwickeln sich sehr schnell, und wie sich herausstellt, haben etwa 70 Prozent unserer Gene ein Gegenstück zum Zebrafisch. Vom befruchteten Ei bis zum Schlüpfen als freischwimmende Larve dauert es etwas weniger als drei Tage, und die Fische wachsen in etwa drei Monaten zur Geschlechtsreife heran.

Wenn Forscher also Veränderungen im basalen Genom des Fisches vornehmen, können sie die Auswirkungen ihrer Arbeit sehr schnell erkennen. Änderungen können in kurzer Zeit analysiert und überprüft werden.

Aus diesem Grund sind Zebrafische oft eines der häufigsten Tiere, die als Versuchspersonen oder Modellorganismen für die Entwicklung von Therapien für verschiedene humanmedizinische Erkrankungen verwendet werden. Sie sind auch sehr beliebt geworden, um Wissenschaftler bei der Entwicklung einiger Behandlungen von Hirnerkrankungen zu unterstützen.

Interessanterweise ist der Zebrafisch eine der wenigen Fischarten, die auch tatsächlich in den Weltraum geflogen sind. An Bord der ISS wurden Zebrafische verwendet, um die Auswirkungen der Schwerkraft auf den Muskelerhalt bei Tieren zu untersuchen.

Wozu werden Zebrafische verwendet und was sind die Vorteile?

Wie wir bereits erwähnt haben, werden Zebrafische für viele wissenschaftliche Experimente verwendet. Tatsächlich werden sie seit den 1960er und 1970er Jahren für diesen Zweck verwendet.

Bis heute wurden Zebrafische für verschiedene Forschungsprojekte verwendet, darunter, aber nicht nur, die folgenden:

  • Die Studie des Klonens
  • Entwicklungsbiologie
  • Onkologie
  • Toxikologie
  • Reproduktive Studien
  • Teratologie
  • Genetik
  • Neurobiologie
  • Umweltwissenschaften
  • Stammzellenforschung
  • Regenerative Medizin
  • Muskeldystrophien
  • Evolutionstheorie

Was sind die Vorteile der Verwendung von Zebrafischen für die Forschung?

Ihre Hauptvorteile für die Forschung sind die folgenden (mit freundlicher Genehmigung von yourgenome.org):

  • Der Zebrafisch ist klein und robust.
  • Sie sind billiger im Unterhalt als Mäuse.
  • Tageslichteinbruch löst bei Zebrafischen die Paarung aus (andere Fische legen ihre Eier nur im Dunkeln ab).
  • Zebrafische können in wöchentlichen Abständen Hunderte von Nachkommen produzieren, so dass den Wissenschaftlern ein reichlicher Vorrat an Embryonen zur Verfügung steht, die sie untersuchen können.
  • Sie wachsen extrem schnell und entwickeln sich an einem Tag so schnell, wie sich ein menschlicher Embryo in einem Monat entwickelt.
  • Embryonen von Zebrafischen sind nahezu transparent, was es den Forschern ermöglicht, die Entwicklung interner Strukturen leicht zu untersuchen. Jedes Blutgefäß in einem lebenden Zebrafischembryo kann mit einem Mikroskop geringer Leistung betrachtet werden.
  • Da Zebrafischeier befruchtet werden und sich außerhalb des Körpers der Mutter entwickeln, ist er ein idealer Modellorganismus für die Untersuchung der frühen Entwicklung.
  • Zebrafische haben eine ähnliche genetische Struktur wie der Mensch. Sie teilen 70 Prozent ihrer Gene mit uns.
  • 84 Prozent der Gene, von denen bekannt ist, dass sie mit Krankheiten beim Menschen in Verbindung gebracht werden, haben ein Zebrafisch-Pendant.
  • Als Wirbeltier hat der Zebrafisch die gleichen wichtigen Organe und Gewebe wie der Mensch. Ihre Muskeln, ihr Blut, ihre Nieren und Augen weisen viele Gemeinsamkeiten mit dem menschlichen System auf.
  • Zebrafische haben die einzigartige Fähigkeit, den Herzmuskel zu reparieren. Wenn ihnen beispielsweise ein Teil ihres Herzens entfernt wird, können sie es innerhalb weniger Wochen wieder wachsen lassen. Wissenschaftler arbeiten daran, die spezifischen Faktoren herauszufinden, die an diesem Prozess beteiligt sind, um zu sehen, ob dies ihnen helfen wird, Wege zur Reparatur des Herzens bei Menschen mit Herzinsuffizienz oder bei Menschen, die einen Herzinfarkt erlitten haben, zu entwickeln.
  • Das Zebrafisch-Genom ist vollständig und in sehr hoher Qualität sequenziert worden. Dies hat es den Wissenschaftlern ermöglicht, Mutationen in mehr als 14.000 Genen zu erzeugen, um ihre Funktionen zu untersuchen.

Wie viel DNA haben Menschen und Zebrafische gemeinsam?

Wie bereits erwähnt, haben wir mit dem Zebrafisch einiges gemeinsam. Nach verschiedenen Quellen teilen Zebrafische tatsächlich etwa 70 Prozent ihrer DNA mit dem Menschen. Darüber hinaus haben 84 Prozent der Gene im menschlichen Genom, von denen bekannt ist, dass sie mit Krankheiten in Verbindung gebracht werden, Entsprechungen im Genom der Zebrafische. Das macht sie zu idealen Versuchspersonen für die Entwicklung von Gentherapien und Pharmazeutika.

Wie beim Menschen wurde auch beim Zebrafisch das Genom vollständig sequenziert. Was sehr praktisch ist.

Das macht sie sehr nützlich für Forschungsprojekte, bei denen Gene verändert und die Ergebnisse analysiert werden. Eine große Metapher dafür wäre, ein Stück von einem Auto zu entfernen und zu sehen, was passiert:

„Wenn zum Beispiel das Lenkrad eines Autos abgenommen wird, kann es nur in eine Richtung gehen“, erklärte Keith Cheng von der Penn State University in einer Humangenomstudie an Zebrafischen.

„Da es unethisch ist, willkürliche Gene beim Menschen zu verändern, verwenden wir Modellorganismen, bei denen die Funktion eines Gens ‚ausgeschaltet‘ oder ‚ausgeknockt‘ wird. Infolgedessen können wir Mutationen in jedem Gen erzeugen. Die Forscher können das Ergebnis in mutierten Embryonen beobachten, manchmal bis hin zu erwachsenen Lebensstadien“, fügte er hinzu.