孤獨離群、互動困難、對有害聲音恐懼、注意力不集中、容易發脾氣……孤獨癥（又叫自閉癥）兒童與這個世界的溝通有許多不為人知的挑戰。
據世界衛生組織統計，全球大約每100個兒童中就有一人患孤獨癥。孤獨癥成因復雜，早期干預能對治療和改善起到一定作用。但目前尚無明確的醫學診斷指標，只能通過觀察兒童的社交和對外界刺激的反應來診斷。
現在，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員張永清團隊與合作者用基因編輯技術建立了全球首個孤獨癥家犬模型，并開發了可實時測量家犬瞳孔變化的眼動測量技術。相關研究近日以“姊妹篇”的形式在線發表于《分子精神病學》雜志。
“這項研究采用最新的基因編輯技術，成功建立了家犬孤獨癥突變模型，并用一系列行為學、生理學研究驗證了模型的可靠性，研究成果轉化的潛力非常大，有助于破解孤獨癥方面的難題。”中國科學院院士、香港大學醫學院講座教授蘇國輝評價說。
胚胎上的“小手術”
8年前，張永清作出了科研生涯中的一個重大決定：放棄研究十余年的模式動物果蠅，用家犬建立孤獨癥模型。
這樣的選擇經過了一番深思熟慮。與果蠅一樣，實驗鼠模型具有繁殖能力強、速度快等優勢，但其腦結構與人類差異較大，無法與人類建立有效的互動，很難回答與情感相關的神經機制或精神疾病的致病機理等方面的問題。
靈長類是最理想的模式動物。過去幾年，張永清團隊與暨南大學教授李曉江團隊合作建立了孤獨癥的非人靈長類模型。但其成本高、繁殖慢，應用潛力和規模受限。
經過3萬多年的馴化和選育的家犬，是與人類最親近的伴侶動物。“它們的智力相當于3~5歲的兒童，有著高度發達的情感認知功能，善于與人進行有效的交流。而且家犬繁殖周期短，8到12個月性成熟，兩年可以生三胎，一窩可以生4到8只，可在短時間內繁育足量突變體動物。”張永清對《中國科學報》說。
孤獨癥病因學非常復雜，遺傳疾病約占65%，其中僅10%是單基因突變。如何為治療這一疾病提供分子靶標？
張永清與中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院研究員賴學良、北京希諾谷生物科技有限公司等合作，聚焦孤獨癥最常見的突變基因Shank3，利用基因編輯技術，創建了國際首例孤獨癥家犬模型。
這并不容易。曾在豬體內培育出人源中期腎臟的賴學良向《中國科學報》解釋，在剛受精的家犬胚胎上用基因編輯技術敲除Shank3，就像在一粒米內部做一場“微型手術”，這使得其成功率僅約30%。同時，基因打靶突變體通常很難存活到性成熟，構建出能夠成功繁育出后代從而模擬孤獨癥在人群間遺傳的突變體更是難上加難，只能選擇性地敲除部分Shank3基因。
克服重重挑戰，合作團隊目前已經繁育了四代151個突變家犬模型。
作為一種全新的孤獨癥動物模型，如何檢測這一新范式的可靠性呢？張永清與合作者設計了一系列行為、情感及生物學實驗。
首先，研究者通過犬犬互動、人犬互動實驗發現，突變犬表現出明顯的社交退縮行為，面對困難時向人類求助的主動性也顯著降低。
其次，他們通過人工智能深度學習算法對比了普通家犬比突變家犬的搖尾趨勢變化發現，突變犬尾巴下垂夾于兩股之間，擺動幅度與頻率大大降低，表明突變體在社交時處于焦慮與恐懼狀態。
“尾巴是家犬表達情感的一個窗戶。它們高興時，尾巴會搖得很快；生氣時，尾巴會翹起來；害怕時，會夾著尾巴。”張永清說。此前他與合作者通過人工智能深度學習算法對2萬余次狗搖尾巴進行分析發現，與人類的指紋和步態相似，每只家犬都表現出獨特而穩定的搖尾特征，當跟人的關系更熟悉時，尾巴會偏向右搖。
為了進一步驗證突變體的焦慮表型，研究者還進行了放射性免疫測試，結果發現突變體血清中的應激激素——皮質醇顯著增加。皮質醇水平增加以及夾著尾巴或尾巴搖擺減少表明突變體呈現焦慮狀態。
“用犬作為精神系統疾病模型，這肯定是首例。”美國耶魯大學醫學遺傳學教授姜永輝評價說，犬類模型最大的優點是可用于系統的行為學和生理指標的測定，藥物代謝模式也于人的更接近，臨床推廣潛力相較于小鼠更大，轉化的成功率會更高，。
“從果蠅跨界到犬類，我非常佩服張永清研究員的勇氣，這非常不容易。他與不同團隊建立了很好的協作，作出了十分有價值的工作，他們建立的家犬模型對今后自閉癥的研究特別是相關藥物篩選有很大的潛力。”中國科學院院士、浙江大學教授段樹民評價說。
“丈量”眼睛里的情緒不只是建立新的家犬模型，張永清和合作者還建立多樣化的實驗范式來檢驗新模型。
除了上述實驗，他們還把目光投向了新的實驗范式——瞳孔大小變化。
眾所周知，瞳孔的變化與光線強度變化有關。遇到強光時，人的瞳孔會縮小；在黑暗中，瞳孔則會放大。
實際上，瞳孔的變化還與心智負荷和情緒狀態有關。“俗話說，‘見錢眼開’，人在面對高價值的獎勵過度興奮時會瞳孔放大；而在休閑放松時，瞳孔則會縮小。”張永清說。
這一現象能否用于檢驗突變犬對于環境刺激的反應呢？
為了找到答案，張永清團隊與中國科學院深圳先進技術研究院研究員蔚鵬飛團隊以及英國林肯大學教授郭昆等合作，開發了適用于家犬的瞳孔測量儀，使用人工智能輔助的瞳孔檢測算法，實現了對家犬瞳孔大小的實時測量，以此了解它們在不同環境中的情緒。
利用該測量儀，合作團隊檢測了在不同刺激條件下的瞳孔大小變化，結果發現了與孤獨癥患者相一致的瞳孔反應異常。
與普通家犬相比，研究者發現，突變犬面對正常聲音刺激時瞳孔放大更明顯，表明其對聲音更為敏感。而在面對高分貝電子鞭炮聲刺激時，突變犬的瞳孔會更快速地放大，并且恢復到正常基線的時間明顯延長，表明其被聲音驚嚇后瞳孔大小需要更長時間恢復正常。
此外，當人與犬同時佩戴瞳孔測量儀進行社交互動時，普通犬與人互動會出現瞳孔縮放的同步化，而突變犬中這種同步化被破壞。“比如在人撫摸時，普通犬瞳孔會與人的瞳孔縮放同步化，但突變犬則不表現這種同步化。而當給予高獎勵食物時，普通犬瞳孔會變大，但突變犬的瞳孔變化不明顯，對食物反應變小。”蔚鵬飛舉例說。
“突變犬的瞳孔反應異常為解析孤獨癥患者的感知覺異常提供了一個全新的角度，也為孤獨癥診斷和治療策略的研發提供了新的檢測體系。”張永清說。
“這項研究讓人興奮，用瞳孔的變化表征孤獨癥患者的情緒變化是一個非常好的生物學指標。”北京大學醫學部孤獨癥研究中心主任于翔評價說，“犬跟人的互動就像人跟人的互動一樣，良好的互動會讓催產素上升，突變犬對這種互動不敏感也證明了這個模型的有效性，期待犬模型會給診斷和治療孤獨癥研究帶來更多機會。”
用科學改善生活與建立家犬孤獨癥模型一樣，繁育突變型家犬也非易事。因為突變后的家犬更易感染、生病，為了更好地照顧它們，參與項目的研究生們幾乎天天泡在北京昌平一片農田邊的實驗室里，8年的磨煉也讓他們從最初的“養犬小白”變成了“養犬能手”。
多位專家表示，孤獨癥犬模型的成功構建，將促進其病理生理機制的闡明，并為開發新的藥物和治療措施提供新的實驗體系。
“臨床研究非常關注大動物模型，其優勢是更有利于觀察重要生命體征的變化，這對提升診斷、治療以及開發藥物和醫用器械等臨床轉化研究的成功率至關重要。”首都醫科大學副校長、北京腦重大疾病研究院院長吉訓明評價說。
到目前為止，利用家犬作為模式動物開展的研究已經獲得兩次諾貝爾生理學或醫學獎，包括1904年巴甫洛夫在消化系統生理學方面取得的開拓性成就，以及1923年弗雷德里克·格蘭特·班廷因發現胰島素而挽救了千千萬萬的糖尿病患者。
除了建立孤獨癥家犬模型，近年來，張永清團隊還構建了家犬的全腦蛋白質組時空表達圖譜，利用實驗犬研究了人類動脈粥樣硬化與心腦血管疾病的關聯。
張永清希望，在“健康中國2030”的大背景下，用科學力量能夠改善更多人的生活。
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