鱘魚骨骼發(fā)育研究現(xiàn)狀及軟骨的應用開發(fā)

/高麗楠 董穎 胡紅霞

鱘魚是一種古老的軟骨硬鱗魚類，起源于泥盆紀（距今4.5億年～3.5億年），是硬骨魚中最原始的類群和現(xiàn)存最古老的輻鰭魚類?；涗涳@示鱘魚進化異常緩慢，因此也被稱為活化石。依照最新硬骨魚分類，鱘形目魚類隸屬于硬骨魚高綱輻鰭魚綱軟質(zhì)亞綱，軟質(zhì)亞綱目前僅存鱘形目。現(xiàn)存的鱘形目魚類有27種，呈現(xiàn)不同程度瀕危狀態(tài)，所有鱘魚均被列入《國際瀕危動植物種貿(mào)易保護公約》附錄II中。

一、鱘魚骨骼發(fā)育的形態(tài)學研究

魚類骨骼包括軟骨和硬骨。軟骨由軟骨細胞、軟骨基質(zhì)和纖維組成。硬骨包括骨細胞、骨間質(zhì)和纖維。魚類骨骼都是由原腸胚時期中胚層的間充質(zhì)細胞發(fā)育而成，頭部神經(jīng)嵴細胞發(fā)育為頭骨，體節(jié)中胚層生骨節(jié)細胞發(fā)育為脊柱與肋骨，側(cè)板中胚層細胞發(fā)育為附肢骨骼。魚類骨骼發(fā)育過程中，骨骼骨化包括軟骨內(nèi)骨化和膜內(nèi)骨化兩種模式。軟骨內(nèi)骨化是骨化的主要模式，由間充質(zhì)細胞先形成透明軟骨，隨著生長發(fā)育，軟骨組織逐漸被骨質(zhì)所替代，最終形成成熟的骨骼。膜內(nèi)骨化是由間充質(zhì)細胞先分化為胚性結(jié)締組織膜，然后在此膜內(nèi)成骨。

鱘魚的骨骼系統(tǒng)主要分為主軸骨骼和附肢骨骼兩部分，主軸骨骼包括頭骨、脊柱和肋骨，附肢骨骼包括帶骨、支鰭骨骼和鰭條。頭骨分為腦顱和咽顱。腦顱由嗅區(qū)、眶區(qū)、耳區(qū)和枕區(qū)4個部分組成。咽顱由頜弓、舌弓、鰓弓3個區(qū)域組成。鱘魚脊索呈圓柱形，貫穿全身，位于脊髓的腹面，周圍是加厚的脊索鞘，脊索終生存在，沒有真正的椎體。肋骨位于軀干部脊柱的兩側(cè)，保護內(nèi)臟器官免受外界傷害，每根肋骨一端與脊柱的橫突相連，另一端游離。附肢骨骼能夠維持魚類身體平衡和運動，其中鰭條包括胸鰭、腹鰭、臀鰭、背鰭以及歪形的尾鰭，尾鰭又分為上下兩葉，下葉較發(fā)達，上葉邊緣有一排棘狀鱗。鱘魚還有背、側(cè)、腹五列骨板，其中背骨板一列，側(cè)骨板和腹骨板各兩列。

鱘魚軟骨主要有頭部腦顱的整塊軟骨、顎方軟骨、米克爾氏軟骨、后腭方軟骨、關(guān)節(jié)骨、咽鰓軟骨、上鰓軟骨、基鰓軟骨、脊柱和烏喙部軟骨；軟硬混合骨主要分布在咽顱和鰭條部位，包括舌頜骨、角舌骨、基舌骨、角鰓軟骨、肋骨和鰭條。硬骨主要包括顱骨頂部覆蓋的一層較薄的硬骨質(zhì)膜和頭肩部少量骨化結(jié)構(gòu)以及魚體表面的骨板（圖1）。

雖然鱘魚體中絕大多數(shù)骨骼是軟骨，但少量硬骨對支撐魚體、攝食和防御等功能均起到至關(guān)重要的作用。顱骨的骨化在早期發(fā)育中具有重要的防御作用，通常仔魚孵化后顱骨骨骼優(yōu)先發(fā)育。在波斯鱘（A.persicus）骨骼系統(tǒng)的發(fā)育研究中，12日齡（20.1±1.5mm TL）的仔魚被首次觀察到骨化的骨骼，為上頜骨、齒骨及牙齒。20日齡匙骨、頂骨等骨骼開始骨化。30日齡時，匙骨已完成骨化，而額骨、頰骨的骨化才剛剛開始。到50日齡時，副蝶骨、圍框骨等其它頭部骨骼也都完成了骨化。西伯利亞鱘（A.baeri）在20.7mm TL時可被觀察到上頜骨、齒骨最先骨化。施氏鱘（A.schrencki）在20日齡（23.20±0.1mm TL）首先被觀察到骨化的骨骼，到30日齡（39.75±0.1mm TL），其頂骨、后顳骨、下鰓蓋骨、翼耳骨、鎖骨、匙骨、頰骨、額骨、圍眶骨等頭部骨骼都已骨化（見圖2）。雖然不同種類的鱘魚頭骨骨化的時間節(jié)點有所不同，但骨化的順序基本一致。最先開始骨化的骨骼均為上頜骨、齒骨和牙齒，這些骨骼的骨化大大增強了魚苗的攝食能力，隨后頭部其它部位的部分骨骼逐漸開始骨化。

圖1 阿爾新藍-茜素紅染色小體鱘背面觀（A）和腹面觀（B）粉色為硬骨；藍色為軟骨

鱘魚的骨板骨化起始時間僅次于顱骨。施氏鱘背骨板24日齡（26.14±0.1mm TL）時開始骨化，30日齡（32.36±0.1mm TL）后骨化程度不再明顯增加。側(cè)骨板在30日齡（39.75±0.1mm TL）被觀察到骨化。腹骨板在40日齡（76.26±0.1mm TL）基本完成骨化。西伯利亞鱘和波斯鱘骨板骨化時間與施氏鱘相近，背骨板分別在25日齡、20日齡（27mm TL，24.4±2.9mm TL）時被觀察到骨化，側(cè)骨板分別在31日齡、30日齡（53mm TL，33.4±3.8mm TL）時被觀察到骨化，腹骨板分別在37日齡、50日齡（70mm TL，48.4±6.4mm TL）時被觀察到骨化。雜交鱘（H.huso×A.ruthenus）骨板的發(fā)育稍晚于上述三種鱘魚，背骨板在44日齡（44.2mm TL）開始骨化，59日齡（52.7mm TL）完成骨化。側(cè)骨板在59日齡被觀察到骨化，91日齡完成骨化。腹骨板在59日齡被觀察到骨化，91日齡完成骨化。

鱘魚的鰭條骨化程度非常高，僅在鰭條邊緣仍保留少量軟骨。雜交鱘（H.huso×A.ruthenus）背鰭和胸鰭條在59日齡時（52.7mm TL）開始骨化，122日齡（116.3mm TL）時完成骨化。腹鰭和尾鰭條在91日齡時開始骨化，122日齡時完成骨化。施氏鱘在30日齡還沒有被觀察到鰭條骨化，40日齡（76.26±0.1mm TL）時各鰭鰭條均已發(fā)生骨化。

二、鱘魚骨骼發(fā)育分子機制

鱘形目魚類保留了輻鰭魚類一些原始的特征，如軟骨脊索、異質(zhì)尾部、盾鱗等，這些特征均和軟骨魚類相同。鱘魚的主要骨骼均是軟骨，僅在腦顱頂部出現(xiàn)一定程度的骨化膜骨。因此，鱘魚被認為是軟骨魚類至硬骨魚類進化中的過渡態(tài)。

軟骨骨化是一個調(diào)節(jié)嚴格的過程，涉及軟骨細胞成熟，伴有增殖，成熟和肥大的連續(xù)階段，伴有軟骨基質(zhì)合成，鈣化和血管生成，然后才是成骨細胞介導的骨化。研究表明軟骨魚象鯊（Callorhinchus milii）的基因組中除了SCPP基因家族（分泌型鈣結(jié)合蛋白，包括酸性基因dspp、dmp1、ibsp、mepe、spp1及富含Pro/Gln的amel、enam、ambn、amtn和odam）外，與骨骼相關(guān)的基因全部存在。研究發(fā)現(xiàn)在其它軟骨魚類如小鰩（Leucoraja erinacea）、小斑點貓鯊（Scyliorhinus canicula）以及無顎脊椎動物七鰓鰻（Lampetra japonica）的基因組中也不含任何SCPP基因家族成員，可推測缺乏SCPP基因家族是軟骨魚類骨骼不能骨化為硬骨的主要原因。這一假設在斑馬魚敲除spp1功能基因的實驗中得到了驗證。Cheng等2020年的研究表明，匙吻鱘（P.spathula）和小體鱘（A.ruthenus）的基因組中存在SCPP基因家族，且與spp1在鯊魚和斑馬魚中所起的作用不同，推測SCPP家族的其它成員，甚至其它基因家族可能參與了抑制鱘魚從軟骨到硬骨的轉(zhuǎn)變。此外，除了dmp1基因之外，匙吻鱘（P.spathula）和小體鱘（A.ruthenus）保留了大多數(shù)酸性SCPP基因，這可能也是鱘魚具有特殊軟骨表型的原因之一。

圖2 阿爾新藍-茜素紅染色30日齡施氏鱘骨骼發(fā)育

三、鱘魚軟骨的應用開發(fā)

本草拾遺記載：鯊魚翅、鱘魚骨，食之明目壯陽，延年益壽。可見，鱘魚軟骨既可食用，還具有獨特的保健藥用功效。

（一）硫酸軟骨素的提取和應用

硫酸軟骨素（Chondroitin Sulfate,CS）是廣泛存在于高等動物軟骨組織的酸性糖胺聚糖，具有抗凝、抗炎、抗凝血、抗癌、緩解關(guān)節(jié)炎、降血脂、防止血管硬化等多種生理功能；且對冠心病、心絞痛、心肌缺氧等心血管疾病的治療有一定療效，能顯著降低冠心病患者的發(fā)病率和死亡率；還對神經(jīng)元具有保護和修復作用。CS還可活化脂解酶，使脂肪降解，因此是防止肥胖的有效物質(zhì)。此外，因其具有保水性及高粘性，對腫瘤、病毒活性也具有抑制作用，CS在醫(yī)藥、保健食品及化妝品行業(yè)均有廣泛應用，開發(fā)較多的方式是作為保健品制成軟骨素膠囊。

鱘魚的軟骨含量相當高，頭、脊索及鰭中軟骨含量約占體重的10%，是提取硫酸軟骨素易得而又穩(wěn)定的軟骨來源，近年來已在多種鱘魚中開展了硫酸軟骨素的提取。CS的生產(chǎn)工藝很多，常見的提取方法有濃堿提取工藝、稀堿提取工藝、稀堿稀鹽提取工藝、稀堿濃鹽提取工藝及稀堿-酶解提取工藝等。其中，濃堿提取工藝產(chǎn)品顏色較深，分子量較小，且廢堿液對環(huán)境的危害較大；稀堿提取工藝蛋白質(zhì)含量和氮含量較高，生產(chǎn)周期較長；稀堿稀鹽和稀堿濃鹽提取工藝的產(chǎn)率（14.4%和14.1%）和純度都較低；稀堿-酶解法生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量較高，且大大縮短了生產(chǎn)周期，廣泛應用于鱘魚CS的提取。

（二）鱘魚軟骨食品及保健食品的開發(fā)

鱘魚軟骨中礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪酸等含量豐富，是很好的食用品。利用鱘魚軟骨制作的軟骨羹罐頭獲得國家發(fā)明專利，并已投放市場。北京市鱘魚、鮭鱒魚創(chuàng)新團隊加工崗位等還開發(fā)了鱘魚軟骨丸子。團隊加工崗位還利用乳桿菌發(fā)酵鱘魚軟骨將其制成骨汁飲料及軟骨咀嚼片，二者均具有補鈣等保健功能，鈣含量高于普通牛奶且為易于吸收的離子鈣，可促進人對營養(yǎng)的全面攝入，特別是對鈣的補充。

此外，鱘魚軟骨活性成分具有較高的關(guān)節(jié)修復功效，已被用作關(guān)節(jié)腫疼、骨質(zhì)疏松等病人的醫(yī)用食品及關(guān)節(jié)功能退化的老年人的日常保健產(chǎn)品。日本有研究還將鱘魚軟骨中的膠原蛋白作為3D打印的原材料，在醫(yī)學等領(lǐng)域開展應用。