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阿尔茨海默病的动物模型制备与应用研究进展

更新时间:2009-03-28

阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)是常见的神经系统退行性病变,可缓慢地破坏记忆力和思维能力,是不可逆、进行性发展的大脑神经退行性疾病[1],是中老年人痴呆的主要原因[2]。我国阿尔茨海默病患者人数超过600万人,占世界AD总人数的1/4,这个数字还将随着人口老龄化进程的加快而逐渐增长[3]。AD给患者造成了躯体上和精神上的巨大痛苦,严重影响着人类的健康和生活。因此,构建合理有效的AD动物模型,对AD药物的开发和评估具有重要的作用[4]。本文就近年来国内外阿尔茨海默病的动物模型制备方法与应用进展进行概述。

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1 AD动物模型的制备方法

目前AD病因及发病机制较为复杂,无法用单一的假说解析。有关AD的病因及发病机制研究有以下几个假说:衰老学说、Aβ沉积学说、tau蛋白学说、胆碱能学说、代谢功能学说、基因突变学说、中毒损伤学说等,目前动物模型的制备基本围绕这几个学说而开展。

1.1 自然衰老模型 衰老学说认为人类阿尔茨海默病是老年人机体老化引起的神经系统等机能退行性病变。通常60岁以上为老年年龄,每一种动物的年龄对应人60岁以上年龄为老龄动物,因此可以通过对批量老龄动物进行筛选,选出患有类似人类阿尔茨海默病的老龄动物作为AD动物模型,又称之为自然衰老模型。自然衰老大鼠海马神经细胞散乱、疏松、海马组织 p21、bcl-2、cox-2、TNF-α、IL-1β 蛋白表达水平上调[5];自然衰老小鼠海马神经元干细胞数量变少且分化成神经元也变少[6]。应该说自然衰老模型更接近人类阿尔茨海默病的病因病机,但是老龄动物来源困难且筛选工作量大。

历代医家都致力于制定规范的病名、分期、证候诊断、疗效评定等各种标准,为反应疾病的本质提出“证候要素”一词。朱文锋[1] 等提出,辨证的核心是“证素”,通过对证的认识而得到的病性和病位,就组成了临床辨证的证型。永炎院士[2] 指出通过证候要素的提取即"降维”和证候要素的重新组合即"升阶”,可以增加诊疗辨证方法体系在临床应用中的灵活性和适用性,符合患者的特殊个体差异和医生的机圆法活的需求。对临床证候进行分解,分解开来的最小元素便是“证素”,它是联系病机与证候之间的桥梁,不同的证素在临床表现中皆对应不同的一组症状或体征,且其出现具有一定的规律[3-5]。

1.7 中毒损伤模型 众所周知,铝是参与严重的神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)发病过程的一个神经毒性元素[9],可以推测,各种原因导致体内铝水平升高都有可能增加AD发生的几率。部分研究人员偏向于长期给大鼠腹膜内注射低剂量(4.2 mg/kg)的铝来制备AD模型,但经莫里斯水迷宫测试及电生理记录的结果发现,低剂量铝并不能充分制备AD模型,应该应用更高的剂量,至少达10 mg/kg的铝进行腹膜内注射才能成功制备AD模型[16]

1.3 D-半乳糖造模 通过腹腔或颈部皮下注射D-半乳糖8周左右而建立的AD模型,其机理是高剂量D-半乳糖注射进入动物机体产生细胞内过度堆积,引起正常细胞氧化代谢损伤等机制,造成神经元细胞的结构和功能的变化而出现类似人AD疾病的表型[9]。D-半乳糖致AD模型是因为代谢功能损伤而出现明显的动物学习记忆降低和AD病理特征,这与自然衰老模型接近,同时相对而言具有操作简单、价格低、重复性高等特点而在AD研究中广泛应用。研究表明在D-半乳糖模型基础上进行复合式动物模型造模,能较好地模拟AD的相关衰老的表型,同时能复合模拟出临床上Aβ沉积的老年斑、tau蛋白异常磷酸化及神经原纤维缠结等AD经典病理特征。实验表明:小鼠D-半乳糖模型联合三氯化铝或者D-半乳糖模型和亚硝酸钠复合造模后,小鼠复合表现出记忆行为能力减退,脑内胆碱能神经元功能降低,脑组织内出现Aβ沉积等病理特征[10]。文献中造模所用D-半乳糖的剂量相差很大(100 mg/kg~1 000 mg/kg)且成模时间也有一定的差异,模型存在经典病理特征不足、氧化代谢机制尚未明确等缺点,有待进行深入研究。

2.2 药物对AD动物的影响 Takeda等[4]研究发现,应用加兰他敏(一种治疗老年痴呆的药物),能够显著改善动物静脉注射Aβ1-40引起记忆过程的特异性功能障碍,即认知功能紊乱。Qi等[20]用利拉鲁肽5 nmol/d,每天1次,共8周,给Aβ沉积所致AD的小鼠皮下注射,发现AD小鼠认知能力损伤减轻,这可能与利拉鲁肽减轻tau蛋白的有机磷酸化作用有关。根据一个有关AD小鼠模型的新研究表明,布洛芬等非甾体抗炎药与Aβ1-42沉积所致神经元损伤有关,对神经元具有保护作用;此外,布洛芬能够避免早期记忆缺陷的进一步发展[21]。El-Sayed等[1]给对照组用0.9%生理盐水腹腔注射;脂多糖组一次性腹腔注射脂多糖0.8 mg/kg;治疗组在一次性腹腔注射脂多糖后再予白藜芦醇4 mg/kg腹腔注射,共7天;白藜芦醇组用白藜芦醇4 mg/kg腹腔注射,共7天。7天后观察小鼠的Y-迷宫试验、认知测试和矿场实验,发现治疗组中的白藜芦醇能够逆转不同类型的记忆下降(如工作、非空间和运动功能),明显提升有减少Aβ沉积功能的脑啡肽酶水平和雌激素水平。Shi等[22]的实验发现,与载体处理的APP/PS1小鼠相比,用L-NNNBP处理的APP/PS1小鼠其星形胶质细胞激活明显减少,空间学习和记忆能力也有所改善,与天然产品姜黄素相比显得更为有效。说明这种新合成的手性吡咯α-氮氧自由基(LNNNBP)有潜在的抗氧化作用,能够减弱AD模型小鼠Aβ沉积、挽救记忆缺陷,具有潜在的预防和治疗AD的作用。

2.1 激素对AD动物的影响 Di等[17]将 14个月龄的野生型和Tg2576转基因小鼠暴露在接触铝、褪黑激素和柠檬酸环境中,以及它们之间的所有可能组合中,结果发现褪黑素能够改善铝接触转基因小鼠的学习和空间记忆能力。Vandal等[18]通过实验推测,胰岛素可以迅速打破循环中可溶性Aβ浓度的有害影响,对AD具有重要的治疗意义;1 mu/L胰岛素对用Aβ25-35作用原代培养的海马神经元建立的AD细胞模型,发现提升了细胞活力及SOD、TDBL和PDN,而MDA下降,对神经元具有保护作用[19]。人体内激素种类繁多,单一激素的作用或许不仅仅局限于现阶段的某些认识,如胰岛素的降糖作用;这些物质也有可能通过参与机体其他代谢途径起到治疗AD的效应。

从目前来看,与其他的英语教学阶段相比,高职英语教育在实践教学的过程之中存在许多的不足,其中职校学生的综合英语基础相对较为薄弱,老师所采取的教学理念以及教学模式比较传统以及单一,实际的教学内容与慕课的教学要求之间还存在许多差距,这一点严重影响了教学质量以及教学水平的提升。

1.2 Aβ注射造模 临床研究表明,阿尔茨海默病患者死后脑内有大量的β-淀粉样蛋白沉积,引起神经元细胞变性、凋亡。内侧颞叶系统中的大脑海马区是与学习记忆最密切相关的结构,通过对动物脑立体定位注射 Aβ1-40、Aβ25-35或 Aβ1-42等不同片段到大脑海马区,能较好地模拟临床上阿尔茨海默病患者脑内大量的β-淀粉样蛋白沉积,因而是比较常用的动物模型。SD大鼠CA1区立体定位注射Aβ25-35后学习能力下降,TNF-α、IL-6含量明显增多,Caspase-3蛋白及mRMA表达增加,海马CA1区锥体细胞带排列紊乱,海马神经元脱失变性坏死[7-8]。Takeda等[4]通过给小鼠静脉注射Aβ1-40,使小鼠发生认知功能障碍。Alimohammadi等[2]观察肌酸对因注射Aβ而导致学习和记忆功能减退的Wistar大鼠的影响,发现肌酸对注射了Aβ的Wistar大鼠的学习和记忆功能恢复无效,体现了注射Aβ而导致AD动物模型与神经元细胞能量可能不相关,也说明了注射Aβ是阿尔茨海默病模型制作的有效方法。

2 AD动物模型的应用

1.5 转基因模型 1号、14号、21号染色体上的AD致病基因分别为:早老素Ⅱ(PS-2)、早老素Ⅰ(PS-1)、淀粉样蛋白前体(APP)基因,若这些致病基因发生基因突变[12-13],可引起Aβ水平升高。目前相对明确的AD疾病基因有:APP基因、PS-1基因、PS-2基因、tau蛋白基因、ApoE基因,转基因AD模型分为单转基因模型和多转基因模型(双转、三转)。已经成功建立的模型主要有APP基因、PS-1基因、tau蛋白基因单转基因模型,APP/PS-1双转基因模型、APP/PS-1/tau三重转基因小鼠模型[14]。转基因模型背景清晰、病理机制明确,能够较好地模拟AD临床行为和病理特征,特别是多转基因模型比单转基因模型具有更全面的AD疾病特征,因此转基因动物模型已经成为AD实验研究的主要模型。

1.6 胆碱能系统损伤模型 研究表明AD患者有明显的乙酰胆碱递质水平下降,信息的获取能力降低,出现类似AD学习认知能力行为学障碍的特征。胆碱能系统损伤模型分为物理损伤和化学损伤模型,物理损伤采用电击与手术技术,损伤动物大脑基底核,目的是损坏基底核的胆碱能神经元,导致动物出现记忆障碍;化学损伤常用东莨菪碱与胆碱受体结合,阻断乙酰胆碱受体结合,引起乙酰胆碱递质水平下降,信息的获取能力降低。Serrano等[15]用东莨菪碱成功诱导了伴随正常和病理性衰老的雄性成年C57BL/6J小鼠认知损伤模型。

1.4 快速老化模型(SAM小鼠) 快速老化小鼠(SAM)是日本竹田俊男教授从AKR/J品系小鼠突变培育出的快速衰老模型小鼠,SAMP培育过程中分化形成9个不同衰老特征的亚系,其中SAMP8和SAMP10具有智力衰老行为学特征,但是SAMP8从3~4月龄开始出现与AD临床非常相似的记忆衰退和病理特征,因此相对来说SAMP8亚系比SAMP10亚系更理想。SAMP8小鼠较早出现学习记忆功能障碍等衰老的行为学特征,而且细胞凋亡明显[11],能较好地模拟AD的学习记忆障碍形成过程及自然发生老年痴呆的脑内β淀粉样蛋白等病理学特征,比同为稳定性好的转基因模型具有更全面的AD疾病特征,因此SAMP8是研究AD相关学习记忆障碍发病机制和药物实验药理学的理想动物模型。但SAMP8小鼠的发病机制较为复杂,制约了其应用。

2.3 其他 Hosseini等[23]的实验结果则提示,使用跑步机跑步具有潜在的预防NBM核病变大鼠学习和记忆损伤的作用。也有研究证实,加强体育锻炼是潜在的预防痴呆的策略[24]。Zhang等[25]将转基因AD小鼠分PBS组(阳性对照组)和神经干细胞组(NSC组),NSC组予神经干细胞移植,PBS组予等量的0.01 mol/L的PBS;行神经干细胞移植的AD小鼠,Aβ斑块无明显的变化,但移植的神经干细胞在某种程度上能替代缺失或损害的细胞,以及预防AD小鼠老年痴呆病程发展的潜能。由此可以推断,人类或许通过加强体育锻炼,预防性的延缓或杜绝AD的发生;AD既是神经退行性病变,病变主要在于神经,移植的神经干细胞若能够替代缺失及损坏的细胞,那么,神经干细胞移植有望成为治疗AD有效而重要的方法。

3结语

近几年来国内外有关阿尔茨海默病的动物模型与应用研究取得了很大的进展。AD动物模型构建目的就是为了应用于AD疾病的机理机制及治疗药物和技术的实验研究。本文概述的AD模型制备方法在AD研究中得到广泛的应用,近年来则较多应用转基因模型。但是AD病因及发病机制十分复杂,或者说AD病因及机制还不明确,AD治疗药物的研发在动物模型上取得了好的效果,但是在临床上疗效欠佳,因此目前AD的临床治疗还是缺乏有效的治疗药物及手段[26]。其主要原因是缺乏能反映AD疾病机理及本质的理想的动物模型,因此AD动物模型有待进一步深入研究。理想的AD动物模型应具有模拟临床的明确病因及发病机制,因此建立理想的AD动物模型至关重要,可以促进AD治疗药物及技术的研发,开拓新的诊断及治疗手段。有调查显示[27],AD的三个主要诊断表型特征——记忆衰退、Aβ沉积和tau蛋白的高度磷酸化,这三者发生恶化与体内高水平同型半胱氨酸有关,可能同型半胱氨酸是AD模型可靠的评价指标。临床证据显示:β-淀粉样蛋白(β-amyloid,Aβ)聚集是阿尔茨海默病的罪魁祸首[28],β-Aβ沉积是评价阿尔茨海默病动物模型主要诊断表型特征之一。但目前AD仍然缺乏可靠、客观的诊断标记物,这些都是阻碍AD早期检测和治疗的不利因素[29]

对AD动物模型与人类AD疾病的流行病因、发病病理形态及生理、转归等方面进行比较研究,探索动物模型与人类疾病临床之间的异同,力求同多于异[30],对AD治疗药物的临床前药效研发具有重要意义。

综上所述,探索制备与人类临床相似的理想动物模型尤其重要,是模型应用的前提条件,AD发病机制较为复杂,导致目前制备AD动物模型不理想,尚有待研究人员继续探索。

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黄正团
《广西中医药大学学报》2018年第01期文献

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