文摘
即使人类看起来不同于其他动物,如鱼、鸟、或蛇,我们都有一个框架,使我们的身体形状,保护我们的内部器官免受伤害,并帮助我们移动。动物骨骼和中枢被称为脊椎动物。因为所有的骨骼是由骨头,科学家们可以学习到很多人的骨头通过研究其他脊椎动物,包括鱼。斑马鱼是脊椎动物骨骼被科学家用来研究,年龄和身体修复的。关于斑马鱼一个酷的事实是,他们可以重新长出尾巴,包括骨,如果他们被另一个鱼咬掉。科学家们还可以使用斑马鱼了解新药如何维持骨骼健康,或发生事故后如何修复骨骼疾病。在本文中,我们将讨论如何科学家可以使用斑马鱼了解骨生物学和健康。
骨骼是由骨骼
骨架结构,给你的身体形状和允许您站和移动(图1一个)。成年人的骨骼是由大约206互联的骨头,有各种形状和大小(你可以阅读更多年轻人的文章)。例如,一些骨头很长,在你的上臂肱骨和股骨在大腿上,而另一些则短,像腕骨的手腕和脚踝的跗骨。尽管不同的形状、大小和功能,骨骼必须强壮和健康正常工作。一个健康的生活方式,包括有营养的食物和有规律的锻炼是最好的方式让你的骨骼形状良好。
- 图1 -(一)人类的骨骼是由骨头,通过这一过程被称为骨化。
- (B)构建骨软骨的模具称为软骨内成骨。构建骨软骨没有模具被称为膜内的骨化。在骨化,细胞成骨细胞(蓝色)存款矿物质和蛋白质,和细胞称为破骨细胞(红色)改造骨头形状。(C)成骨细胞和破骨细胞合作维持骨骼健康。年龄或疾病可以导致破骨细胞移除骨组织的速度比成骨细胞取代,使骨头变得脆弱和生病(BioRender和Adobe Illustrator中创建)。
骨头是如何制造的
通过这一过程被称为骨化在出生之前,骨骼开始形成和继续发展的童年,青少年时期和成年早期。在出生之前,骨骼开始形成以两种方式之一(图1 b)。一种方法是细胞造骨细胞入侵一个成品软骨模具的骨头和存款蛋白质和矿物质jello-like脚手架(特别是钙)。软骨是一个组织,可以给身体部位形状如你的鼻子或外耳,但它不提供很多力量。通过额外的蛋白质和钙,成骨细胞柔软的软骨转变成强大的骨(1,2]。科学家称这种类型的骨形成软骨内骨化。第二个方法,使骨骼,软骨不需要模具膜内的骨化。在膜内的骨化,成骨细胞侵入组织并开始骨通过直接沉淀蛋白质和钙。无论如何,必须进一步塑造和雕刻骨头(改建)在体内执行他们的功能(1,2]。
重构的工作骨骼细胞的责任破骨细胞。必要时,破骨细胞可以从骨头去除多余的蛋白质和钙,例如当骨头受损[1,2]。后来,成骨细胞可以返回,填补空白,重塑或加强骨(1,2]。成骨细胞和破骨细胞之间的这种团队精神贯穿一个人的生活。在青少年时期,造骨细胞的工作速度比破骨细胞增加骨骼的长度。这是你和你的同学得到高你成长!之后,在成人的生活中,成骨细胞和破骨细胞同样努力修复和恢复领域的骨头已经削弱了日常磨损(图1 c)。成骨细胞和破骨细胞的合作使一个人的骨骼强健和健康通过一生1,2]。
骨生物学:从鱼类到人类
所有的动物都有骨干,组成的小型脊椎骨骼堆叠在彼此之上,被称为脊椎动物。脊椎动物的形态和大小从大象和鲸鱼老鼠和鱼。他们的内部骨架给脊椎动物他们独特的形状。即使脊椎动物可能看起来非常不同,他们的骨骼提供类似的功能,比如保持脆弱的器官,如大脑、脊髓,和心脏,安全。斑马鱼、小型鱼原产于印度现在可以发现在世界各地的宠物店,有74块骨头的头骨。比22的骨头多的人类头骨(图2)[3]。尽管这个数字不同,骷髅的骨头在斑马鱼和人类组合在一起进行保存和保护大脑。斑马鱼和人类的头骨骨软骨构建没有模具,通过膜内的骨化(1- - - - - -3]。
- 图2——人类和斑马鱼看起来非常不同,但他们的骨骼有许多结构和功能相似之处。
- 一个例子是头骨,保护大脑。头骨是建立从骨头形状的拼图使用相同的骨化方法在斑马鱼和人类,然而,头骨看起来明显因为碎片的形状和数量是不同的。另一个例子是脊柱,这是由椎骨堆叠在彼此之上。人类和斑马鱼具有相同数量的椎骨,但是它们使用不同的骨化方法来构建(BioRender和Adobe Illustrator中创建)。
有趣的是,斑马鱼和人类都有类似的脊柱的椎骨列数(约33),这有助于维持身体姿势和保护脊髓(图2)[3]。尽管类似的数量,这些骨头是在斑马鱼和人类有很大的不同:虽然人类椎骨形成软骨模具,斑马鱼椎骨不(1- - - - - -3]。不管他们的形式、数量或他们是怎样制成的,僵化的骨头是强大的保护内脏器官和给动物的形状。
骨骼疾病和健康
事故、疾病和年龄会损伤骨骼。大多数时候,如果骨头断裂事故期间,医生可以修理损坏的地方。他们通过把骨头在x射线机的帮助下,然后稳定区域与4 - 8周。一旦骨骼设置回地方,成骨细胞可以进来和修复受损的区域,通过沉淀蛋白质和钙融合山河。这个结果在一个健康,强骨,在事故发生前一样的形状和功能。
有时,然而,医生很难修复的骨头,因为骨头生病。生病的骨头脆弱,因为他们失去了蛋白质和钙通常使他们强大。这可能发生在破骨细胞去除蛋白质和钙比成骨细胞可以取代它们。医生不完全理解为什么这一切发生的时候,但他们知道,这种不平衡往往是与年龄有关。例如,50岁以上的人更可能有弱的骨头。事实上,两个10个成年人中被诊断为骨质脆弱(4]。虽然有一些药物可以阻止骨骼变弱,医生目前很少有药物帮助重建骨骼和恢复其功能。医生和科学家共同努力开发新的药物,可以使用事故或疾病后,鼓励成骨细胞骨骼恢复到原来的状态。
用动物来研究骨生物学
在新药物给人之前,科学家们必须测试,以确保他们是安全的。例如,医生和科学家必须知道的药物给病人,病人应采取药物治疗多久,以及是否应作为药丸或一试。科学家可以回答所有这些问题通过测试新药物在动物。非人类的动物,可用于测试药物,因为他们模仿人类生理过程和疾病的关键方面动物模型。在开始实验之前,科学家们精心选择最好的动物模型,他们问的问题。
在过去的20年里,斑马鱼已成为一个受欢迎的动物模型来测试药物和了解骨生物学和疾病(图3一)。斑马鱼研究骨骼是有用的,因为他们的骨头的方式非常类似于人类骨骼的方式(1- - - - - -3]。例如,人类和斑马鱼的骨骼,是由使用软骨内成骨细胞和破骨细胞和膜内的骨化方法(图3 b)。的蛋白质和矿物质,成骨细胞用于构建,破骨细胞移除拆除骨头也类似。有趣的是,随着年龄的增长,斑马鱼的骨头可以变得脆弱,就像人的骨头。人类可以活100多年,但斑马鱼只活了3年,使它更容易研究老年性骨质破坏。另一个有趣的事实,使得斑马鱼是一种有用的动物模型,与人类不同的是,他们可以再生的骨头。如果一个斑马鱼进入战斗,一条鱼咬尾,受伤的鱼可以再生的尾鳍,包括所有的骨头(图3 c)[1- - - - - -3]。一个斑马鱼成功故事涉及的发现一类新的药物来治疗人类疾病,肌肉慢慢变成了骨头。这类药物目前正在测试在人类5]。鉴于所有这些原因,斑马鱼已成为流行的动物系统研究药物在骨形成的影响,愈合和修复。
- 图3——斑马鱼是一个强大的动物模型来研究骨生物学。
- (一)科学家们可以使用斑马鱼来测试药物,可能有一天帮助修复生病的骨组织。(B)科学家可以利用斑马鱼研究一般骨生物学因为人类和斑马鱼的方式构建,成长,和修复他们的骨头是相似的。(C)斑马鱼有非凡的能力再生骨骼受伤后,尤其是在它们的尾巴。如果科学家了解斑马鱼再生他们的骨头,他们可以利用这些信息来帮助治疗骨疾病患者(BioRender和Adobe Illustrator中创建)。
结论
所有脊椎动物的骨骼是由骨头。骨头是强大的,他们保护动物的内脏,给动物其独特的体型。但即使是最强的骨头可以打破或生病。医生和科学家正在寻找方法来治愈生病的人骨骼和阻止人们生病的骨头放在第一位。因为所有动物骨架构建使用相同的方法和材料和同样的细胞,科学家们可以学到很多关于骨头,骨头如何生病,和药物治疗骨疾病从研究什么动物,包括斑马鱼。
术语表
骨化:↑自然的硬化过程组织成骨头。
造骨细胞:↑构建骨骼细胞,蛋白质和矿物质。
软骨:↑公司,但身体的灵活的组织,连接部位在一起,构建结构如外耳,并提供模具制造的骨头。
软骨内骨化:↑类型的骨jello-like软骨的构建方法模型转化为强大的骨头。
膜内的骨化:↑类型的骨细胞开始沉淀蛋白质和钙的制造方法建立骨周围。
破骨细胞:↑细胞,去除蛋白质和矿物质分解骨骼。
脊椎动物:↑动物有支柱包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类。
动物模型:↑生活,非人类的动物,让科学家们做实验来改善人类健康没有让人们处于危险之中。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
我们要感谢过去和目前实验室的成员:提出Miyanji,扎克帕金斯,全洲。特别感谢Phinn Hilliker回顾早期版本的手稿。我们也要感谢组织,支持我们的研究:美国国家科学基金会(DMR 1809419),美国国家卫生研究所(NIAMS R21AR072226),和里士满大学艺术与科学学院。
引用
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