阿爾茨海默病動物模型系統(tǒng)盤點

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一種進展性神經退行性疾病，其特征是在大腦皮層和海馬區(qū)域出現淀粉樣斑塊和神經纖維纏結（NFT），這是該疾病的主要病理標志。因此，與淀粉樣斑塊相關的Aβ和與神經纖維纏結相關的tau是AD的指示性生物標志物。AD常見的癥狀包括記憶喪失、學習能力受損以及智力和思維能力下降。AD潛在發(fā)生機制包括活性氧或氧化應激、線粒體功能障礙、膽堿能功能障礙、神經炎癥、葡萄糖代謝障礙以及最重要的胰島素信號通路失調或胰島素抵抗。因此，通過影響以上路徑可能減少AD相關的癥狀，并延緩神經退行性過程和疾病進展。能夠模擬以上機制（氧化應激、線粒體功能障礙、膽堿能功能障礙、神經炎癥和胰島素抵抗）的動物模型適合用于尋找新的治療干預措施和針對AD的藥物治療。

目前批準的藥物要么是乙酰膽堿酯酶抑制劑（如利斯的明、多奈哌齊和加蘭他敏），要么是NMDA受體拮抗劑（如美金剛）。然而，這些藥物只能提供有限的癥狀緩解，無法阻止AD的進展。在過去四十年中，針對AD識別出的許多新分子通過防止大腦中淀粉樣沉積和清除現有淀粉樣斑塊以及其他與疾病相關的已知機制發(fā)揮作用。盡管這些化合物在臨床前AD模型中顯示出有希望的數據，但AD治療的臨床失敗率接近100%。盡管導致失敗的因素很多，但主要問題仍然與藥物開發(fā)階段使用的臨床前模型有關。臨床前藥效數據和臨床療效之間存在差距。所以，臨床前對AD候選藥物的評估存在缺陷和不完整，可能是這些分子在臨床試驗中失敗的原因。

此外，基于淀粉樣假說和AD的遺傳學，對具有淀粉樣斑塊和tau蛋白靶點的轉基因AD模型的依賴不斷增加。然而，小鼠大腦產生的淀粉樣肽與人腦不同，即使小鼠模型出現淀粉樣沉積，也常常無法表現出顯著的神經元丟失。盡管臨床前AD模型存在許多局限性，但這些模型還是可以在某種程度上預測病理生理學。為了模擬人類AD的發(fā)病機制，3XTg-AD和5XFAD轉基因小鼠模型是目前在AD治療研究中主要使用的動物模型。AD的動物模型還包括腦室內注射鏈脲佐菌素（ICV-STZ）、淀粉樣β蛋白誘導、秋水仙堿誘導等模型，這些模型主要關注認知衰退和癡呆等參數。下面具體看下AD動物模型的優(yōu)缺點。

經中樞給藥的化合物誘導模型

ICV-STZ誘導的模型

AD的發(fā)生與代謝相關。在代謝因素中，葡萄糖代謝受損和能量利用障礙在疾病早期階段就已出現。通過腦室內注射（intracerebroventricular, ICV）鏈脲佐菌素（streptozotocin, STZ）誘導胰島素信號傳導受損是一種廣泛使用的動物模型。

大腦的皮層、海馬、下丘腦、嗅球等區(qū)域存在大量的胰島素受體。研究顯示，在ICV-STZ誘導的胰島素抵抗影響下，胰島素、胰島素受體等表達下調。ICV-STZ模型還與氧化應激、線粒體功能障礙、膽堿能功能障礙和神經炎癥等現象相關，這些因素被認為是神經退行性的觸發(fā)點，并且與胰島素抵抗密切相關。這些與ICV-STZ模型神經病理學相關的特征可能導致認知障礙和記憶受損，這也是驗證散發(fā)性AD模型的有力依據。此外，胰島素增敏劑二甲雙胍可以減輕疾病病理，這表明膽堿能和胰島素信號通路在ICV-STZ模型的AD中發(fā)揮了作用。

淀粉樣蛋白誘導的模型

作為ICV-STZ的替代方法，可以通過腦室內或海馬內注射淀粉樣蛋白-β-42、淀粉樣蛋白-β-40和淀粉樣蛋白-β-25?30來誘導模型。這些淀粉樣蛋白根據其所含氨基酸的數量被進一步分類，并且它們在AD的發(fā)病機制中具有不同程度的致病性，其中淀粉樣蛋白-β-42的致病性最強。腦內注射β淀粉樣蛋白已被證明可以驅動神經退行性過程，并導致學習和記憶障礙。由于β淀粉樣蛋白的作用，活性氧過度產生。在淀粉樣蛋白誘導的模型中，煙堿型乙酰膽堿受體的表達下調，從而導致膽堿能功能障礙。淀粉樣蛋白還在轉基因小鼠模型中發(fā)揮作用。此外，中樞注射淀粉樣蛋白還會導致tau相關纏結的形成。通過氧化應激途徑也可能引發(fā)線粒體功能障礙。目前，已有靶向淀粉樣蛋白治療AD的抗體獲批上市。

經口給藥的化合物誘導模型

秋水仙堿在臨床上用于治療痛風，它是一種從植物（秋水仙，Colchicum autumnale）中提取的天然化合物。秋水仙堿可以與微管蛋白結合，導致微管結構不穩(wěn)定。通常通過口服途徑給藥。然而，當以15微克的劑量給大鼠口服時，會導致認知功能障礙。這種認知功能障礙與通過腦內注射誘導的散發(fā)性阿爾茨海默病相似。

秋水仙堿會破壞氧化平衡和膽堿能通路，并加劇導致突觸功能障礙和神經退行性的神經炎癥通路。在秋水仙堿誘導的模型中，COX-2、PGE2、IL-1β和TNF-α可能是引發(fā)炎癥反應的因子。此外，微管是軸突和神經元細胞骨架的核心組成部分，其顯著惡化會導致神經元死亡。

經腹腔給藥的化合物誘導模型

東莨菪堿誘導的模型

東莨菪堿是一種強效的抗膽堿能藥物，提取自黑莨菪（Hyoscyamus niger）。它通常用于預防暈動癥，以及手術后用于控制惡心和嘔吐。東莨菪堿是一種毒蕈堿受體的競爭性抑制劑，可用于緩解許多與膽堿能相關的不適和副作用，例如增加的腸蠕動、唾液分泌、流淚、出汗等。乙酰膽堿是記憶處理過程中最重要的神經遞質之一，通過增強突觸連接發(fā)揮作用。因此，東莨菪堿介導的膽堿能神經阻斷被廣泛用作AD的動物模型。東莨菪堿通過增加乙酰膽堿酯酶（AChE）的活性，加速乙酰膽堿的分解。

在AD模型中，東莨菪堿的劑量約為2 mg/kg，通過腹腔注射給藥。在此過程中，東莨菪堿會破壞多個腦區(qū)的連接性，例如空間記憶映射和功能網絡。東莨菪堿誘導模型的優(yōu)勢在于避免了腦內注射模型（ICV模型）等復雜手術操作。此外，膽堿能藥物如多奈哌齊和利斯的明以及抗氧化劑如褪黑素已被證明可以逆轉東莨菪堿誘導的記憶障礙，這進一步證實了氧化應激途徑的參與。因此，該模型主要用于開發(fā)AD治療的預防性選擇。

阿托品誘導的模型

阿托品也是一種生物堿類藥物，提取自顛茄（Atropa belladonna），被用作抗膽堿能藥物來治療心動過緩和近視。與東莨菪堿類似，阿托品會侵入膽堿能通路，導致毒蕈堿型乙酰膽堿受體功能低下，并在一定程度上阻斷煙堿型受體。阿托品以5 mg/kg的劑量通過腹腔注射給藥，連續(xù)21天，可產生淀粉樣斑塊，這是AD的病理標志之一。這一過程可能是由于膽堿能通路與淀粉樣蛋白生成之間的關聯(lián)。此外，觀察到乙酰膽堿的釋放減少是由Aβ引起的，反之亦然。

氯化鋁誘導的模型

鋁是一種元素，過量會導致多種毒性。通過腹腔注射4 mg/kg或40 mL/kg的氯化鋁，每天一次，持續(xù)約40天，可以在大鼠或小鼠中建立AD模型。氯化鋁模型中的主要觸發(fā)因素是氧化應激和線粒體功能障礙，可能是通過抑制電子傳遞鏈中的NADH脫氫酶實現的。此外，氯化鋁模型中，神經炎癥介質（包括iNOS、NF-κB、COX-2和促炎細胞因子）發(fā)生改變，導致神經退行性變。此外，1天內給予100 mg或5天內給予20 mg的鋁鹽也被發(fā)現可以誘導與AD相關的神經毒性。另外，鋁鹽還會導致膽堿能功能障礙和氧化應激，從而引發(fā)凋亡過程。該模型也常用于AD的預防性治療研究。

經皮下給藥的化合物誘導模型

D-半乳糖是一種單糖，存在于乳制品、鱷梨、甜菜等食物中。D-半乳糖的代謝會產生活性氧。

通過皮下注射D-半乳糖（劑量為50、100和200 mg/kg），在莫里斯水迷宮測試中，小鼠的逃避潛伏期增加；在新物體識別測試中，區(qū)分指數降低，且這種變化呈劑量依賴性。這表明D-半乳糖誘導的空間記憶和識別記憶受損。此外，D-半乳糖還會增加海馬區(qū)的氧化應激。

有研究顯示，D-半乳糖處理后免疫系統(tǒng)功能減弱，模擬了衰老大腦的特征。它還會抑制大腦海馬區(qū)和齒狀回區(qū)域的神經發(fā)生，并破壞皮層和海馬區(qū)的鈣穩(wěn)態(tài)，從而產生類似于癡呆病例中的興奮毒性條件。由于D-半乳糖是一種糖，其代謝會產生類似胰島素抵抗的狀態(tài)，因此該模型可用于研究與胰島素抵抗相關的AD病例。

轉基因模型

三轉基因模型（Triple Transgenic Model）

三轉基因模型是一種模擬家族性AD的遺傳模型，涉及三個基因的突變，包括位于21號染色體的APP基因、位于14號染色體的早老素1（presenilin 1）基因以及小鼠中的p-tau基因，因此得名三轉基因模型。這些基因的突變可能導致AD發(fā)病，因為APP與淀粉樣斑塊相關，tau與神經原纖維纏結相關，而早老素1是γ-分泌酶的蛋白水解亞單位（參與APP的裂解）。

該轉基因模型表現出腦萎縮、突觸破壞和神經元死亡，并且在前額葉皮層、海馬和齒狀回等區(qū)域無法再生神經元，從而導致認知能力下降和記憶障礙。在轉基因小鼠中，空間記憶和識別記憶均被發(fā)現受損。除了認知障礙外，突變小鼠還報告了表型改變。

5XAD模型

5XAD是另一種家族性AD的轉基因小鼠模型，表示有五個基因的突變。5XAD表達帶有S-K670N、S-M671L、F-I716V和L-V717I突變基因的APP695。這些基因是小鼠中表達的APP突變類型，這些基因的突變導致AD病理。這些突變導致APP產生過多的老年斑。此外，該模型還表現出膠質增生、突觸破壞和神經元死亡。與其它轉基因模型相比，該模型更早地表現出AD的特征。然而，與三轉基因模型相比，該模型中磷酸化tau病理較為少見。此外，該模型動物的皮層和海馬腦區(qū)可見促炎細胞因子和免疫標志物，表明存在神經炎癥和由凋亡引起的神經退行性變。

已上市的Aβ抗體Aducanumab和Lecanemab主要采用的Tg2576轉基因小鼠開展的主要藥效學評價，這類小鼠的特點是過度表達突變形式的APP (isoform 695)，其中包含瑞典型突變 (KM670/671NL)，導致Aβ水平升高，最終形成淀粉樣斑塊，與5XAD模型有些類似。

非化合物誘導、非轉基因模型

老年大鼠模型

與年輕大鼠相比，老年大鼠自然地在海馬、顳葉和新皮層中出現損傷，導致學習和記憶能力受損。由于該模型非侵入性，且能夠模擬晚發(fā)性/老年性散發(fā)性AD的病理癥狀，比其他化學誘導的模型更受青睞。用于該模型的大鼠年齡范圍通常在15到20個月之間。從疾病的臨床角度來看，這種模型更具相關性。此外，由衰老引起的癡呆表現出神經炎癥細胞因子、氧化應激、胰島素抵抗和線粒體功能障礙。該模型還產生了與AD其他模型相當的淀粉樣蛋白生成和tau病理。

高脂飲食誘導模型

高脂飲食被廣泛用于構建胰島素抵抗、肥胖和糖尿病的模型。然而，在最近的多項研究報告中，它也被推薦作為認知功能障礙模型。給大鼠或小鼠提供高脂飲食大約10到14周，可能在一定程度上誘導中樞胰島素抵抗。高脂飲食的成分包括25%脂肪、20%蛋白質和50%碳水化合物。癡呆和AD長期以來被認為具有異常的腦胰島素信號傳導。該模型的核心特征是胰島素抵抗。此外，高脂飲食誘導的肥胖會阻礙大腦區(qū)域的正常血液流動，減少氧氣和葡萄糖的供應，從而導致血管性癡呆。此外，高脂肪飲食攝入量高的情況下，也會出現由高血壓和糖尿病引起的認知能力下降。脂肪相關的膽固醇通過上調APP，在老年斑的生成中發(fā)揮作用。導致記憶喪失的其他機制可能還包括血脂失衡和葡萄糖運輸干擾。高脂飲食誘導的AD模型還會通過降低抗氧化酶和增加促炎細胞因子，加劇氧化應激和神經炎癥。

其它非大、小鼠模型

除了大鼠、小鼠，還有一些利用其他種屬構建的AD模型，比如斑馬魚模型、秀麗隱桿線蟲模型、果蠅模型、豚鼠模型和猴模型，篇幅所限，不再一一展開。另外，除了體內模型，也有些體外模型可用，比如采用神經母細胞瘤細胞系、誘導多能干細胞（iPSC）衍生的細胞系進行的研究，但體外模型的結果在人體轉化方面更具挑戰(zhàn)。

最后，除了以上模型外，還有些新型模型出現，比如STZ-APP/PS1 模型，這是一種用于治療小鼠記憶障礙的新型方法。該策略結合了之前使用的STZ誘導的癡呆和經過基因改造的轉基因模型。這種模型將產生更多且更接近AD特征的表現。又如果糖誘導模型，類似于半乳糖，它可以干擾代謝過程，通過引發(fā)胰島素抵抗并導致葡萄糖代謝受損。果糖還可以刺激糖皮質激素的釋放，從而調節(jié)食物攝入。如果通過飲食攝入過量的果糖，可能會導致神經元死亡。與食物攝入和饑餓相關的大腦區(qū)域，如下丘腦和海馬，可能會受到影響。最終，它可能會導致記憶障礙和認知功能障礙。

下表對不同AD模型的優(yōu)缺點進行了總結。

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