老年性痴呆的动物模型及评价

日期: 2015年06月25日


    

第一节 老年痴呆的定义

阿尔茨海默氏病Alzheimer’s diseaseAD),又称老年性痴呆,是一种与衰老相关,以认知功能下降为特征的渐进性脑退行性疾病或综合症。病人整个大脑弥散性萎缩并出现明显的病 理组织学改变——老年斑(senile plaque, SP)(或神经炎性斑,neuritic plaque)和神经原纤维缠结(neurofibrillary tangle, NFT)。病人认知功能下降并伴有神经元功能障碍、神经元数量减少、神经元体积扩大及突触缺失(I型营养障碍轴突)和胞内磷酸化 taumicrotubule-associated protein tau)形成的成对螺旋丝,即NFTII型营养障碍轴突)。此外,胞外的淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)沉积形成SP,其周围环绕着营养障碍的突起。沉积形式由早期的弥散型聚集(不成熟的弥散斑)到形成成熟的致密斑,后者由直径为8nm的原纤维组 成,用刚果红染色后在偏振光的照射下表现出双折射的特性。晚期的病理变化是由激活的小胶质细胞和星形胶质细胞参与的炎性反应所引起的,它们包围着沉积斑 块。该病早期的行为学改变为轻微的记忆紊乱或个性改变,在5~10年内逐渐恶化,最终出现严重痴呆症状,生活不能自理。这种隐袭和破坏性的大脑退行性疾病 剥夺了受害者最具人类特征的品质——记忆、推理、抽象化和语言的能力。


一、临床症状


AD
几乎都是以不可觉察的方式开始发病,最初常常是偶然地、在回忆日常生活最近事件时遇到困难。病人可能无法回忆与某个人的交谈或参与过的某项活动,或者可能是对最近接受的某个项目的信息变得很迷惑,亦即以轻微认知障碍 (mild cognitive impairmentMCI)为先兆。患者往往是以纯粹的遗忘症状开始,其他认知方面很少或根本没有任何困难[1]MCI或早期AD患者完全保持清醒状态,没有明显的语言混乱,并保持着正常的运动和感觉功能。


AD
发病的最初几年,多数病人在一般认知功能方面即已出现一些问题,例如在时间感和空间感及进行正确自如的复杂操作方面屡屡出错,并出现用词和数学运算困 难等。当这些轻微的差错变得逐渐引人注意时,病人可能对一些活动和爱好变得索然无趣、出现情感淡漠、情绪不稳定了。在渐进性的记忆和认知功能衰退后,许多 病人开始经历第一次、然而是比较明显的运动功能障碍,包括手工操作、写作、绘画、正常行走等。在几年或十几年的病程中,AD会逐渐恶化到明显痴呆的地步。 由于定向力完全丧失、记忆力严重缺损及认知功能障碍,许多病人活动受限,被迫常常坐着或躺着,最后可能死于某些小的呼吸系统疾病,如误吸或肺炎等。


二、神经病理学特征


虽然基于上述的体症和症状一般能对AD病人做出临床诊断,但确诊仍需死后做病理切片检查。在AD患者海马、杏仁体、额叶、颞叶及顶叶皮质的病理切片中均可 观察到典型的病理损害。虽然大脑半球轻度萎缩(8% ~15%)能通过肉眼观察到,但这并不比非痴呆的个体发生得严重。但光镜下,AD病人的上述脑区显示出SPNFTSP略成球形,纤维沉积在胞外, 周围被溃变的轴突与树突、激活的小胶质细胞和星形胶质细胞包围着。许多SP所在的脑区还可见到伴随着的星星点点的“弥散”斑块。在这些无定形、免疫反 应呈阳性的小斑块中通常缺乏纤维,几乎不含或仅含有极少的溃变突起或异常的胶质细胞。在大多数的AD患者中,弥散斑的数量明显地超过SP的数量。弥散 斑似乎是光镜下可检测到的AD大脑中的最早病理变化。它们的发生先于SP,它们也发生在认知功能正常的、中年晚期和老年健康人的大脑里[2],就象唐氏综 合症病人在发展成典型的ADSPNFT以前所具有的病理改变那样。实际上,皮质中的弥散斑与SP存在着形态学上的连续性,而不应当作界限清楚的两种类 型的病理损害。


除了SP,另一个诊断AD病理损害的指标是NFTNFT为双螺旋丝结构,通常与直线丝混杂在一起,位于边缘系与皮质神经元细胞核周围的胞浆内。这些异常 丝可以发生在许多SP中溃变的神经元内,也有一些发生在SP之外;NFT也能在皮质下核团,如内侧隔核和基底前脑Meynert核(NBM)胆碱能神经元 中观察到。这些核团发出纤维广泛投射到沉积物丰富的边缘系和联合皮质。


近来关于AD的一个新的研究发现,SP也见于一些没有或仅轻度认知功能障碍的个体。然而,重要的是几乎所有正常老年脑组织内的SP的类型为弥散斑,也就是 说,这些斑缺乏与沉积相联系的神经元和胶质细胞病理改变,同时在相应脑区没有或很少NFT。根据这些发现,人们推测弥散斑是“临床前”损害,在显微镜 观察下尚不能观察到神经元损伤及其过程,就象在大多数无症状的老年人体循环血管壁上出现的“脂纹”是临床上重要的、成熟的动脉粥样硬化斑的前体一样。


三、神经递质改变


AD
脑组织中发现的第一个神经递质异常是乙酰胆碱(Ach),合成和降解Ach的酶活性发生改变[3]。因此,AD内侧隔核和基底前脑胆碱能神经元的数量与质量都发生变化。然而,在这些递质缺乏的同时,很快伴随着其他递质神经元的减少或丧失,包括谷氨酸(Glu)、γ-氨基丁酸(GABA)、生长抑素 (SST)、促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)和5-羟色胺(5-HT)等等[4]。因此,AD神经递质缺乏是广泛性的,并且,还没有关于各种神经元亚 型遭破坏过程的清晰线索。直到现在,只有胆碱能递质功能不足被真正用于AD治疗。

 

第二节 老年痴呆动物模型

由于AD的病因与发病机制非常复杂,是环境因素与遗传因素共同作用的结果,是以渐进性认知功能损害为特征的多病因的疾病或临床综合症,它有其特征性的神经 病理表型和神经递质表型。所以目前还没有一个完全具备AD特征的理想动物模型,这大大制约了AD治疗药物的研究。那么什么样的AD模型才算是理想的AD模 型呢?根据AD的以上特征,笔者认为,理想的AD动物模型应具备以下三个方面的特征:(1)具有AD的主要神经病理学特征——SPNFT;(2)出现大 脑神经元死亡、突触丢失和反应性胶质细胞增生等AD的重要病理变化;(3)出现认知和记忆功能障碍。如果哪一种模型能同时符合以上特征,那将是一种很好的 AD模型。目前的动物模型种类很多,但大多只模拟出AD的一部分特征,很难完全具备理想动物模型的特征,难以完全模拟出AD整个疾病的特征。近年来出现的 转基因动物模型是一大热点,但也不能完整复制出AD的特征。下面将现有的模型作一介绍。

一、以衰老为基础的AD动物模型


在生物医学历史上,有关AD的话题几乎没能引起科学家们多少兴趣。这种情况在20世纪下半叶发生了戏剧性的变化,当时美国的人均预期寿命突然从49岁增加 到76岁,使得个体年龄增加到了神经退行性疾病普遍发生的年龄。AD发生于老年人,衰老是AD肯定的危险因素。随着年龄的增长,AD患病率呈指数升高趋 势。一般认为,超过65岁,每增加5岁患AD病人的比例就增加一倍。目前世界人口老龄化,该病的发病率进一步增高,使其在老年人群中所占的比例增大。AD 已成为65岁以上痴呆最常见的病因,在发达国家已被认为是一个主要的公众健康问题。


生命体不同于自然界的一般物体,它能新陈代谢,可以用新的化学物质代替体内旧的化学物质,衰老为什么会发生,它又是如何发生的?目前研究认为,衰老可能与 氧自由基对细胞的损害有关,也有人认为可能是由于细胞线粒体功能障碍引起能量代谢障碍所致,还有人认为是由于与某个控制衰老的基因作用有关。人类如果能了 解衰老的奥秘,那也就从另一方面了解到衰老促使AD更容易发生的机制了,或许人到了一定的年龄都会发生AD,而那些没有发生AD的老年人可能是还没有活到 他(她)本人发生AD的年龄。此类模型就是以衰老作为AD发病基础,通过各种方法促进动物的衰老(包括自然衰老)来达到制作AD动物模型的目的。


(一)自然衰老认知障碍动物模型

 

通过动物本身的自然衰老来获得的AD动物模型,包括老龄大鼠、小鼠及猴等。这类模型的认知障碍等神经系统改变是自然发生的,较其他动物模型更贴近AD的真实病理生理改变[5]。但动物难以大量获得,老龄动物易死亡,并不能保证每一只都具有AD的特征。


(二)快速老化小鼠(senescence accelerated mouseSAM)模型

 

竹田俊男[6]通过对AKR/J自然变异小鼠进行近交延代培养得到一种自然快速老化小鼠,该家族诸多品系中的SAM P/8SAM P/10表现出明显的学习记忆功能减退,处于一种低紧张、低恐怖的痴呆状态。


(三)D-半乳糖诱导的亚急性衰老模型

 

D-半乳糖损害模型是由我国学者首先提出的,动物表现出学习记忆力减退,行动迟缓,毛发稀疏等老化征象。皮质神经元中细胞器减少,线粒体膨胀呈空泡样变性,粗面内质网脱颗粒,蛋白质合成减少,神经元丢失,这与老年动物的表现一致[7]


通过模拟衰老过程而得到的动物模型比较真实地再现了AD病理生理改变,与AD有一定的相似性。但衰老只是AD发病的危险因素,并不能保证老龄动物就一定会发生发展成AD,且一般不出现ADSPNFT等特征,不易饲养和生存。

二、以胆碱能学说为基础的AD动物模型


二十世纪七十年代中期,关于AD的第一个神经化学线索来自神经元合成与释放Ach发生严重的退行性变,人们发现在病人边缘与大脑皮质区域与Ach合成、降 解有关的胆碱乙酰转移酶(ChAT)和乙酰胆碱脂酶(AchE)的含量与活性下降,并且这些区域伴随有胆碱能神经元胞体的缺失。换句话说,即内侧隔核与基 底前脑胆碱能系统功能降低。这个发现使药理学家研究聚焦在如何提高突触间隙Ach的水平,主要是通过抑制Ach的降解来实现。这些努力的最终结果导致胆碱 脂酶抑制剂类的药物用于治疗AD


现已确认胆碱能系统的活性与人的学习记忆与认知活动过程密切相关。基底前脑胆碱能神经元、海马和皮层及它们之间的通路,是学习记忆功能的重要结构基础。 AD患者基底前脑胆碱能神经元大量损伤或死亡、突触前Ach的合成、ChAT的活性以及对胆碱的摄取能力都明显下降,这些变化的程度与患者认知功能损害的 程度呈正相关[8]。因此认为脑内胆碱能神经系统的退化是AD学习记忆功能减退的主要原因之一。综上所述,AD病人中的胆碱能功能减退,与学习记忆密切相 关,是痴呆的重要原因之一,因此逐渐形成了AD发病的胆碱能学说。以这个学说为基础,人们采用各种方法来破坏动物大脑的胆碱能系统的功能,促使其发生学习 记忆障碍而达到制作AD动物模型的目的。


在哺乳动物脑内,基底前脑NBM是胆碱能神经元存在的主要部位,大脑皮层和海马中的胆碱能投射纤维有70%来自于NBM。根据AD发病的胆碱能损伤学 说,AD的发生是由于内侧隔核与基底前脑胆碱能系统功能降低引起的,该类模型通过定位注射来损毁此区域,以制备基底前脑胆碱能系统损伤的AD模型。该模型 模拟出了AD的认知功能缺陷和基底前脑胆碱能系统广泛的功能损害。这类模型有:


(一)电损毁、外科损毁

 

通过对动物进行手术,参照动物脑立体定位图谱,用电灼伤的方法损毁NBM,外科手术切断海马穹隆伞。手术后动物出现了学习和记忆功能障碍,但病理上未出现SPNFT,且这种方法损毁范围较大,目前已基本不采用[910]


(二)化学损毁

 

将兴奋性氨基酸如鹅膏蕈氨酸(ibotenicacidIBO)、海仁酸(kainicacidKA)、使君子酸 (quisqualicacidQA)N-甲基-D-天冬氨酸(***A)等注入动物的基底大细胞核可建立AD模型[11]AF64A是一种胆碱能 神经末梢特异性神经毒素,其结构与胆碱相似,理论上仅为胆碱能神经元所摄取,能选择性地作用于高亲和力胆碱转运(HAChT)系统。采用立体定位注射的方 法损毁神经元的核周体,而并不破坏通过此区域的神经纤维,因此损毁的选择性较好,动物有记忆力功能障碍,但并不出现SPNFT病理改变[1213]


二十世纪七十年代末到八十年代初,随着其他神经递质缺失相继在AD脑组织中被发现和确定,AD发病机制变得越来越清楚,它不同于帕金森病,不是单一的神经 递质退行性疾病,而是混合在一起的多种递质系统退化所引起。人们的注意力逐渐集中到突触功能障碍和核周质退化的机制,因为它们会影响到边缘系和联合皮质多 种类型的神经元。这种认识可以解释为什么大多数服用胆碱酯酶抑制剂的病人,其远期临床疗效并不理想。基于以上原因,本模型只复制了AD胆碱能功能减退的特 征,并未复制出其他递质功能减退的表征,更没有出现AD的典型病理改变——SPNFT

三、以AD发病的遗传学为基础的转基因动物模型


(一)假说

 

自从Alzheimer1906年首次报道进行性记忆和认知功能减退的AD患者以来,以发现者名字命名的该疾病一直困扰着人们。Alzheimer注意 到病人的大脑有NFT和血管外的SP病理改变,但不能区分这是致病因子或仅仅是疾病的标志物。直到20世纪末,随着分子生物学方法及相关科学的进步,才使 人们加深了对AD的认识。1991年在基因相关分析研究中人们发现了重要的线索:β淀粉样蛋白前体(Amyloid beta-protein precursorAPP)基因的错义突变会导致常染色体显性遗传的家族性ADFAD)的发生,这些突变发生在APP编码区[14]。随后又发 现与AD发病有关的其他3个基因,分别是14号、1号和19号染色体上的早老素1prsenilin-1PS1)基因、早老素 2prsenilin-2PS2)基因和载脂蛋白E4apolipoprotein E4apoE4)基因[151617],它们的突变或多态型会使AD发病的危险性增加。APPPS1PS2基因主要与FAD有关,FAD病人至 少有其中之一的异常,大约10%FAD2%散发性AD存在APP基因突变,而PS基因突变的患者则高达40%50%[17]ApoEFAD和散 发性AD都有关。与FAD相联系的每一个基因改变以及从基因型到表型的改变的阐明使人们形成一个共识,即至少FAD的形成是这样开始的。故而人们把研究目 光转向了形成SP的主要成分上,经过一系列的研究之后,在其代谢的关键酶αßγ分泌酶(secretase)的确立及其代谢的分子机制方面取得了 一些进展。这些新发现加上易于形成具有神经毒性的蛋白,导致大脑神经元功能障碍,出现AD相应临床表现。一种疾病发生发展过程的粗略轮廓开始浮现,逐 渐形成了AD发病的假说,该学说认为各种病因最终作用的结果是引起代谢异常,表现为过度产生,降解减少,聚集或沉积,引发各种免疫炎症反 应和神经毒性级联反应,导致广泛的神经元变性和细胞功能障碍、突触缺失及因凋亡或死亡引起神经元减少等一系列的病理生理变化,最终导致AD发生。因 此,沉积是AD发病机制的始发因素和中心环节[18],自然成为AD研究的主要方向和热点,同时也为治疗AD带来了新的药物作用靶点。


(二)转基因和AD转基因动物模型

 

人们发现AD以上基因突变的同时,便开始借助新出现的转基因技术,将已发现的人类的4个突变的外源性基因转入动物体内来制备转基因动物模型,这已成为动物 模型制作中一个比较新的方法,该方法将FAD相关的人类突变基因转入动物中,并使外源性基因稳定遗传,改变动物遗传学性状,达到在动物体内模拟人类FAD 遗传特征的目的,并以此来筛选针对靶点的AD治疗药物。


转基因是将外源性基因引入基因组,并使外源性基因稳定遗传的方法。在过去的15年间,外源性基因转入哺乳动物基因组已成常规实验操作方法。传统的方法是将 目的基因通过显微注射导入单细胞受精卵中,存活的受精卵移植到假孕动物的子宫内发育成个体。部分受精卵在尚未分裂时,外源性DNA已整合、进入动物染色体 组。由这种卵发育而成的动物,由于其外源性基因整合进了生殖细胞,因而能稳定地将外源性基因遗传给子代。随着胚胎干细胞(embryonic stemES)技术的出现,以及同源重组基因打靶策略的发展,研究者能探寻特定基因的功能,并且能弄清楚基因的精细改变对基因功能的影响以及在体内产生 的特定效应。这种新的有效转基因技术是首先建立ES细胞系,从发育中的囊胚内细胞团中取出细胞,在滋养层上或有分化抑制活性的培养基上传代以维持去分化状 态,然后通过电击、转染、微注射等方法将外源性基因转入ES细胞,细胞经筛选后再送入囊胚,囊胚移植入假孕雌性动物体内发育成个体。这样出生的个体与传统 的单细胞受精卵经显微注射的个体相比,多为嵌合体,因为携带转入基因的细胞只占整个囊胚的一部分。只要携带有外源性基因的细胞能发育成生殖系细胞,通过育 种就可以建立转基因系。将外源性基因导入ES细胞要优于单细胞受精卵的显微注射,因为可以设计外源DNA,使之与内源的同源序列发生同源重组。 Southern blotPCR筛选后,可以鉴定出正确打靶的ES细胞克隆,经囊胚注射入宿主囊胚后发育成所要的嵌合体。


转基因动物可在体内研究某一特定致病基因的作用,是研究AD独特而重要的模型。转基因动物分为两类,第一类是含有无效基因的小鼠——基因敲除鼠 [19.20]。它们通常用于了解敲除的基因在AD病因中的功能,与此同时它们可以再插入相关的人类突变型基因,以避免内源性小鼠基因可能的干扰作用。

 

第二类是AD转基因小鼠表达AD突变的致病基因,从而表现出相关的AD表型的病理特征,通过对已存在的AD转基因小鼠相杂交,附加额外的基因或因此来创造 转双基因或多基因的小鼠。这样使得人们能对这些不同AD相关因素的相互作用进行研究[2122]。基于遗传背景、繁殖能力、操作难度和经济等方面考虑, 目前的转基因动物多选用小鼠。现有多种转基因小鼠均可表达与AD病变有关的基因如APPAPPC末端片段、tauPS1PS2ApoE等。


1.
制备沉积的转基因小鼠所需要的参数

 

在构建一个转基因小鼠时,启动子的选择对于决定其时间和空间的表达模式及基因的拷贝数起重要作用。小鼠转APPPS1基因的表达有15个不同的启动子。 这些小鼠已成功的复制出AD的一些病理特征,如的过量产生和淀粉样沉积。有些也通过转基因启动子产生并得到普遍应用,如APP启动子[23]、朊病毒 蛋白启动子[24]PDGF-β[25],均导致神经系统以外的一些表达,而Thy-1[26]启动子则是神经元特异表达。启动子的选择同样影响到成功 复制沉积建立转基因小鼠所需要的一个参数——转入基因的过度表达。早期的转基因鼠系使用的是FADAPP等位基因,但并没有显示出AD的任何病理特 征。这是由于转入APP基因的过低水平,大概只有内源性鼠APP基因的1.31.4倍造成的[27]


第二是鼠系的选择问题,因为至少8个不同的鼠系被用来制作过度表达APP的转基因小鼠[2426]及表达PS基因(PS1PS2[28]。除了 APPPS1转基因鼠系产生于FVB/N株系[154772],所有的其它转APPPS1的小鼠都是建立在杂交鼠系上。杂交鼠能制造出更大的容积 并且有更强健的胚胎[29]。转基因所用的鼠遗传背景将对鼠系的维持和行为测试结果有明显的影响。由于杂交鼠系携带有一些不良的特征,转基因动物使用这些 鼠系时,将会带有这些特征。这些不良特征包括FVB/NCBAC3H遗传背景中的视力受损,DBA129鼠背景中肿瘤的高发性,SJL杂交鼠系有一 更高水平的攻击性和C57鼠出现年龄依赖耳聋[30]。另外,C57鼠显示出年龄依赖的病理损害聚集,和淀粉样沉积相似,但能与其分辨开来[31]。含有 这些损害特征的杂交鼠在依赖视觉系统的学习记忆测试中,如Morris水迷宫中会影响其成绩。对于行为学测试包括学习记忆,最好的鼠系选择却是 C57B1/6J杂交鼠系。这个鼠系能较好适应Morris水迷宫、八臂迷宫和条件空间变换测试[29]Carlson[32]在研究小鼠的遗传背景 对其表型的影响时,发现具有B6xSJL杂交遗传背景能产生SPTg2576小鼠回交至C57B1/6J鼠时,每一个杂交的后代转基因的传递和子孙的存 活率都降低了。C57B1/6J背景使转APP基因小鼠的生存能力降低,其能力在Borchelt等培育的APPswe小鼠和C57B1/6J鼠系之间, 资料表明遗传背景对存活状态、行为及与APP过度表达相关的病理都有明显的影响。


在成功复制沉积的转基因小鼠模型建立以前,人们预测存在以下一些问题:转入基因的异位表达,完全APP异构体缺乏和APPs-α下调的缺乏。为了解决 这些潜在的问题,酵母人工染色体技术(yeast artificial chromosomeYAC)被用于产生转基因鼠系。Lamb[33]通过导入编码人类APP基因400-kbp DNA建立起转基因小鼠,该类小鼠采用正确表达模式表达所有的APP剪切体亚型;第二个问题是,在小鼠中可能仅仅是复制出正常APP的水解和APPs-α 产量的减少。APPs-α已报道具有神经营养作用[3536]和神经保护作用[37]。为了验证这个假说,人们将含有瑞典突变的序列代替转基因鼠系 中的序列 [38]。这个方法的优点是没有增加APP的表达,其表达未超过正常水平并且没产生外源性APP表达。与正常人类衰老的大脑相比,一个1.34.5月月 龄的这种转基因小鼠大脑内的产量增加9倍。当APPswe突变存在时,估计这些小鼠的APPs-α产量可能减少。人们已在这些小鼠中观察到,产生 增加和APPs-α分泌减少在神经元存活方面有潜在作用。进一步的证据表明,减少APPs-α分泌可能在成功复制AD小鼠模型中起作用。最近的一项研究表 明,在Swiss小鼠脑室内注射APPs-α能提高记忆能力[39]。因此,在将来的转基因鼠研究中应当审慎地去监测增加和APPs-α减少的潜在神 经病理作用。


2
APPPS转基因小鼠


1沉积

 

早期发病的AD在整个AD病人中所占的比例较少,主要发生于30-60岁,通常带有家族性。FAD中已发现了3个基因的突变能导致AD,即APPPS1 PS2基因。而转基因小鼠过度表达FADAPPPS1PS2等位基因能提高大脑水平。4种表达FAD突变型APP等位基因的转基因鼠系已建 立,能产生SP,其具有双折射特性及年龄依赖的特点[25263040 ]。第一个增加小鼠大脑水平的报道来自于转人类APP695swe[24]APP717V-F突变的PDAPP鼠。其APP水平为鼠内源APP2~3倍,有沉积的形成 [25]。用YAC技术和表达3倍于鼠APP水平的人类APPswe(R1.40)小鼠也显示出总产量的提高和成比例增加的Aβ42(约占总量的 20%[41],与先前体外转染APPswe细胞系的结果相似[42]。对PDAPP鼠进一步的分析[25]表明APPAPPs-β的区域水平在所有 年龄都是常量,而大脑一些区域中水平相对其它区域高,这些区域的沉积随年龄增加而积累。与预期的结果相一致,APPV717I突变的PDAPP小 鼠产生的Aβ42的主要种类[43],而在含有APPV717I突变的AD病人皮质也有相似的结果报道[44]。国内目前也有此类转基因动物模型, 秦川[45]等制作的过度表达APP695751小鼠,与对照组相比,Aβ42免疫组化显示大脑皮层、小鼠及海马的神经细胞有沉积形成,刚果红染色 可见大脑皮层及皮层间有淀粉样物质形成。
对杂合子和纯合子PDAPP小鼠几个不同大脑区域APP水平的比较分析表明,纯合子小鼠丘脑中全长APP的水平比杂合子鼠海马中的要高。即使转入的APP 基因是持续过度表达的,皮质和海马中由单位全长APP产生的的水平是最高的。的沉积发生在这些区域,却没有发生在丘脑 [43],表明转基因小鼠大脑区域性因素使APP代谢产生和淀粉样斑在这些区域的形成变得容易。与AD病人相似,小脑的病理损害是最轻的,直到疾病晚 期才开始发生。一个值得注意的例外是PS1E246A突变小鼠,其小脑病理改变在疾病相对早期的阶段就能观察到[46]


过度表达PS1M146LM146V基因小鼠大脑中的Aβ42的水平大约比表达PS1野生型(PS1WT)小鼠的Aβ42要高30%,而Aβ40水平却 没有显著性差异。这些数据与含有PS1突变的FAD中观察到的Aβ42水平增加的结果相吻合。转PS2突变基因的小鼠大脑Aβ42水平也比转PS2野生型 (PS2WT)的小鼠更高。然而,即使在研究中使用相同的夹心ELISA分析方法,在Oyama等研究中,转PS2基因小鼠的水平并不与Duff等描 述的PS1转基因小鼠相一致[47]。另一个不一致是在非转基因的小鼠其的水平比PS2转基因小鼠的更高一些[48] ,而过度表达突变型PS小鼠的大脑中并没有出现任何的沉积,至少是在12月龄的时候。在转PS1PS2突变型基因小鼠中没有出现关于沉积的报 道,这可能归因于在这些小鼠中产生的或小鼠与人类在第3氨基酸残基不同。有报道啮齿类动物在体外不象人类那样具有淀粉源性,并且转基 因小鼠过多的制造鼠源显示出与人类有共同免疫反应而当成弥散性沉积[49]


为检测突变型PS1基因对转基因鼠中人类APP代谢的影响,几个研究小组建立双转基因小鼠。同时表达FAD PS1APP基因的小鼠小鼠显示出加速的淀粉样沉积[50]。转APPswe小鼠[24]PS1M146L小鼠[47]杂交后产生的后代在1316 周时,其皮质产生硫磺素S阳性沉积[43]。相似的,转APPswe小鼠和PS1A246E小鼠杂交后产生加速的沉积,能在9个月龄时就能检测到 [51]PS1FAD的突变能够增加Aβ42的产量[52] ,这些小鼠中加速的沉积的弥散斑主要是由Aβ42构成的,与这些斑为ADDown’s综合症SP前身的假说相一致。另外观察到转Thy1-APPswe 小鼠——APP23,在弥散斑存在时就产生了具有刚果红折光性的斑,这表明在小鼠身上从弥散斑到致密斑的成熟可能不是致密斑形成的先决条件[26]。这些 体内实验结果证实突变型PS1能影响APP的代谢过程,与体外转基因细胞试验相一致。这些研究同样也表明转突变型PSAPP杂交鼠提供了小鼠脑内形成沉积的最快途径。


为考察减少的PS1WT对小鼠Aβ42/43水平的影响,PS1敲除小鼠与转APPswe小鼠进行交配。1月和5月的后代大脑中的水平与PS1WT小 鼠相比没有显著性差异。这表明FAD相联的PS1突变导致疾病的机制不能归因于衰老过程中PS1WT的减少[53]。在另一个独立研究中发现PS1无效基 因小鼠的Aβ40Aβ42水平减少,表明AD病人中Aβ42的增加不是由于PS1的突变使PS1功能的丧失而引起的。在PS1敲除的无效背景中导入 Thy1-PS1A246E基因的小鼠同样也进行了的测量,与Thy1-PS1 WT转基因或非转基因的对照相比,其Aβ42/ Aβ43的水平增加了[21]


2Tau的改变

 

采用银染的方法对转APPPS基因小鼠已存在的神经纤维进行分析,在过度表达PS1APPFAD等位基因小鼠中,没有检测到NFT。然而,在一些鼠 系出现了NFT的早期改变——tau的高度磷酸化。在Thy1-APPswe小鼠中,采用tau抗体对几个磷酸化表位进行确认,发现扭曲的轴突含有高度磷 酸化tau[26]NSE-APP751小鼠也有报道显示出Alz50染色阳性[54]


3)营养障碍轴突、神经元损失和反应性胶质增生

 

PrP-APPswe小鼠[24]中,用Gallyas银染的方法发现斑的邻近区域存在营养障碍轴突。PDAPP小鼠中使用抗突触素的抗体观察到的扭曲轴突与AD病人中的轴突改变相似,其营养障碍轴突具有密集的板状体和神经丝的聚集,具有AD Ι型营养障碍轴突特征[25]Sturchler-Pierrat[26]使用特定的方法也观察到扭曲的轴突围绕着沉积的核心,发现局部有一个扭曲的AchE阳性纤维,而目前已知AD病人中胆碱能神经元是严重受损的。


突触的损失和神经元的死亡是AD的典型特征。神经元的损失可发生在SP附近区域,这已在PDAPP717[25]Thy1-APPswe[26]小鼠中 报道过。然而对18月龄PDAPP小鼠的立体测量学研究表明,其皮质,海马或扣状带等有斑的区域没有显示出明显的神经元损失;而突触素、MAP-2、细胞 色素氧化酶-2和细胞色素氧化酶-4的水平没有减少,而胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic proteinGFAP)水平却明显增加[55]。与之相似,9月和12月的PS1A246E转基因小鼠其皮质和海马的神经元的数量没有明显的减少 [51]。用相同的研究方法发现1418月龄的APP23Thy1-APPswe)转基因小鼠,其CA1区的金字塔神经元有明显的减少 (14-25%),与此区域斑的数量呈负相关。其新皮质区域神经元计数与斑的数量之间却没有相关性。将同样的技术应用于AD病人大脑中得到了一个相似的结 论[56]APP23小鼠和其它APP转基因小鼠之间的区别是APP23有一个更高的致密斑数量(占到90%)。至今没有报道表明PS1APP双转基因小鼠中出现有神经元损失的病理改变。
反应性胶质增生已在一些小鼠模型中报道。在PrP-APP695swe小鼠 [24]PDAPP小鼠[55]YAC过度表达APPsweR1.40系转基因小鼠(Lamb et al.NSc.1998)中报道过GFAP染色阳性的星形胶质细胞增生,用细胞形态学方法检测到小胶质细胞增生以及轴突的异常改变。但仅是在那些含有很高 刚果红折光性斑的小鼠中才检测到炎性反应[26]。反应性胶质细胞增生并没有在9月或12月龄的HuPS1A246E小鼠检测到,推测是由于沉积缺乏 所致。在PS1-A246E/APPswePS1 M146L/APPswe双转基因小鼠中,使用抗GFAP的抗体能检测到反应性星形胶质细胞包围着沉积[51]。因此,反应性胶质增生似乎与沉积 相联。


4)记忆力障碍

 

在小鼠的行为学研究中,Morris 水迷宫经常被用来检测空间参考记忆;Y迷宫去检测空间近期记忆;而放射状迷宫用来检测空间工作记忆。采用这些测试方法,在APP转基因小鼠上发现学习和记 忆障碍。Tg2576小鼠在10月龄时,与对照的非转基因小鼠相比,在Y迷宫和Morris水迷宫显示出明显成绩下降。Tg2576小鼠回交到SJL背景 小鼠的后代12-15月龄时在Morris水迷宫测试中在出现记忆力障碍。这些小鼠的行为和其双亲Tg2576鼠相似[24] 。这表明年龄依赖的在行为学的改变不受小鼠遗传背景影响。


Tg2576APPswe杂交获得的双转基因小鼠[57]3-3.5月龄时,在Y迷宫测试中成绩明显下降。这个双转基因的小鼠中发生的行为学障碍并 不比Tg2576 APPswe小鼠发生得更早。Tg2576双亲鼠系3月龄的更早期分析表明,Y形迷宫测试中几乎有确定的数值改变,但数据却没有统计学差异,这可能是由 于研究的老鼠数量偏少的原因[24]。这表明Tg2576小鼠在Y迷宫的出现的行为学改变既不是年龄依赖性的,也不因PS1M146L基因突变的存在而加 速。NSE-APP751小鼠同样在水迷宫测试中表现出空间学习障碍。其行为学障碍在6-12月龄时变得明显起来[58]。这表明认知的损害是由于APP 的过度表达引起的,而此时还没有淀粉样沉积的出现。与此相似,PrP-APPswe鼠回交到C57B6/L背景中制造出的小鼠用Morris水迷宫检测, 其行为学障碍发生于12月龄,与对照组相比具有更长的逃避潜伏期[59],而这些行为学障碍的小鼠却缺乏沉积。这些小鼠产生最早的沉积部位是在齿 状回分子层外部,与AD病人大脑SP经常发生在齿状回分子层外部相似。综上所述,转基因小鼠在Morris水迷宫和Y迷宫所表现出认知功能的下降开始于任 何分子层侦测到淀粉样沉积以前。需要进一步确定的是,淀粉样沉积是否进一步加重了小鼠在Y-迷宫中的行为学损害。

 

3. AβC100-4转基因小鼠

 

转基因小鼠也通过使用100104个氨基酸的APP片段来产生。C100β分泌酶剪切APP的产物,能够被γ分泌酶所水解而产生C端的FVB/N转基因小鼠过度产生Aβ42,表现在整个皮质、齿状回、丘脑和后脑的神经元都有的免疫反应[60]。和Hsiao APPswe FVB/N小鼠相似[52],这些FVB/N小鼠表现出神经系统的异常和幼年的死亡,用TUNEL染色方法检测到神经细胞凋亡和神经细胞发生的变性 [60]。推测可能是过多的Aβ42直接引起了神经元的变性和凋亡,导致这些小鼠身上所观察到的神经学上的异常,但也可能是FVB/N遗传背景产生的特殊 表现[32]


三个研究小组产生了过度表达APP片段C100(或C104)的转基因小鼠[616263]APPC100区域含有APP的跨膜区域和αβγ 分泌酶的酶切位点。有一个是与信号肽设计在一起,以确保C100片段进入细胞的膜内室,在那里与分泌酶发生作用。C100的表达在启动子的控制下制造出年 龄依赖的神经变性和海马齿状回区域的突触损失。表达C104B6C3鼠使用的是神经丝轻链启动子,大脑结构中检测到年龄依赖的聚集的免疫反应。然 而,在免疫杂交和免疫沉淀中却没有检测到4kD蛋白。这些小鼠海马CA1区表现出年龄依赖星形胶质、小胶质增生反应和神经元损失。其在Morris 水迷宫中出现了空间学习障碍以及减少的长时程增强(LTP),而长时程抑制(LTD)却没有变化[62]。以上结果中产生出这样的问题,究竟APP哪一方 面的代谢产生神经变性和认知障碍?一些转基因小鼠发展成行为学障碍而没有沉积的形成,这表明神经元功能障碍起源于APP的水解及运输与的产量有关 联,但却不依赖于的产量。相反,在含有一个信号肽转基因的C100小鼠,的产量能在C57BL/6×DBA鼠中检测到[63]。该鼠到9月龄时没 有产生明显的淀粉样沉积,也没AchE活性的下降。在这些小鼠中,的沉积是否呈现年龄依赖的模式将是一个值得深入研究的问题。


4.
载脂蛋白E小鼠

 

ApoE4是与AD相关联的危险因素。ApoE4对含有APP突变的FAD有促进作用,但对具有PS突变的FAD却没有作用[64]ApoE4AD的 发病相联不仅在病例对照研究所支持[65],而且家族性AD为基础相关研究中得到支持[66].现在认为,晚期发病的AD形式(发生于65岁以后)更为 普遍,这类AD病人的发病主要是与ApoE4有关,认为其参与了β淀粉样斑的形成。含有ApoE4表型的AD病人大脑中Aβ40Aβ42免疫反应斑的水 平都比不含有ApoE4表型的AD病人的水平要高[32]


缺乏ApoE的小鼠与PDAPP小鼠杂交的后代表现出沉积显著的减少[67]。纯合子的PDAPP+/+ApoE+/+的小鼠6月龄时,海马与新皮质 出现了许多沉积,而PDAPP-/-ApoE-/-小鼠仅出现稀少的免疫反应。与PDAPP+/+ApoE+/+鼠相比, PDAPP+/+ ApoE-/-小鼠的发生的沉积都是弥散斑。这个结果不能归因于改变的APP蛋白水平和APP代谢产生的,因为在2月龄时,两组的APP水平没 有差别[67]。虽然它的分子机制还不是很清楚,却在淀粉样假说和ApoE4危险因子之间建立了联系。


ApoE
敲除小鼠的记忆障碍和胆碱能神经元异常表明了ApoEAD之间的另外一种联系。携带有ApoE4等位基因的AD个体中,观察到AchE神经元的 减少[37]。而缺乏ApoE的小鼠,通过生物化学和免疫组织学测量发现其海马与皮质中的AchE活性下降,其在Morris水迷宫的工作记忆下降 [68]。这种在Morris水迷宫中的空间工作记忆障碍和胆碱能标记物的下降能够被M1激动剂治疗3周所逆转[69]。然而,第二个ApoE敲除小鼠胆 碱能神经元研究发现,与配对的C57B1/6野生型小鼠相比,没有明显的胆碱能神经元数量和大小的减少及AchE活性的下降[70]。前一个研究中报道的 胆碱能缺陷可能是选择小鼠的遗传背景影响了胆碱能神经元生物特性 [71]。如果鼠系的精确遗传背景与已知和合适对照小鼠相比,那么从一个遗传背景到另一个遗传背景的结果不相一致性,最终是能提供有用的信息,这需要不同 遗传背景中确立一个遗传背景作为标准通用的转基因鼠系。人类遗传疾病中个体不同外显率可能是由于遗传背景中突变的相互作用造成的,可能对于某些危险因子, 如ApoE4基因的作用特别明显。ApoE-/-小鼠中的载脂蛋白基因敲除并替代成ApoE的异构体——ApoE3ApoE4已表现出其在水迷宫测试中 出现的记忆力损害。在表达ApoE46月龄小鼠比对照小鼠或表达ApoE3小鼠,在水迷宫测试中在寻找隐藏平台方面有一个更长的潜伏期[72]


5
Tau基因小鼠

 

AD两大病理改变除了SP外,另一个是NFT,其由高度磷酸化的微管相关蛋白tau构成的。正常的情况下,tau蛋白分布于轴突,结合微管和聚合的微管蛋 白,在轴突微管之间建立短的连接桥。AD病理条件下,tau被磷酸化重新分布于胞体和胞体树突室,在那里聚集形成丝状物(PHFspair helical filaments)。在疾病的晚期阶段,这些丝充满整个神经元胞体(NFTneurofibrillary tangles)。SPNFT能各自独立的发生,由tau蛋白聚集形成的纤维缠结在一些情况下与那些普通神经变性疾病中的纤维缠结难以区别,但在这些普 通神经变性疾病中几乎没有发现含有沉积物和SP。相反的,的沉积物能在认知功能正常的老年人中发现,但却没有纤维缠结的发生。也有一些不常见的 AD病理是“纤维缠结稀少”的类型,即很少的NFT而有丰富的沉积斑。由磷酸化tau构成的NFT存在于一些不含SP的神经退行性疾病,如 Pick’s 病、渐进性核上性麻痹、皮质基底退行性疾病和17号染色体相联帕金森综合征额颞叶痴呆(frototemporal dementia with Parkinsonism linked to chromosome 17FTDP-17)。这些疾病的NFT分布不象AD只发生于神元内,还分布于胶质细胞中。到目前为止,在AD病人中并未发现在tau基因存在的异常改 变,而最近在FTDP-17中却发现了具有致病的tau基因突变[73]


1)人类野生型tau基因小鼠

 

目前APPPS转基因模型小鼠不能形成tau丝,而当时与FTDP-17相联的tau突变还未发现,几个研究小组制作了人类野生型tau转基因小鼠。第 一个tau小鼠模型[74]表达的是长的四倍(four-repeat4Rtau同型体——htau40,采用的是人Thy1启动子。使用全脑免疫杂 交的方法,发现人的tau基因的表达水平为内源性鼠Tau10%。带有人的tau标记的神经元能在大脑大部分区域观察到,但它们的数量仍相对的少,只占 整个神经元的一小部分。和AD的一样,转基因鼠中人的tau存在于神经元胞体、轴突和树突。其磷酸化位点包括Ser202/Thr205Ser396 /Ser404,能被针对相应磷酸化位点的tau蛋白抗体AT8PHF1所确认。转基因鼠没有观察到tau蛋白丝的形成,而染色的tau为均质或粒状 的,而不是纤维状。另一个使用的是鼠3-羟基-甲基-戊二酰CoA还原酶启动子的转人最短tau同型体——htau44的小鼠也有相似的结果。总之,这些 人类野生型tau基因小鼠显示出AD相联紊乱疾病中NFT损害的早期改变,但却不能产生NFT和缺乏明显的神经病学症状。


2)人类FTDP-17突变tau基因小鼠

 

目前已发现FTDP-17相联的tau基因三个突变位点P301LV337MG272V[75],将人类FTDP-17突变tau基因导入小鼠中,进 行表达制作转基因小鼠。人类4Rtau基因同型体与突变型P301Ltau基因在鼠PrP启动子控制下,在JNPL3鼠系中得到表达[76]。该小鼠到 10月龄大时,90%的小鼠产生了运动和行为学紊乱,出现延迟的翻正反应并且最终不能进入直立状态。在悬挂实验中,小鼠短暂抓住绳子后就掉下,而转野生型 人tau的小鼠能用三个肢体和尾巴抓住保持不掉下。在出现症状两周以内,衰退扩展到所有的肢体,JNPL3小鼠几乎不能移动,出现张力障碍性体态。这些小 鼠体重减轻,梳理、发音和睁眼变得困难起来。而这些运动障碍使得这些小鼠不能在Morris游泳航行实验中进行测试。脑干、端脑和间脑中出现胶质细胞增 生,脊髓有48%的运动神经元减少。通过刚果红、BielschowskyBodian银染方法在脑干、间脑、小脑和脊髓确认有NFT的形成。


6.
其它的可用于制备转基因小鼠的基因 有报道其它的一些基因与AD的发病相关联,但大部分却是一个互相矛盾的数据。例如,有研究报道认为αI-抗凝乳蛋白酶与AD有关,而另外的研究却反对 [77]。对于极低密度脂蛋白受体、丁酰胆碱脂酶]和低密度脂蛋白受体]病例对照研究的结果也是互相冲突[78]。如果这两个与AD有关联的基因能导入 HLA-A2等位基因,将会给我们提供有用的信息。虽然TGF-β1在遗传学上与AD没有什么联系,但它在大脑损伤反应中扮演一个中心角色,小鼠大脑中的 星形胶质细胞增生反应时过度表达TGF-β1hAPPTGF-β1双转基因小鼠在2~3月时,大脑就出现了硫磺素S免疫组化染色阳性,与大脑淀 粉样血管病变相似。而仅表达hAPP对照小鼠在2~3月时却没有观察到沉积,过度表达TGF-β1小鼠对hAPP的水平也没有影响[79]。如果新的与 AD发病有关的基因被确立,将会复制出具备更精确AD病理和症状的转基因动物。


转基因动物模型脑内出现了AD特有的病理改变沉积和SP,而FTDP-17突变tau基因小鼠出现了tau的病理改变,特别是NFT的形成,在AD动 物模型方面取得了巨大的进步,为针对SPNFT方面的新药筛选提供了良好的动物模型。但建立转基因动物模型需要复杂的技术和高昂的费用,这类模型缺乏一 个衰老过程,不能完全具备理想AD动物模型特征,鼠系的遗传背景之间的差异导致同一类转基因鼠出现差异,重复性较差。因此,转基因模型要进一步推广应用, 尤其是在新药筛选和药理毒理学研究方面将受到很大局限。

四、以AD发病的环境因素为基础的动物模型


并不是所有的AD患者都具有阳性家族史,真正发生以上基因改变的患者所占的比例并不高,相当一部分患者从遗传学上是找不到任何线索,因此外界环境危险因素 在AD发病中也占有重要的地位。目前人们已发现一些环境因素能引起AD患者发病率升高。大体上包括生物因素(如病毒感染、高血压、糖尿病等)、物理因素 (如脑外伤等)和化学因素(如铝元素含量过高)。目前只有铝元素与AD发病的关系研究的比较多,并以此建立了铝元素慢性中毒的AD动物模型。


研究发现AD患者脑组织中铝含量增高,用原子吸收光谱仪测得铝在健康人脑中是1.8±0.8mg·g-1(脑组织干重)AD患者脑内铝的含量是 3.6±2.9mg·g-1。而一般大于4mg·g-1即可引起神经细胞变性。游离铝可以自由通过嗅神经和血脑屏障进入脑组织的,在嗅球中含量最高,铝还 可以损害血管内皮细胞而破坏血脑屏障的完整性。铝进入脑内取代Ca2+Mg2+,同氨基酸链上的谷氨酸和精氨酸结合形成谷氨酸铝盐或精氨酸铝盐的稳定复 合物,在大脑皮质、海马、杏仁核内富有谷氨酸神经元,铝多沉积于这些部位。铝在血液中可与转铁蛋白结合,在大脑皮质、海马、室中隔和颞叶杏仁处存在着许多 转铁蛋白受体,故铝易沉积于这些部位。动物实验结果表明,无论是家兔或大鼠经静脉、腹腔、皮下注射或是经胃肠道等途径给予铝化合物,均可见动物脑铝含量明 显增加,引起一系列行为异常,动物出现认知和记忆障碍的时间也早于其它指标。与幼年动物相比,铝的行为毒性多见于成年和老年动物,年龄越大,对铝的行为毒 性越敏感。铝的毒性引起脑内神经原纤维变性形成缠结已有许多报道。Deboni等给家兔皮下注射乳酸铝或酒石酸铝30天以上,可见脑干、大脑皮层及海马锥 体神经元中有NFT形成。其机制可能是铝能抑制蛋白磷酸酯酶2A2B的活性,从而促使异常磷酸化的tau蛋白产生,继而导致NFT的形成。铝中毒可影响 脑内的神经递质的代谢,主要引起胆碱能神经元损伤,导致胆碱神经功能减退,引起学习记忆功能减退,对NE5-HT、氨基酸及肽类等神经递质系统也有影 响。铝通过改变神经细胞的钙稳态,提高脂质过氧化损害细胞的作用,造成细胞结构和功能障碍,引起细胞的损伤和凋亡。铝引起脑内基因表达的增多也有报 道。钱亦华[80]等用AlCl3灌胃大鼠3个月建立老年性痴呆鼠模型,通过免疫组化的方法,发现其背海马结构内各部分均可见较多样免疫反应阳性神经 元,虽未有SP的形成,已说明铝引起在神经元内产生增多。铝引起在神经元内的沉积的机制可能与铝元素引起APP过度表达,过多的产生及铝元素 促进糖基与的定位连接有关。鉴于此,大多数学者认为铝在AD发病中起主要的作用,能够产生与AD相似的病理改变,形成铝元素中毒学说。 Mclachlan等还观察到三价金属螯合剂能减缓AD的病程[81]。但也有不少意见不同的报道,认为铝元素在AD发病中的并不是一个主要因素。而其它 的AD发病环境危险因素如何应用于动物模型,在动物身上研究其致病机理将是一个值得研究的课题。

五、多重复制AD模型


多重复制AD模型,是在现有模型的基础上,利用综合两种或两种以上模型方法获得的一种复合模型。这类模型可以综合获得各种已有模型特点,符合AD的多因素 发病机制。目前已有的动物模型有,将Aβ(1402535)和小剂量的IBO共同注入大鼠海马,2周后除出现神经元大量丢失外,注射点附近以及包括 CA1CA2和部分脑回在内的脑区出现多数神经元异常。本实验室采用D-半乳糖和AlCl3合并制备的AD模型呈现了整体衰老、学习记忆功能下降、胆碱 能系统功能减退、脑组织β-APPPS1BACE基因表达明显增强,脑组织出现沉积并有类SP形成,成功地模拟了AD的发病及病理特征[82]。 在未发表的结果中,通过经典的Bieshowky银染的方法证实海马和大脑皮质神经纤维数量较正常对照组明显减少,排列紊乱和NFT形成。该方法造模简 单,造价低廉,适合大规模药物筛选。就现有的AD动物模型而言,由于没有一个完全模拟AD特征的动物模型,单一模型只模拟AD部分病理改变,把各种制作单 一模型的方法加以组合来模拟AD复杂的病因,是制备AD模型一个比较实际而有效的方法。

六、其它模拟AD部分特征的动物模型


冈田酸(okadaic acidOA)损害模型:OA可以选择性抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酯酶1A2A,引起大鼠脑内出现类似AD病理改变的双螺旋丝(paired helical filamentPHF)样的磷酸化tau蛋白和沉积[83]


脑缺血痴呆动物模型:人脑的供氧系统对脑功能有着重要的保护作用,缺血缺氧首先影响的是脑的正常功能,此时极易出现智能障碍。通常老年动物脑血流量较成年动物减少20%以上,老年动物慢性脑缺血,可以产生类似AD的病理生理改变[84]


β
淀粉样肽(Aβ)损害模型:具有神经营养和神经毒性双重作用[85]。根据HardyHiggins 1992年在《Science》上提出的AD Aβ级联反应假说,沉积导致SPNTF形成、细胞死亡和血管病变,最终导致痴呆。

 

第三节 小结和展望

 

目前AD实验动物模型的滞后在很大程度上制约了其治疗药物的筛选,还没有一个理想的AD治疗药物筛选模型。随着AD病因和发病机制知识的增加和更加完善的 AD动物模型的出现,我们将能够筛选得到具有良好开发前景的AD治疗药物,使这些药物经临床前客观评价后顺利进入临床试验。已有的AD动物模型,总的来 说,包括非转基因模型和转基因模型两大类。非转基因模型中,大部分AD模型只针对疾病某一方面的因素来制作AD模型,种类比较多,表现有空间学习记忆功能 的衰退,大多只针对AD病理的某一方面,相比AD错综复杂的病理过程来说有一定的差距。更重要的是缺乏AD脑内特征性变化,即AD病理改变中的SPNFT。非转基因模型的优点是其制备方法相对简单,重复性和稳定性较好,适合大规模药物筛选,其中多重复制AD模型能多更好的模拟出AD的多病因的综合作 用,基本具备了AD的病理特征,将是一个较好的药物筛选模型。


最近出现的转基因动物模型是AD模型中的一个热点,在小鼠中构建AD致病基因的转基因动物在AD动物模型方面前进了一大步,转基因小鼠在遗传学上模拟了 AD的发病,出现了许多AD的病理学特征的改变,包括细胞外的沉积、SPNFT等,部分转基因小鼠还出现了炎性反应的改变。在这些小鼠模型中,的浓度和沉积的大小能进行定量分析并且这些指标能反应出淀粉样沉积的严重程度。大脑水平的免疫学分析能被用来监测化合物的效果,并能进一步分析其 作用机制,是干扰APP的代谢还是阻止的变性。使用AD转基因小鼠模型可以用于新药发现的领域,单一转基因小鼠通过杂交能产生转多基因的小鼠, 这些小鼠与转单基因的小鼠相比能较早的发展成沉积,可以加速实验的进程。因此,转基因小鼠对于评价一些针对/SP的产生、清除及对抗炎性反应 的药物是有用的。AD的潜在候选药物,如抗炎药物和βγ分泌酶抑制剂,而后者能抑制蛋白水解酶的活性而阻断淀粉斑的形成从而减缓AD的发病进程。目前国 外已有βγ分泌酶抑制剂的报道,由于γ分泌酶抑制剂只影响到产生对其他蛋白的代谢影响小,所以被认为是理想的作用靶点。γ分泌酶抑制剂按其核心结构 可分为为五类,分别为肽醛(peptide aldehydes)类、双氟酮(difluoro ketones)类、甲基丙烯酸类似物(hydroxyethyl analogues)、氨磺酰葑胺(fenchy lamine sulfonamide)类和其他类。它们采用的大都是体外培养的转APP基因细胞分析系统来检测抑制剂对APP代谢的影响。本实验室采用体外培养的转染 有AD患者APP及突变型PS1基因的CHO细胞系(M146L),使之产生Aβ42,建立体外AD治疗药物筛选模型,通过筛选治疗老年痴呆常用复方中使 用频率较高的一些单味中药及广东习用药材中的已知单体,初步发现广东海风藤中的五味子乙素具有明显抑制Aβ42产生的作用。表明五味子乙素很可能是一种潜 在的β和(或)γ分泌酶抑制剂,有可能成为治疗AD很有前景的药物,拟用转基因动物模型和多重复制模型进行体内的药效试验。目前,分泌酶抑制剂这类药物大 都尚处在动物实验室阶段,未见临床报道。


最近采用转基因动物作为AD模型的免疫治疗法,在动物试验上取得疗效后,已进入临床试验。Schenk[86]Aβ42免疫PDAPP小鼠发现能 抑制小鼠大脑中β淀粉样斑和相关的营养不良轴突的形成,紧接着小鼠Aβ42免疫法在几个实验室均取得成功。鉴于免疫治疗在转基因小鼠模型上取得的良好效 果,临床试验已经启动。在这些研究中使用的抗原,即AN-1792Elan 制药公司/Wyeth),是含有合成的Aβ42和佐剂(QS-21)的混合物。两个I期临床试验已完成,它们评价了AN-1792AD病人的安全性和耐 受性。第一个是使用三个逐级提高的单独Aβ42剂量水平,佐剂的浓度是固定的。每一剂量组有8个病人,其提高剂量的间隔为6周。第二个I期临床试验是多剂 量(Aβ42QS-21佐剂的剂量都在变)增加的研究,每个剂量水平之间的间隔为2~3月。


在这两个研究中,AN-1792具有良好的耐受性,Ⅱa期临床试验已经在美国和欧洲开始。Ⅱa期临床试验招募到375AD病人,在主动治疗组 (n=300)已接受最高剂量Aβ42和最低剂量的在I期临床使用的QS-21。然而,这个试验由于出现了无菌性脑膜炎而被迫在20021月终止。所有 受影响的病人接受了1~3个剂量的AN-1792,并且他们的症状从最后一次接受药物注射后一直持续了5天到5个月不等。尽管AN-1792的没有继续进 行,但剩下的病人没有终止,并且这些病人将继续被监控其安全、中枢神经系统变化、认知状态和免疫功能1年。


这些副反应是没有预料到的,在5个不同种类的动物包括灵长类上所做毒性实验没有揭示脑炎和任何其它的副反应,在Ⅱa期临床试验开始时,接受I期临床实验 64个病人中没有一个产生了大脑炎症的症状。Ⅱa期临床试验中的一些病人出现的这个反应明显与免疫反应相联系,尽管其潜在的机制还没有找到。继续进行的测 试正在调查Ⅱa期临床试验中一些病人身上出现的反应是否与免疫反应相关,例如T细胞介导的针对AN-1792的免疫反应。虽然AN-1792没有继续进行 下去,由于引人注目的临床资料,人们还是在积极地追寻着安全、有效的免疫治疗方法。几个与AN-1792有很大不同的第二代免疫治疗产品正在活跃地研制之 中。


尽管疾病的一些重要标志物,如沉积和SP已在AD小鼠中出现,转基因小鼠也不能完全模拟出人类AD所观察到的所有特征。现在仍有争论是这些小鼠能否显 示出AD其它的一些明显而重要的特征,包括突触数量的减少,神经元的死亡或损失。这是由于AD的进程中可能包括各种不同病理途径的复杂的相互作用。APP 本身的过度表达产生的作用可能在转基因鼠中是一个模糊的部分,因为在一些APP基因过度表达的小鼠中缺乏神经元损失的特征,其原因可能是由于增加的 APP,同样导致潜在神经营养性APPs片段的增加。而产生的APPs-α,能阻止细胞的死亡。


即使已有的数据已表明鼠的大脑能重演AD的病理过程,但一些在AD转基因小鼠上发生的生物学效应并不同于人类的AD,例如,基因流行病学研究表明 ApoE4AD的一个危险因子,但是在表达人类ApoE亚型而不含鼠ApoE的转基因鼠,早期沉积明显下降。另一个缺陷的是NFT仍没有在现有的 APPPS转基因鼠中找到,尽管小鼠体内异常的APP表达促进了tau蛋白的磷酸化,是NFT早期的改变。转基因小鼠中NFT的缺乏及没有神经元、突触 的缺失和炎性反应,也不能正确地反映人类大脑中所发生的情况。因此,制备新的AD转基因小鼠,如通过杂交使小鼠具备AD的各种各样的突变基因以及其它的一 些痴呆如 FTDP-17正在被考虑之中。后者在tau基因上发现了突变,值得注意的是FTDP-17病人的大脑并不出现沉积,但表现出tau各种病理形式,包 括有主要的tau病理改变——NFT。大多数AD患者是散发性的,并没有出现遗传学上的基因突变,只有不到10%AD患者具有家族性,而其中的多数也未 能发现基因突变,因此转基因动物模型能模拟出AD发病的遗传学因素,不能代表人类其它的AD发病类型,特别是晚期发病的AD形式。


开发有效治疗AD化合物的前提条件是要有一个可靠的、能最大限度模拟AD的动物模型。遗传学研究提供了确切的和假设的AD致病基因,使人们能设计和制备出 新的同时转入多个基因的小鼠。将两种转基因动物进行杂交制备一种既有SP又有NFT的动物模型,或在转基因动物的基础上用药物的方法加强或产生某一方面的 病理变化,这也是制备AD模型的一个方向。APP/PS突变小鼠与FTD突变tau小鼠杂交将产生一种具备两大病理特征的模型,这种方法或许有良好的前 景。但需要将这些和/或其它基因同时构建到一个转基因载体中,使转入的每一个基因得到相等的表达。除了使用转多基因的小鼠来加速和增加模型小鼠的病理改变 外,其它制备AD转基因动物模型的策略是使用药物或特殊的神经解剖损伤加重或削弱某个神经病理特征。或许将一些非转基因模型中使用的干扰因素加入到转基因 模型中,可能会改进转基因动物模型。也许有必要在小鼠脑内模拟炎性反应(如对的炎性反应)而达到第二步的神经细胞死亡和反应性胶质增生的目的。另外基 因构建和鼠系的差异同样也影响转基因鼠的表型。转同样基因的小鼠,不同的鼠系影响其表型,很明显鼠系的背景对于每一个在研的转基因小鼠都应仔细研究。为了 解决不同APP转基因鼠表型上的不一致,相关的一些实验室需要进行更广泛的合作。鼠系必须在同一标准的基因背景下,使用相同的分析方法,以建立标准的转基 因动物模型。在更可靠、更准确的理想动物模型出现以前,就现有的AD动物模型而言,用两种比较贴近AD的动物模型同时进行药物筛选或许比用单一模型来筛选 药物更有说服力,这样能更快将药物推向临床。不同的单一模型虽只模拟部分病理改变,但可以根据模型发生的病理变化,针对不同作用靶点和机理进行药物筛选。 另一种方法是把多种制作单一模型的方法合理相加来模拟AD复杂的病因,用这种多重复制的方法制作AD模型可能也是一个未来发展的方向。


另一个需要关注的问题是如何评价AD模型出现的行为学改变?怎样反映在AD病人所观察到的认知障碍?关于动物行为,其影响因素很复杂,而且易变,能被许多 不同的遗传背景所影响,同时也受到环境因素所干扰],因此,特别是采用不同鼠系制作的转基因动物只有对各种各样的变量尽可能提供足够的对照,才能理解因素 之间复杂的相互作用。此外,需要进一步规范当前记忆测试系统,即“鼠化”人的行为学研究。例如,对现在老年人和AD病人所用的记忆测试方法应容易转变为鼠 的测试方法,如迷宫用于测试空间记忆。但这些测试方法只限于空间记忆测试,对于人类这种具有语言的高级生物,使用的是第二信号系统,不仅仅是空间记忆的丧 失,还包括推理、抽象化和语言等方面能力的缺陷,而现有的迷宫记忆测试是无法模拟出AD诸多方面认知缺陷的,这需要人们寻找更有效的认知测试方法来最大限 度地检测出AD动物模型的各种认知障碍。


总之,良好的AD动物模型最终将使AD的研究进入一个崭新的时代,它将大大地加速AD治疗药物筛选的进程。由于人和动物之间存在着差异,即便某个AD动物 模型完全具备了人类AD的所有特征,通过该AD模型筛选到的“有效药物”也未必对AD病人一定有效。最终还是要通过AD病人的临床试验予以确认,这才是最 有说服力的试验,才能最终解决问题。

 

文章转载自欣生物的博客 http://blog.sina.com.cn/softmaze

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