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帕金森症发病机制及动物模型造模精解

我国著名数学家陈景润因证明哥德巴赫猜想“1+2”享誉全世界,但就在他准备对哥德巴赫猜想顶峰“1+1”发起冲击时,他的身体却出现了一些异常的症状,全身僵直、手脚颤抖、吞咽困难,病痛的折磨让他在63岁被迫止步对数学世界的探索,而让他遗憾折戟的疾病,被称为“沉默杀手”的帕金森症

 

帕金森症

 陈景润(1933.5.22-1996.3.19)著名数学家

 

认识帕金森症(PD)

帕金森症(Parkinson’s Disease,PD)最早由英国的医生詹姆斯帕金森系统描述,是一种影响中枢神经系统的神经退行性疾病,主要影响运动神经系统,临床症状主要包括运动症状(静止性震颤、僵硬、步态异常等)和非运动症状(睡眠障碍、认知障碍、抑郁等)[1]。作为世界第二大神经退行性疾病,PD在全球的发病率逐年上升,由PD引起的残疾和死亡的增长速度也超过了其他任何神经系统疾病。据WHO统计,2019年全世界超过850万人患有PD,而其中,由PD导致残疾的人有580万,该数字与2000年的致残人数对比增加了81%;由PD导致死亡的人有32.9万人,对比2000年增加了100%。PD目前还未有针对性的治愈药物[2]

 

PD的发病机制

PD的临床病理特征主要表现为患者的中脑特定脑区黑质致密区(SNpc)多巴胺(DA)能神经元大量凋亡,且存活的神经元内出现由α-突触核蛋白(α-Syn)错误折叠、聚集所形成的路易小体(Lewy Body,LB),纹状体DA表达水平降低。据WHO报道,PD的发病由老年化、遗传因素、环境因素等多种因素共同影响,目前针对PD致病机理的主流学说包括神经炎症学说、α-Syn蛋白的错误折叠及过表达学说、氧化应激学说、线粒体功能障碍学说等[3]

 

帕金森症

图2 健康人与PD患者的黑质致密区多巴胺神经元存活状态对比[4]

 

帕金森症

图3 α-突触核蛋白的聚集情况对比[5]

 

帕金森症

图4 PD发病因素及致病机理[3]

 

PD相关动物模型

近年来,人们对帕金森病的神经生物学机制、遗传及环境因素有了更加深入的了解,但帕金森病的新药研发之路还是困难重重,可用的生物标志物、良好的药物靶点及遗传基础等因素的探索缺乏均给药物研发带来了阻碍。因此,合适的疾病小鼠模型是推动PD机制研究和新药开发不可或缺的工具。PD的动物模型主要有两种模型构成:神经毒素模型和基因编辑模型,也有少部分文献选用神经毒素与基因编辑复合模型,其中神经毒素模型应用最为广泛[6]

 

帕金森症

图5 不同类型PD模型的选择数量和趋势[6]

 

(1)神经毒素模型[7]

在神经毒素模型中,最常使用神经毒素的是6-OHDA和MPTP,神经毒素模型造模手段多为全身性注射神经毒素或脑内注射神经毒素,不同的神经毒素模型,所能模拟的PD病理特征各有不同。

 

脑内注射6-OHDA诱导PD模型

造模方式:注射部位一般为纹状体、内侧前脑束(MFB)、黑质(SN),3-5天可检测到注射位置DA神经元凋亡。注射到纹状体中会破坏纹状体中的轴突末端,随后SN中DA神经元缓慢地逆行变性。症状相对较轻,进展缓慢。而注射到MFB和SN中将导致快速和大规模的DA神经元变性凋亡。

 

模型特征该PD模型对比疾病临床表型,在行为障碍表型是一致的,同时该模型可产生PD的非运动症状,但缺少LB形成的病理学表型

 

帕金森症

图6 6-OHDA在不同物种、剂量、注射部位所诱导的PD模型特征[7]

 

脑内或外周注射MPTP诱导PD模型

造模方式:MPTP是一种亲脂性分子,能够轻松穿过血脑屏障。全身给药或脑内给药后,MPTP可被星形胶质细胞中的单胺氧化酶B(MAOB)氧化成强效多巴胺能神经毒素1-甲基-4-苯基吡啶离子(MPP+)。MPP+是一种有毒代谢物,由于其结构与多巴胺相似,因此很容易被多巴胺能神经元通过多巴胺转运蛋白(DAT)吸收[8]。随后,MPP+诱导SN中DA神经元凋亡,同时纹状体多巴胺水平降低[9]。DA神经元凋亡的机制是由MPP+抑制线粒体呼吸中复合物I诱导的,该过程导致纹状体和SN中的ATP浓度迅速下降,随后DA神经元发生凋亡[10]

 

模型特征:MPTP的全身性给药可模拟PD进行性的病理过程,包括纹状体和黑质区的DA神经元丢失、脑部的氧化应激、线粒体功能障碍,但同样,该模型也缺少LB形成的病理学表型[7]。在神经毒素模型中,LB形成的这一病理学表型可在鱼藤酮诱导的PD模型中可观察到[11]

 

帕金森症

图7 MPTP诱导DA神经元凋亡机制[4]

 

(2)基因编辑模型[12]

遗传学在PD发病机制中也发挥着重要作用。通过对家族性PD和特发性PD的分析确定了PD存在以下致病基因:SNCA(表α-Synuclein应为SNCA)、Parkin、DJ-1、PINK1和LRRK2。

 

基因名称

基因功能

修饰方式

优点

缺点

SNCA

α-突触核蛋白的表达

突变(A53T、A30P和E46K)或重复片段

有助于研究α核蛋白相关性变性、研究PD中遗传与环境因子的关系

部分模型无显著的多巴胺能神经元丢失、或表现出与人类PD病理不一致的细胞凋亡形式

LRRK2

家族性PD致病基因

突变(G2019S和R1441C/G)

治疗靶点和可用于LRRK2靶向药物测试、对LRRK2功能研究有用

有运动缺陷但无明显多巴胺能神经元变性丢失、缺乏LB病理表现

Parkin

泛素连接酶,突变或敲除后可能导致神经毒性底物的积累

突变、敲除

对Parkin功能研究有用

缺乏表型数据

DJ-1

抗氧化蛋白

敲除

与神经毒素模型联用很有效

缺乏LB病理表现,无显著的多巴胺能神经元丢失,但有运动缺陷,表型数据少

PINK-1

神经保护性激酶

突变、敲除

G309D-PINK1小鼠出现多巴胺减少和运动缺陷表型

大多数PINK-1模型没有显示多巴胺能神经元和多巴胺水平的降低。

 

对于PD研究,赛业生物“找小鼠,上红鼠”小鼠资源库能为科研人员提供包括以上PD相关致病基因在内的KO/CKO品系,只需输入基因名称即可快速查询品系状态与基因信息,其中还附带了全新升级的基因敲除技术方案(由大型AI生物信息数据库RDDC提供支持)。

 

 

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帕金森症动物模型

 

产品名称

产品编号

品系名称

Snca-KO

S-KO-04399

C57BL/6N-Sncaem1Cya

Snca-KO

S-KO-15992

C57BL/6J-Sncaem1Cya

Snca-flox

S-CKO-05150

C57BL/6J-Sncaem1(flox)Cya

Lrrk2-KO

S-KO-11882

C57BL/6J-Lrrk2em1Cya

Lrrk2-KO

S-KO-11881

C57BL/6N-Lrrk2em1Cya

Lrrk2-flox

S-CKO-13268

C57BL/6J-Lrrk2em1(flox)Cya

Park7-KO

S-KO-11007

C57BL/6J-Park7em1Cya

Park7-KO

S-KO-16003

C57BL/6J-Park7em1Cya

Park7-flox

S-CKO-12305

C57BL/6J-Park7em1(flox)Cya

Pink1-KO

S-KO-12891

C57BL/6J-Pink1em1Cya

Pink1-flox

S-CKO-14356

C57BL/6N-Pink1em1(flox)Cya


PD表型的评价手段

PD的评价手段主要围绕神经行为学、分子生物学和免疫组化为主。赛业生物表型分析平台,拥有专业表型实验设备及记录分析系统,可提供标准化的表型分析服务,如神经行为学、影像学分析、生理生化分析、病理学分析、基因与蛋白表达分析、代谢分析、细胞功能检测等,真正给客户提供一个完整的系统化服务平台,做到信息进来、信息出去,中间的模型制作、繁育、表型分析等工作全部由赛业生物承担。欢迎扫码或点击了解详情,并与我们联系

 

帕金森症
 

转棒实验

考察动物的运动协调能力,动物需在保持一定转动速度的转棒上持续运动,记录动物的可持续运动时间

水迷宫实验

考察动物的认知能力,水池分为四个象限,将平台置于水迷宫装置的某一象限上训练动物记忆从平台所在位置的对侧象限下水后找到平台的路径,记录动物找到平台花费的时间、总路程及速度

旷场实验

考察动物的焦虑程度及认知能力。将旷场分为中央区和墙区,将动物放在中央区5Min,记录动物分别在中央区、墙区的停留时间、直立次数和运动轨迹;认知能力选用新物体识别实验进行考察

爬杆实验

考察动物的运动平衡能力。将动物放置于一个木制的粗糙的小球上,其下端接有一个表面粗糙、截面为圆形的木棒,木棒下端放置于鼠笼里,记录动物头朝下方从木球爬至木棒上的所需时间及爬完整个木棒的所需时间

悬挂实验

考察动物的运动平衡持续能力。将动物倒挂在悬挂网格中,网格四周加盖避免动物翻坐起来,记录动物悬挂落地的时间

TH免疫组化、α-Syn免疫组化

观察黑质致密区的DA神经元的存活数量及LB的表达情况

标志物检测

主要围绕α-Syn、DJ-1的表达程度进行检测,可根据实验需求选择不同指标

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