CNS疾病模型——帕金森动物模型的选择

CNS疾病模型——帕金森动物模型的选择

帕金森病（PD）是最常见的神经退行性疾病之一。它的特点是运动迟缓、强直、震颤和姿势不稳等运动症状，但许多非运动症状往往先于运动症状出现；当患者诊断为PD时，黑质致密部(SNc)中的多巴胺能(DA)神经元的数量已经减少了约一半。目前的PD动物模型的创建主要是为了重现 DA 细胞丢失和发病后的运动症状。哺乳动物PD模型大致可分为三类：基于毒素模型、α-突触核蛋白模型和遗传模型。这些模型有望帮助阐明 PD 发生和进展的病理机制。

以下具体阐述PD三类动物模型。

一、基于毒素的模型

1. 1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶 (MPTP)模型：MPTP腹腔注射小鼠可复制出PD的运动障碍以及病理变化（纹状体和黑质中三磷酸腺苷 (ATP) 浓度迅速下降，随后 DA 神经元凋亡和坏死[1]）；并且MPTP可用于灵长动物；MPTP 动物模型被认为是神经毒素诱导的 PD 动物模型的黄金标准。此外。MPTP因具有的线粒体拮抗活性，因而MPTP模型可用于研究 PD 线粒体功能障碍。优点：MPTP模型构建容易，腹腔注射即可；能复刻出几乎所有的 PD 重要特征。缺点：大鼠对MPTP不敏感，并且在不同种类的小鼠中表现出不同的敏感性。它仅在 C57/BL6 小鼠中有效，因此在选择小鼠模型的亚型时要注意。

2. 6-羟多巴胺（6-OHDA）模型：6-OHDA需要通过脑立体定位注射到纹状体或者黑质部位诱发运动障碍且导致DA细胞死亡；通常采用黑质纹状体束的单侧损伤，因为双侧损伤导致明显的食欲不振和吞咽困难[2]。6-OHDA 模型已被广泛用作新型对症药物的试验，并提供评估神经保护和神经修复策略的方法,其缺点：1.需要脑立体手术；2.不会导致 PD 病理标志——路易体的形成；3.小鼠在异常不自主运动严重程度方面表现出较大的变异性，加大实验数据的不稳定性。

3. 杀虫剂（鱼藤酮、百草枯和氯菊酯）和内毒素（脂多糖）也能诱导PD的运动症状及病理变化主要是DA细胞的死亡。鱼藤酮是在植物中发现的一种天然化合物，被用作杀虫剂。它具有亲脂性，可以像MPTP一样透过血脑屏障抑制线粒体复合物。鱼藤酮模型中，在幸存的多巴胺能神经元中观察到类似路易体的α-突触核蛋白内含物[3]。此外，在鱼藤酮动物模型中观察到其他 PD 相关特征，如运动缺陷、儿茶酚胺耗竭和黑质多巴胺细胞丢失[4]。由于其能够重现人类PD的关键病理特征，因此该模型可被用于研究神经保护。但缺点是重复性低，急性毒性强。百草枯模型中，小鼠长期服用百草枯会导致纹状体中的一些多巴胺能细胞损失[5]。与其他模型相比，百草枯模型可用于研究PD疾病的早期阶段，但是同样其缺点是毒性太大，且不会导致纹状体中的多巴胺耗竭或明显的运动缺陷。

这些毒素模型的优点是表型清晰、实验周期短、成本低。在以上毒素诱导的模型中，最广泛使用的是经典的 6-OHDA 治疗大鼠和 MPTP 治疗小鼠。

二、α-突触核蛋白模型

1. 预制原纤维模型：α-突触核蛋白预形成原纤维（PFF）是错误折叠蛋白质的聚集体，被认为是PD发展的主要原因。PFF是由α-突触核蛋白错误折叠形成的，会导致神经元死亡，从而导致PD的症状。PFF模型中，将预先形成的 α-突触核蛋白原纤维样本直接注射到动物（通常是小鼠或大鼠）的大脑中。优点:该模型会导致内源性突触核蛋白错误折叠并形成路易体，这是 PD 的病理标志[6]；还能导致动物出现PD的症状。该模型用于评估 PD 的潜在治疗策略，尤其适用于驱动路易体形成和扩散的机制研究，也适用于阻断这些过程的化合物的筛选和有效性验证。缺点是：需要脑立体定位注射；实验周期长；手术后在大约12周后才会诱发内源α-突触核蛋白的聚集、磷酸化和泛素化反应。

2. rAVV腺病毒模型：该模型使用重组腺相关病毒（recombinant adeno-associated virus, rAAV）外源过表达野生型或点突变型（如A53T）α-突触核蛋白，使用脑立体定位注射技术注射病毒，诱发小鼠出现PD症状，以及路易体出现。缺点是：需要脑立体定位注射；实验周期长；实验操作难度大且病毒注射的滴度和剂量都会对α-突触核蛋白过表达的效率产生影响。

三、遗传模型

该类模型都是利用基因修饰手段，敲除动物或者诱导PD相关致病基因过表达，诱导PD部分运动症状，但是这些模型多数不能诱导PD的重要特征：DA神经元的死亡及路易体的形成，甚至不能诱发运动障碍，主要是用于研究结合研究基因和环境之间的相互作用，解开帕金森病异质性和机制[7]。模型包括：1.DJ-1基因敲除模型（研究表明消除小鼠中的 DJ-1 并不会导致黑质中的DA细胞损失，也不能诱导路斯体的产生；但是DJ-1 敲除小鼠模型对 MPTP 和鱼藤酮的损伤高度敏感[8]）；2. PINK1基因敲除模型（PINK1 基因敲除小鼠虽然没有多巴胺能神经元变性或纹状体多巴胺水平降低，但仍容易受到氧化应激和 ROS 产生的影响）；3. LRRK2转基因模型（该基因是最常见的PD常染色体显性遗传致病基因，且常见于晚发型PD，过异源启动子或病毒传递过表达LRRK2则会导致小鼠的DA神经元死亡，并诱导运动障碍，不能诱导路易斯体产生）；4. SNCA转基因模型：SNCA转基因模型是被最广泛使用的转基因模型。SNCA是第一个被发现与家族性PD相关的基因，编码α-syn。全基因组关联分析表明SNCA与PD发病密切相关，SNCA基因高表达是PD的一个重要病理学标志[7]。该模型小鼠中，发现DA神经元减少，路易体的形成以及运动障碍。

由于遗传因素和环境因素都参与PD的病因学，还可使用药物干预和基因编辑的双结合动物模型，这种模型比仅进行药物或仅进行基因编辑的动物具有更多的PD样特征，但是这种模型的使用成本更高，应该根据预期结果和经费预算综合考虑选择。

表. PD动物模型比较

参考资料：

[1] Bezard E., Gross C.E., Fournier M.C., Dovero S., Bloch B., Jaber M. Absence of MPTP-Induced Neuronal Death in Mice Lacking the Dopamine Transporter. Exp. Neurol. 1999;155:268–273. doi: 10.1006/exnr.1998.6995

[2]Masini D., Plewnia C., Bertho M., Scalbert N., Caggiano V., Fisone G. A Guide to the Generation of a 6-Hydroxydopamine Mouse Model of Parkinson’s Disease for the Study of Non-Motor Symptoms. Biomedicines. 2021;9:598. doi: 10.3390/biomedicines9060598. 

[3] Inden M., Kitamura Y., Abe M., Tamaki A., Takata K., Taniguchi T. Parkinsonian rotenone mouse model: Reevaluation of long-term administration of rotenone in C57BL/6 mice. Biol. Pharm. Bull. 2011;34:92–96. doi: 10.1248/bpb.34.92.

[4] Airavaara M., Parkkinen I., Konovalova J., Albert K., Chmielarz P., Domanskyi A. Back and to the Future: From Neurotoxin-Induced to Human Parkinson’s Disease Models. Curr. Protoc. Neurosci. 2020;91:e88. doi: 10.1002/cpns.88. 

[5]McCormack AL, Thiruchelvam M, Manning-Bog AB, Thiffault C, Langston JW, Cory-Slechta DA, et al. Environmental risk factors and Parkinson’s disease: Selective degeneration of nigral dopaminergic neurons caused by the herbicide paraquat. Neurobiol Dis. 2002 July;10(2):119–27. doi.org/10.1006/nbdi.2002.0507.

[6] Luk K.C., Kehm V., Carroll J., Zhang B., O’Brien P., Trojanowski J.Q., Lee V.M.-Y. Pathological α-Synuclein Transmission Initiates Parkinson-like Neurodegeneration in Nontransgenic Mice. Science. 2012;338:949–953. doi: 10.1126/science.1227157.

[7] Nalls M.A., Pankratz N., Lill C.M., Do C.B., Hernandez D.G., Saad M., DeStefano A.L., Kara E., Bras J., Sharma M., et al. Large-Scale Meta-Analysis of Genome-Wide Association Data Identifies Six New Risk Loci for Parkinson’s Disease. Nat. Genet. 2014; 46:989–993. doi: 10.1038/ng.3043.

[8] Kim RH, Smith PD, Aleyasin H, Hayley S, Mount MP, Pownall S, et al. Hypersensitivity of DJ-1-deficient mice to 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyrindine (MPTP) and oxidative stress. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Apr;102(14):5215–20. doi:10.1073/pnas.0501282102 .

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