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    利用開放原始碼之深度學習軟體評估二甲基亞碸對FMR1突變斑馬魚的治療效果
    (2021) 歐艾瑞; Odle, Eric
    背景簡介：FMR1 (fragile X mental retardation 1) 基因位於人類的Xq27.3基因座，當其CGG核苷酸重複序列 (nucleotide repeat) 過長時，將會造成X-染色體脆折症 (fragile X syndrome, 簡稱 FXS)。現已開發出可用於研究FXS的斑馬魚 (Danio rerio) 突變品系，相較於囓齒類動物，斑馬魚具有快速發育、幼體透明和高繁殖力等研究優勢。前人的囓齒類動物研究發現，FMR1突變與發炎反應間存有關聯，特別是壓力條件下的細胞激素 (cytokine) 和c-Fos的表現。已知二甲基亞碸 (dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO）為一種的消炎藥 (anti-inflammation drug)，具有多種免疫調節效果和臨床應用。 本計劃藉由建立清晰的FMR1突變行為和基因表達表型後，來探討DMSO當作治療FXS藥物的可能性。研究方法：利用顯微鏡觀察受精後 (post-fertilization, dpf) 三天大幼魚的心率和體長，以評估DMSO處理對FMR1突變品系胚胎及幼體發育的影響。採用公開性的「深度學習軟件」，進行多動物同時自發性運動跟踪法 (multi-animal locomotor tracking)，分別對幼魚進行2分鐘 (n = 10) 及對成魚進行5分鐘 (n = 5) 的記錄及分析。通過觀察幼蟲的趨態性 (thigmotaxis) 和淺水內聚性 (shoal cohesion) 來評估幼魚的數焦慮行為 (anxiety-like behavior)，並使用新型水箱潛水模式 (novel tank) 對成魚進行焦慮評估。利用C-start反射評估幼魚的學習行為通過觀察幼蟲的趨態性 (thigmotaxis) 和淺水內聚性 (shoal cohesion) 來評估幼魚的焦慮程度，並使用新型水箱潛水模式 (novel tank) 對成魚進行焦慮評估。利用C-start反射評估幼魚的非聯結型學習行為 (non-associative learning)，而成魚則採用抑制性逃避模式 (inhibitory avoidance) 來評估學習反應。並以2項選擇模式 (two choice paradigm) 來評估成魚的社會興趣反應 (social interest paradigm)。最後透過定量聚合酶連鎖反應 (quantitative PCR) 評估全腦中FMR1和細胞激素 (cytokines) 的基因表現。實驗結果：突變品系成魚的行為表型分析顯示，同型合子 (homozygotes) 出現過動的反應 (hyperactivity)，異型合子 (heterozygotes) 對陌生魚的社會興趣 (allospecific social interest) 增加，同型合子中的焦慮反應及恐懼學習(fear learning)減少。DMSO的長期投予最佳濃度為0.05％，可恢復突變品系幼魚的趨態性(thigmotaxis)和淺灘凝聚性 (shoal cohesion) 行為表型。在5-dpf時觀察到誘導的C-起始反射 (strike induced C-start) 的減少，暗示該濃度的DMSO對毛細胞可能具有潛在的毒性，然而在7-dpf的幼魚身上，並未呈現空間運動的異常。該濃度的DMSO投予能夠改善突變品系成魚的焦慮和學習缺陷等行為表型。儘管DMSO處理不能使FMR1的表現恢復到正常水平，但能顯著改善c-Fos及適度改善細胞激素因子 (IL-1β，IL-6和IL-10) 的表現。結論：本計劃的結果顯示，1）FMR1突變品系的同型合子為適合的FXS動物模型，2）DMSO的使用可減少突變品系幼魚的異常行為，3）DMSO可降低突變品系成魚的異常行為，並使其腦中發炎反應基因 (inflammation genes) 表現減少。討論：突變品系成魚的運動，焦慮和恐懼學習結果與以前的囓齒動物和斑馬魚FXS模型大致相同。但在社會興趣的結果有差異，前人報導將突變品系對同種 (cospecific) 的興趣大於同種異體 (allospecific)。在幼魚實驗中的一些新發現，包括FMR1突變體在5-dpf時明顯的非聯結型學習 (non-associative learning) 障礙，焦慮以及淺灘凝聚力的增加。過去的文獻推測的腦部發炎反應基因增加，本計劃發現FMR1 KO樣本腦中神經炎症基因被下調。進一步探討特次腦區的特異性表現 (region-specific expression)，特別是在端腦內側和外側大腦皮層 (telencephalic medial and lateral pallium) ，可能會得到與囓齒類動物一致的結果。