阿尔茨海默病实验动物模型利弊大盘点

目前常用研究AD的实验动物有非人灵长类动物与啮齿类动物，在选择时遵循“减少、替代、优化”的3R原则。非人灵长类动物与人类的脑部解剖结构、神经病变特点以及生物行为模式相似，尤其是恒河猴，在其脑中观察到含有Aβ沉积的老年斑和神经原纤维缠结现象，无论是自发还是诱发模型，都能够较好的复制AD相关的病理及生理特征，但是昂贵的费用与稀少的资源限制了非人灵长类动物的大量应用。啮齿类动物虽然在病变模拟方面不如非人灵长类全面，但是具有价格低廉、资源广泛、生存率高等特点，与人类的脑部解剖结构与生理特征也较为相近，更适于诱导模型的大量制备，成为 AD 应用最广泛的动物模型。 许多AD小鼠模型的背景品系是 C57BL/6J小鼠，然而这种品系的小鼠似乎对类似 AD 的神经病理学具有特别的抵抗力。

狨猴Callithrix jacchus，生长10-12年就会变老，远远快于其他灵长类动物（20-30年），是阿尔茨海默病研究越来越受欢迎的非人灵长类动物。

人类衰老机制研究和抗衰老药物筛选的重要手段是选择合适的衰老动物模型。应用衰老动物模型对AD进行实验研究具有一定的代表意义。在实验研究中应用的衰老动物模型主要有自然衰老动物模型和快速老化动物模型。

 自然衰老模型 

自然衰老动物模型是通过对1~2月龄的大小鼠日常维持饲养到小鼠18~24月龄、大鼠24月龄基本相当于人类56 ~ 70岁来构建衰老动物模型。自然衰老动物模型建模简单，在衰老期时出现脑内神经元变性、胆碱能功能降低、感觉、行为和记忆障碍等与临床患者相似的各种病理特征。因此，在AD研究中自然衰老动物模型作为首选动物模型。但自然衰老模型的缺点是建模时间较久，一般情况下要饲养15个月以上（虽可以直接购买适龄动物，但成本非常高），由于在建模过程中饲养时间过长，投入的人力和物力成本相对较大，另外，在饲养过程中感染其他疾病机率也相对较高且健康状态较差，特别是进入老龄期后容易死亡，在后期样本检测中个体差异大。

 快速老化模型 

日本京都大学竹田俊男教授在 1968 年培育出快速老化小鼠（SAM），在此基础上又于 1975 年培育出易快速老化系小鼠（SAMP）和抗快速老化系小鼠（SAMR）。其中 SAMP8 小鼠在学习记忆减退、神经递质改变、APP代谢异常、Aβ沉积等方面表现出与年龄相关的AD临床特征，一致认为是研究 AD 最好的动物模型。SAMP8小鼠的一般生存时间为10~12个月，在6个月龄之后进入老化加速期。在月龄相同情况下，SAMR1小鼠表现出抗痴呆特征，在实验研究中一般作为SAMP8 鼠的对照。快速老化小鼠具有饲养周期短，衰老特征明显的优点，但快速老化小鼠相比其他模型小鼠价格较贵，且SAM 动物繁殖能力较弱，相对来源较少，具有一定的局限性。

由于转基因动物发病原因确定，病理症状已知，有利于AD机制研究和防治药物的筛选，是AD研究中使用最广泛的动物模型。一般以与AD发病有关的APP、早老素（PS）和tau等基因突变为主的单转基因、双转基因和多转基因动物模型为主要研究对象。

AD转基因小鼠的构建。Tg小鼠是通过获取单细胞胚胎并将修饰或构建的相关基因插入胚胎的雄性细胞核而产生的。然后将胚胎植入一只假孕小鼠体内，由此产生的后代携带感兴趣的突变蛋白，从而建立了一个正在研究的疾病模型。转基因小鼠可以培育出一种作为人类疾病模型的小鼠。

  APP 转基因动物模型

神经细胞 β-淀粉样前体蛋白（APP）转基因动物模型是将人源性 APP 基因与小鼠基因组整合、表达和遗传。与正常动物相比，APP 转基因动物脑中Aβ表达过量，引起认知功能障碍等系列AD临床病理特征。

·PDAPP 小鼠模型·

转人类 APP695swe 和 APP717V-F 基因的PDAPP 小鼠模型是由 C57BL/6 鼠与DBA/2F1鼠杂合而生。PDAPP小鼠APP 表达水平高，6~9 月龄时在模型小鼠大脑多区域表现出与AD相似的病理表现，如细胞外Aβ异常沉积、突触丢失、神经炎症反应和小胶质细胞增生等，但 NFTs 形成不明显。由于PDAPP 小鼠在同月龄脑中Aβ沉积异常，主要用于与Aβ相关的AD疾病机制研究。

·Tg2576小鼠模型·

Tg2576 小鼠模型是转人类APP695基因小鼠，在9 ~ 12个月时表现出学习记忆功能减退，在大脑多部位逐渐出现 Aβ 沉积和形成老年斑，在皮层出现星形胶质细胞聚集，该模型一般应用于早期AD的研究。

·APP23 小鼠模型·

将人类APP695 基因通过仓鼠由转人类APP695鼠和APPV717I鼠交配得到的APP23小鼠模型，主要特点是 APP 水平在脑内过度表达引起一系列的 AD 病理表现，在3月龄时呈现进行性加重的空间学习记忆障碍；在6月龄时出现Aβ 沉积、神经炎性斑块、突触丢失、tau蛋白过度磷酸化及CAA等，但无SPs 形成（需8~9个月形成）。APP23小鼠缓慢性形成SPs与AD患者病理发展较一致。

·TgCRND8 小鼠模型·

由转人类 APP695 鼠和APPV717F 鼠交配得到的 TgCRND8 小鼠模型，在 3月龄时出现 Aβ 沉积、认知功能障碍等AD病理表现，5月龄时伴有神经炎症反应，形成 SPs，伴随胶质细胞增生出现，且随年龄增长而加重。

双转基因模型

利用基因打靶技术培育出的APP/PS-1双转基因鼠，在3月龄时出现学习记忆障碍、Aβ增多和形成SP，6月龄时即可出现严重的学习记忆力衰退、认知功能障碍，神经元变性和突触丢失等多种AD病理特性。对AD 病理特征Aβ和SP方面的研究主要采用APP/PS-1双转基因鼠。但其外源性基因表达不够稳定性、动物价格高。

  APP/PS1/Tau 三转因模型  

APP/PS1/Tau 三转基因小鼠模型是由APPSwe、PS1、TauP301L基因系突变建立的，首先在皮质区和出现Aβ异常沉积、SP 和NFTs 形成，随后海马区也逐渐出现 Aβ沉积、SP和NFTs，以及突触丢失、神经元变性AD临床病理表现。APP/PS1/Tau三转基因小鼠模型是目前与AD 病理特征最为接近的转基因动物模型，但其外源性基因表达稳定性较差、造模较困难且造价高。

  5XFAD转基因模型  

5XFAD小鼠在小鼠Thy1.2启动子的控制下过度表达人类APP和PSEN1蛋白，共有5个AD连锁突变，分别是APP中的瑞典（K670N/M671L）、佛罗里达（I716V）和伦敦（V717I）突变，以及PSEN1中的M146L和L286V突变。1.5个月大的5XFAD小鼠就开始出现Aβ 沉积。5XFAD小鼠在大脑中积累的Aβ42多于Aβ40，这表明5个FAD突变累积影响Aβ42的产生。然而，在5XFAD小鼠中未观察到tau过度磷酸化和NFTs的形成。2个月大时出现星形胶质细胞增生和小胶质细胞增生，表明神经炎症发生在该模型早期。5XFAD小鼠再现了人类AD的病理学，类似于Tg2576、APP23和APPPS1模型。

动物脑血流量老年期较成年期减少20%以上，脑部慢性缺血、缺氧使脑的正常功能受损，出现认知功能障碍等AD 病理性改变。由此理论在实验研究中通过永久结扎双侧颈总动脉血管（2VO）建立的缺血性痴呆动物模型，表现出认知功能障碍明显，淀粉样蛋白前体升高、神经元和脑细胞死亡、tau 蛋白过度磷酸化、氧化应激反应和产生慢性炎症等 AD 病理特征。该动物模型病程较长，在行为学表现上如认知功能障碍与AD比较一致，病理上也高度相似，但引起AD 的外因在该动物模型中不能体现出来，另外，2VO 动物模型手术操作具有一定难度，模型复制后动物存活率低且时间短，不适合给药周期长的实验研究。另外，还有永久性结扎单侧颈总动脉、去胸腺衰老模型和γ射线致衰老模型、控制性皮质撞击模型、液压脑损伤模型等，由于这些模型在造模方法上复杂、难度高、造模后动物容易死亡、且结果不理想，仅在个别特殊目的实验中有所应用。

主要是以向模型鼠脑部、皮下或腹腔注射特定物质来建立模型，如通过立体定位仪、微透析等方法向实验动物脑内海马、基底核、侧脑室等不同部位注入Aβ 片段，鹅蒿蕈氨酸（IBO）、STZ 等物质。或通过皮下或腹腔注射 D-半乳糖、三氯化铝、冈田酸（OKA）和东莨菪碱（SCOP）等致损物质。

Aβ 诱导模型

Aβ 诱导模型是通过在海马CA1区或者侧脑室多次注射Aβ片段诱发Aβ 沉积、形成SP为主要病理特点的AD动物模型。Aβ诱导的AD动物模型脑内 Aβ 沉积明显、Aβ斑块周围星形胶质细胞增生，行为呆滞，易卧，学习记忆能力衰退，出现认知功能障碍、体能衰减明显等 AD 病理表现。Aβ诱导动物模型，影响因素单一，模型形成时间长，造模过程中，有对脑组织造成穿透性损伤的不确定性，另外，由于注射部位过于集中，使Aβ 沉积部位与AD患者Aβ 在脑内多区域分布有所不同。

东莨菪碱诱导模型

东莨菪碱（SCOP）为胆碱能拮抗剂，通过腹腔注射SCOP引起模型动物胆碱能系统功能障碍引起由于氧化应激增加的认知能力的下降。由SCOP 诱导的痴呆模型被认为是揭示AD相关认知功能障碍的理想痴呆模型和金标准。由于此种模型造模方法简单、费用相对较少、所以在对AD认知功能研究中应用比较广泛，缺点是动物模型缺乏AD神经元变性、Aβ沉积等典型病理改变。

IBO 诱导模型

IBO 能对大脑产生毒性作用。特别是对大脑神经元的毒性作用最大，可以导致脑内 SP 沉积，行动呆慢，学习记忆能力衰退等病理表现。将IBO注入ChE传递和学习记忆能力的主要位Meynert基底核，通过谷氨酸受体特异激动胆碱能神经元引起神经元损伤、ACh 含量和ChAT活性降低，信号通路随之调节异常，认知功能障碍等。在实验研究中，IBO联合Aβ 复制AD动物模型其临床病理特征更明显。

STZ 诱导模型

在AD患者脑内由于胰岛素分泌异常形成SP和NFT。据此，通过在动物侧脑室注射链脲菌素（STZ）破坏脑部的糖和能量正常代谢，使动物的学习记忆能力衰退，认知功能出现障碍等AD的病理特征。少量STZ影响神经元活性，引起行为学改变、认知功能障碍、能量代谢加速、Aβ异常沉积、胆碱能缺失、tau 蛋白过度磷酸化等。STZ诱导模型与阿尔茨海默病的普遍特征相符，但由于注射部位在脑，操作难度相对较大，模型复制后动物的存活率相对较低，且模型复制时间相对比较长。

D-半乳糖模型

D-半乳糖（D-galactose，D-gal）是一种还原单糖，使组织渗透压升高、产生氧化应激和炎症反应，促进神经衰老的发生和发展。通过皮下连续注射D-gal 建立亚急性衰老动物模型，导致认知功能和胆碱能功能障碍，产生氧化应激和神经炎症反应，海马区 tau 蛋白过度磷酸化。D-gal 衰老模型与自然衰老模型相比造模时间短、与SAM 模型相比具有价格低、结果可靠稳定，有自然衰老动物模型在氧化损伤、神经行为学以及病理形态方面的病理特征等的优点，在实验研究中应用较多。但其缺点是在生化分析中与自然衰老动物模型具有一定的差异，现在多与铝中毒诱导模型联合应用。

OKA 诱导模型

通过在大鼠脑内不同位点注射蛋白磷酸酶的选择性抑制剂 OKA 诱导 Tau 蛋白发生过度磷酸化复制 AD 动物模型，出现 ACh 活性和表达异常的神经递质系统功能障碍引起的认知功能缺陷。表现出与临床 AD 病人脑组织中的病理特征相似性。

尽管APP-Tg小鼠在过去十几年中广泛被用于开发新的AD治疗策略，但这种小鼠的基因表型和AD患者的还是不同。而且上述的转基因动物模型在Aβ的生成、tau蛋白的过度磷酸化、神经纤维缠结等病理特征上和AD患者的差异也很大，无法理想地模拟AD患者。为了克服这些不希望出现的问题，研究人员构建了带有Swedish（KM670/671NL）、Beyreuther/Iberian（I716F）和Arctic突变等APP基因敲入（APP-KI）小鼠。APP-KI小鼠在没有过度表达APP的情况下生成Aβ₄₂。随着年龄的增长，APP-KI小鼠大脑皮层和海马区出现过多的Aβ沉积。另一方面，与其他AD模型一样，该模型没有tau病理、NFTs、神经退行性变或大量神经元丢失可用于研究临床前AD。由于基因组编辑的最新进展，尤其是CRISPR/Cas技术，未来对转基因动物模型进行改良也值得期待。

AD由于其疾病本身的复杂性，单一造模存在很大弊端，越来越多的研究趋向于复合造模，目前为止，尚无对复合造模效果的比较研究，由于AD的发病机制不够明确，且猜想靶点和致病因素较多，世界范围内目前未发现能够全面模拟人类衰老、疾病和并发症的动物模型。但多数学者认为，采用复合方法造模能在很大程度上表现出更为接近AD特征的模型动物，为痴呆的研究提出了更深入的探索方向。迄今为止没有公认的AD动物模型，研究者只能从药物和疾病本身的特征出发，选择匹配度较高的模型用于研究。一般而言，基础研究的药效评价多数依赖于动物指标，所以模型的选择、模型成功与否、能否精准造模以符合疾病特征等是实验过程中我们需要慎重考虑的问题。而新的动物模型需要能准确地预测实验治疗的功效，从而使药物从实验室到病床的转化成为可能。

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