摘要
尽管人类与鱼类、鸟类或蛇等其他动物看起来不同，但我们都有一个骨架，它赋予我们的身体形状，保护我们的内脏器官不受伤害，并帮助我们移动。有骨架和脊椎的动物叫做脊椎动物。因为所有的骨骼都是由骨头构成的，科学家可以通过研究包括鱼类在内的其他脊椎动物的骨骼来了解很多关于人类骨骼的知识。斑马鱼是一种脊椎动物，科学家们用它来研究骨骼的形成、衰老和身体的修复。关于斑马鱼的一个很酷的事实是，如果它们被另一条鱼咬掉，它们的尾巴，包括骨头，可以重新生长。科学家们还可以利用斑马鱼来了解新药物如何保持骨骼健康，或者如何在事故或疾病后修复骨骼。在这篇文章中，我们将讨论科学家如何与斑马鱼合作来了解骨骼生物学和健康。
骷髅是由骨头构成的
骨骼是赋予你身体形状的结构，让你能够站立和移动(图1一个)．成年人的骨骼由大约206块相互连接的骨头组成，它们的形状和大小各不相同(你可以在这里读到更多)Young Minds文章)．例如，有些骨头很长，比如上臂的肱骨和大腿的股骨，而另一些骨头很短，比如手腕的腕骨和脚踝的跗骨。尽管骨骼的形状、大小和功能不同，但骨骼必须强壮和健康才能正常工作。健康的生活方式，包括营养丰富的食物和有规律的锻炼，是保持骨骼健康的最佳方式。
- 图一-(一)人类的骨骼是由骨头组成的，骨头是通过骨化过程形成的。
- (B)从软骨模型中构建骨骼被称为软骨内成骨。没有软骨模的骨骼形成称为膜内骨化。在骨化过程中，被称为成骨细胞的细胞(蓝色)会沉积矿物质和蛋白质，而被称为破骨细胞的细胞(洋红色)会重塑骨骼，使其成形。(C)成骨细胞和破骨细胞合作维持骨骼健康。年龄或疾病会导致破骨细胞去除骨组织的速度比成骨细胞替代它的速度更快，导致骨骼变得脆弱和生病(使用BioRender和Adobe Illustrator创建)。
骨骼是如何形成的
通过一个叫做骨化在美国，骨骼在出生前就开始形成，并在儿童时期、青少年时期和成年早期继续发育。出生前，骨骼开始以以下两种方式之一形成(图1 b)．一种方法是为细胞调用造骨细胞入侵预先造好的软骨骨骼的霉菌和沉积蛋白质和矿物质(特别是钙)在凝胶状支架。软骨是一种可以塑造鼻子或外耳等身体部位的组织，但它不能提供很大的力量。通过沉积额外的蛋白质和钙，成骨细胞将柔软的软骨转变为强壮的骨骼[1，2］．科学家称这种类型为骨形成软骨内骨化．第二种不需要软骨模子的骨骼制造方法叫做膜内的骨化．在膜内骨化过程中，成骨细胞侵入组织，并通过直接在其周围沉积蛋白质和钙来开始制造骨。不管它们是如何形成的，骨骼必须进一步塑形和雕刻(重塑)才能在体内发挥作用。1，2］．
重塑骨骼的工作是细胞的职责破骨细胞．必要时，破骨细胞可以从骨骼中清除多余的蛋白质和钙，例如当骨骼受损时[1，2］．之后，成骨细胞会返回，填补缝隙，重塑或强化骨骼[1，2］．成骨细胞和破骨细胞之间的这种团队合作贯穿人的一生。在青少年时期，成骨细胞比破骨细胞更快地增加骨骼的长度。这就是你和你的同学在成长过程中长高的方法!后来，在成人生活中，成骨细胞和破骨细胞同样努力地修复和恢复因日常磨损而变弱的骨骼区域(图1 c)．成骨细胞和破骨细胞的合作使人的骨骼在一生中保持强壮和健康[1，2］．
骨生物学:从鱼到人
所有有脊椎骨的动物，都是由小椎骨相互堆叠而成的脊椎动物．脊椎动物有各种形状和大小——从大象、鲸鱼到老鼠和鱼。它们的内部骨骼赋予脊椎动物独特的形状。尽管脊椎动物在外表上可能看起来非常不同，但它们的骨骼具有相似的功能，比如保护脆弱的器官，如大脑、脊髓和心脏的安全。斑马鱼是一种原产于印度的小鱼，现在可以在世界各地的宠物店里找到，它们的头骨中有74块骨头。这比人类头骨中的22块骨头还要多(图2) [3.］．尽管在数量上存在差异，斑马鱼和人类的头骨组合在一起，形成了一个支撑和保护大脑的外壳。斑马鱼和人类的头骨都是通过膜内骨化形成的，没有软骨模子[1- - - - - -3.］．
- 图2 -人类和斑马鱼看起来非常不同，但他们的骨骼在结构和功能上有许多相似之处。
- 一个例子是保护大脑的头骨。头骨是用斑马鱼和人类使用相同的骨化方法形成的骨头拼图建造的，但头骨看起来不同，因为形状和碎片数量不同。另一个例子是脊柱，它是由椎骨相互堆叠而成的。人类和斑马鱼拥有相同数量的椎骨，但他们使用不同的骨化方法来构建它们(使用BioRender和Adobe Illustrator创建)。
有趣的是，斑马鱼和人类的脊柱中都有相似数量的椎骨(约33个)，这些椎骨有助于保持身体姿势和保护脊髓(图2) [3.］．尽管数量相似，但斑马鱼和人类的这些骨头的形成方式却非常不同:人类的椎骨是由软骨模子形成的，而斑马鱼的椎骨不是。1- - - - - -3.］．无论它们的形状、数量或如何形成，骨化骨都很坚固，可以保护内脏并赋予动物形状。
无论疾病还是健康，都有骨头
事故、疾病和年龄都会损伤骨骼。大多数情况下，如果骨头在事故中断裂，医生可以修复损伤。他们在x光机的帮助下将骨头放回原位，然后用石膏固定该区域4-8周。一旦骨头复位，成骨细胞就会进入并修复受损区域，沉积蛋白质和钙，将破碎的碎片融合在一起。这样就会形成健康强壮的骨骼，形状和功能与事故前相同。
然而，有时医生很难修复骨头，因为骨头生病了。生病的骨头很脆弱，因为它们失去了通常使它们强壮的蛋白质和钙。当破骨细胞清除蛋白质和钙的速度比成骨细胞替代它们的速度快时，就会发生这种情况。医生们并不完全理解为什么会发生这种情况，但他们知道这种不平衡往往与年龄有关。例如，50岁以上的人更有可能骨骼脆弱。事实上，每10个成年人中就有2个被诊断为骨质衰弱[4］．虽然有一些药物可以阻止骨骼变弱，但目前医生只有很少的药物可以帮助重建骨骼并恢复其功能。医生和科学家们正在合作开发可以在事故或疾病后使用的新药，以鼓励成骨细胞将骨骼恢复到原始状态。
利用动物研究骨骼生物学
在新药投入使用之前，科学家们必须进行测试以确保它们是安全的。例如，医生和科学家必须知道给病人服用多少药物，病人应该服用多长时间的药物，以及应该以药丸还是一针的形式给药。科学家们可以通过在动物身上试验新药来回答所有这些问题。可以用来测试药物的非人类动物，因为它们模仿了人类生物过程和疾病的关键方面动物模型．在开始实验之前，科学家们会为他们提出的问题仔细选择最佳的动物模型。
在过去的20年里，斑马鱼已经成为一种流行的动物模型来测试药物和了解骨骼生物学和疾病(图3一)．斑马鱼对研究骨骼很有用，因为它们骨骼的形成方式与人类骨骼的形成方式非常相似。1- - - - - -3.］．例如，人类和斑马鱼的骨骼都是由成骨细胞和破骨细胞通过软骨内骨化和膜内骨化方法(图3 b)．成骨细胞用来构建骨骼的蛋白质和矿物质以及破骨细胞用来分解骨骼的蛋白质和矿物质也是相似的。有趣的是，随着斑马鱼年龄的增长，它们的骨骼会像人类的骨骼一样变得脆弱。人类可以活100岁以上，但斑马鱼只能活3年左右，这使得研究与年龄有关的骨分解变得容易得多。让斑马鱼成为有用动物模型的另一个有趣事实是，与人类不同，它们可以再生骨骼。如果一条斑马鱼打架，一条鱼咬掉了另一条鱼的尾巴，受伤的斑马鱼可以重新长出它的尾鳍，包括所有的骨头(图3 c) [1- - - - - -3.］．斑马鱼的一个成功故事涉及到一种新型药物的发现，这种药物可以治疗人类肌肉慢慢变成骨头的疾病。这类药物目前正在进行人体试验[5］．由于这些原因，斑马鱼已经成为一种流行的动物系统，用于研究药物对骨骼形成、愈合和修复的影响。
- 图3 -斑马鱼是研究骨骼生物学强有力的动物模型。
- (一)科学家可以用斑马鱼来测试药物，有朝一日可以帮助修复患病的骨组织。(B)科学家可以利用斑马鱼来研究一般的骨骼生物学，因为人类和斑马鱼的骨骼构建、生长和修复的方式是相似的。(C)斑马鱼有一种非凡的能力，可以在受伤后再生骨骼，尤其是尾巴。如果科学家们了解了斑马鱼是如何再生骨骼的，他们就可以利用这些信息来帮助治疗骨病患者(使用BioRender和Adobe Illustrator创建)。
结论
所有脊椎动物的骨骼都是由骨头组成的。骨骼很强壮，它们保护着动物的内部器官，并赋予动物独特的体型。但即使是最强壮的骨头也会骨折或生病。医生和科学家们正在寻找治疗骨骼疾病的方法，并从一开始就防止人们患上骨骼疾病。因为所有动物的骨骼都是用同样的方法和材料，用同样的细胞构建的，科学家们可以通过研究包括斑马鱼在内的动物，了解到很多关于骨骼是如何形成的，骨骼是如何生病的，以及什么药物可以治疗骨骼疾病。
术语表
骨化：↑使组织硬化成骨的自然过程。
造骨细胞：↑沉积蛋白质和矿物质以形成骨骼的细胞。
软骨：↑一种坚固而灵活的组织，将身体的各个部分连接在一起，形成像外耳这样的结构，并为骨骼的形成提供了一个模具。
软骨内骨化：↑一种将胶状软骨模子转化为强壮骨骼的造骨方法。
膜内的骨化：↑一种骨骼构建方法，细胞开始在周围沉积蛋白质和钙来构建骨骼。
破骨细胞：↑清除蛋白质和矿物质以分解骨骼的细胞。
脊椎动物：↑有脊椎的动物包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类。
动物模型：↑有生命的、非人类的动物，使科学家能够在不危及人类的情况下进行改善人类健康的实验。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
致谢
我们要感谢实验室过去和现在的成员:Esmail Miyanji, Zach Perkins和Quan Chau。特别感谢Phinn Hilliker审阅手稿的早期版本。我们也要感谢支持我们研究的组织:国家科学基金会(DMR 1809419)，国家卫生研究所(NIAMS R21AR072226)，以及里士满大学艺术与科学学院。
参考文献
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[２]↑布塞，B.，加洛韦，J. L.，格雷，R. S.，哈里斯，M. P.和权，R. Y. 2019。斑马鱼:骨科研究的新兴模型。J.骨科保留区。38:925-36。doi: 10.1002 / jor.24539
[3]↑Dietrich, K.， Fiedler, i.a.k .， Kurzyukova, A.， Lopez-Delgado, a.c.， McGowan, L. M.， Geutzen, K.等。2021。斑马鱼骨骼生物学和疾病建模。挖骨者。Res。36:436-58。doi: 10.1002 / jbmr.4256
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［5］↑Cully, M. 2019。斑马鱼获得了他们的药物发现条纹。Nat. Rev.药物发现18:811-3。doi: 10.1038 / d41573 - 019 - 00165 - x