综述：哺乳动物和非哺乳动物动物模型在神经退行性疾病生物标志物开发中的研究进展

《Cellular and Molecular Life Sciences》：An update on mammalian and non-mammalian animal models for biomarker development in neurodegenerative disorders

本文是一篇关于神经退行性疾病（NDD）动物模型的综述。聚焦阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和脊髓小脑共济失调 1 型（SCA1），阐述哺乳动物和非哺乳动物模型构建方法，探讨其在生物标志物发现中的应用，分析模型局限并提出改进方向，对相关研究有重要参考价值。

　　

神经退行性疾病动物模型研究进展

在生命科学和健康医学领域，神经退行性疾病（Neurodegenerative Diseases，NDD）严重威胁人类健康，成为全球范围内导致死亡的重要因素之一，影响着数以百万计的人口。深入了解这类疾病的生物学过程和病理特征，对于开发有效的治疗方法至关重要。而动物模型在 NDD 的研究中扮演着不可或缺的角色，为探究疾病机制、研发诊断方法和设计新型疗法提供了有力的工具。

常用动物模型概述

在 NDD 的研究中，哺乳动物模型和非哺乳动物模型都发挥着重要作用。

• 哺乳动物模型：研究 NDD 最常用的哺乳动物模型包括啮齿动物（如小鼠、大鼠）和非人灵长类动物（Non - Human Primates，NHP，如猴子、猿、黑猩猩等）。啮齿动物因其成本低、易于遗传操作和繁殖等优点，成为了研究 NDD 的常用模型。例如，大多数 NDD 的啮齿动物模型是通过转基因技术构建的，该技术可以使啮齿动物携带人类 NDD 相关的基因突变。然而，由于啮齿动物和人类在大脑结构、复杂性和生理学方面存在根本差异，在啮齿动物中复制人类 NDD 的退行性变化具有一定挑战性。相比之下，NHP 在遗传、形态和生理特征上与人类更为接近，能够更好地模拟人类 NDD，但其使用受到可及性、饲养成本、伦理考虑等因素的限制。
• 非哺乳动物模型：常用的非哺乳动物模型有果蝇（Drosophila）、线虫（C. elegans）和斑马鱼（Zebrafish）等。这些模型具有生命周期短、易于繁殖和监测等优点，可作为简单的生物系统，在高等动物模型测试之前，用于验证假设、研究潜在生物标志物或测试潜在药物候选物 。不过，非哺乳动物的神经系统相对原始，难以提供与人类大脑相似的复杂信息，在预测人类大脑的观察结果方面存在一定困难。尽管如此，它们在揭示蛋白质错误折叠和聚集导致的分子通路变化方面仍具有重要价值。

常见神经退行性疾病的动物模型

接下来，让我们深入了解针对阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）和脊髓小脑共济失调 1 型（Spinocerebellar Ataxia - 1，SCA1）这三种常见且严重的神经退行性疾病所构建的动物模型。

• AD 动物模型：AD 是导致全球患者痴呆的主要原因，其主要病理特征包括细胞内神经原纤维缠结（Neurofibrillary Tangles，NFT）的形成、细胞外老年斑的出现以及大脑皮层和海马体部分区域的退化 。这些病理变化与 APP 基因的异常加工以及 tau 蛋白的异常磷酸化密切相关。目前，已经构建了多种 AD 转基因小鼠模型，这些模型在很大程度上模拟了 AD 的分子和解剖学特征。例如，PDAPP 小鼠携带 APP 基因的印第安纳突变（V717F），在 6 - 9 个月时会出现人类 Aβ 聚集，并随着年龄增长出现神经胶质增生；Tg2576 小鼠则过度表达含有瑞典突变（KM670/671NL）的人类 APP 蛋白，在 10 - 16 个月时会形成淀粉样斑块和小胶质细胞激活。除了基于 Aβ 沉积的模型，还有基于 tau 病理的 AD 小鼠模型，如 JNPL3 小鼠，其携带人类 tau 基因和 P301L 突变，在 4.5 个月时会在间脑、脑干、脊髓和小脑核出现 tau 缠结病理。
• PD 动物模型：PD 的主要特征是黑质（Substantia Nigra，SN）中多巴胺能神经元（Dopaminergic Neurons，DN）的退化，以及路易小体（Lewy Body）样结构中错误折叠的 α - 突触核蛋白的积累。PD 的发生与多个基因的突变有关，包括 α - 突触核蛋白、LRRK2、PARK7、Parkin、DJ - 1 和 PINK1 等。PD 的小鼠模型构建方法多样，其中神经毒素注射是常用的方法之一，如使用 6 - 羟基多巴胺（6 - OHDA）和 1 - 甲基 - 4 - 苯基 - 1,2,3,6 - 四氢吡啶（MPTP）等药物诱导 PD 样症状。然而，这些药物处理的小鼠往往无法完全重现人类 PD 的所有症状，如 MPTP 和 6 - OHDA 处理的小鼠缺乏路易小体的形成。因此，人们开发了转基因 PD 小鼠模型，通过过表达人类 α - 突触核蛋白突变体来模拟 PD 症状，如形成路易小体。此外，还有基于 LRRK2 突变、关键基因缺失（如 parkin、PINK1）等不同机制构建的 PD 小鼠模型。
• SCA1 动物模型：SCA1 是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，主要是由 ATXN1 基因的异常功能引起，其特征是编码区域外显子 8 和外显子 9 中的 CAG 重复序列扩张 。为了研究 SCA1 的病理机制，人们构建了多种小鼠模型。例如，BO5 SCA1 小鼠是首个针对 SCA1 的敲入小鼠模型，其表达含有 82 个谷氨酰胺氨基酸的 ATXN1 蛋白；条件性 SCA1 82Q/2Q 小鼠则通过使用 Purkinje 细胞蛋白 2（Pcp2）启动子，使 ATXN1 蛋白的表达特异性地定位于 Purkinje 细胞，并且该表达受四环素刺激调控。研究发现，当停止突变 ATXN1 的表达时，SCA1 的病理是可逆的，这表明细胞能够清除聚集的 ATXN1 蛋白。另外，SCA1 78Q/2Q 和 SCA1 154Q/2Q 小鼠分别表达含有 78 个和 154 个谷氨酰胺重复序列的突变 ATXN1 蛋白，其中 154Q 表达线在认知障碍方面与人类 SCA1 患者更为相似。

动物模型在生物标志物发现中的应用

动物模型在 NDD 生物标志物的发现和研究中具有重要意义。生物标志物是用于检测或预测疾病的生物分子，理想的生物标志物应具有特异性、成本效益高、易于分离和高度敏感等特点。

• AD 生物标志物的发现：AD 转基因模型在 AD 预后研究中有着广泛的临床应用。通过对 AD 小鼠模型的研究，发现了多种重要的生物标志物。例如，在 Tg2576 小鼠模型中，观察到脑脊液（Cerebrospinal Fluid，CSF）和血浆中 Aβ42 的含量降低；在 PDAPP 小鼠中，则观察到淀粉样斑块中 Aβ 沉积增加 。这些发现表明，Aβ42 可以作为 AD 早期检测和治疗干预的生物标志物。此外，研究还发现，氧化应激和脂质过氧化特异性的生物标志物异前列腺素在 Tg2576 小鼠中升高，并且在人类中，异前列腺素的水平也随着年龄增长和潜在 AD 的发展而升高 。另外，磷酸化 tau（p - tau）在 Tg AD 小鼠的 CSF 中随着年龄增长而增加，在 AD 患者中也有类似现象，因此 p - tau 也被认为是一种重要的 AD 生物标志物。
• PD 生物标志物的发现：不同的 PD 小鼠模型在 PD 患者生物标志物的开发中也发挥了重要作用。例如，使用神经毒素处理的 PD 小鼠模型，如 6 - ODHA 处理的大鼠，会导致 DNA 损伤标志物 8 - OHdG 的含量增加，而在 PD 患者的血清、CSF 和尿液中也发现了 8 - OHdG 的升高 。此外，在 PD MPTP 小鼠的红细胞和大脑中，氧化型 DJ - 1 的含量升高，并且在 PD 患者中也观察到 DJ - 1 水平的变化，这表明氧化型 DJ - 1 可能是一种潜在的 PD 生物标志物。在遗传模型方面，如 α - 突触核蛋白模型中，发现抗氧化剂谷胱甘肽（Glutathione，GSH）在 PD 患者的黑质中显著减少，在 PARK2 null 小鼠中也观察到了相同的现象 。此外，还有研究表明，Ras - 相关蛋白 35（Rab35）在 PD 患者的血清中增加，并且在不同的 PD 模型中也有类似现象，其水平变化与 PD 的进展和年龄相关 。
• SCA1 生物标志物的发现：虽然利用动物模型开发 SCA1 生物标志物的研究相对较少，但从其他 SCA 的研究中可以借鉴经验。例如，在 SCA3 小鼠模型 MJD84.2 中，发现了多个基因（如 Tmc3、TnSFS14、Car2、Zfp488 和 Chdh）在小脑、皮层、脑干和纹状体等脑区的转录水平发生改变，并且这些变化在 SCA3 患者中也得到了验证 。由于 SCA3 和 SCA1 具有一些共同的遗传特征，因此这些基因转录水平的变化也可以在 SCA1 小鼠（如 SCA1154Q/2Q）和 SCA1 患者中进行测试。此外，神经丝（Neurofilament，Nf）蛋白在 SCA 小鼠中被成功验证为生物标志物。在 SCA3 患者和小鼠中，血清中神经丝轻链（NfL）和磷酸化神经丝重链（p - NfH）的水平均升高，并且在 SCA1 患者中也发现 NfL 水平在疾病前期和患病期均较高 。另外，Capicua（Cic）、血管内皮生长因子（Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF）和胶质纤维酸性蛋白（Glial Fibrillary Acidic Protein，GFAP）等也被认为是 SCA1 潜在的生物标志物。

非人灵长类动物在神经退行性疾病研究中的作用

非人灵长类动物（NHP）在理解神经退行性疾病的机制和进展方面具有独特的优势。NHP 具有与人类相似的基因组序列、高度发达的大脑皮层、良好的认知能力和运动技能，以及相似的解剖学和生理学特征 。

• AD 研究中的应用：在 AD 研究中，NHP 的认知技能和大脑解剖结构有助于阐明 AD 的神经解剖学起源。常见的诱导猴子出现 AD 症状的方法包括损伤胆碱能脑区，目前也有基于淀粉样 β 和 tau 病理的新型 NHP 模型正在开发中 。由于猴子的 APP 序列与人类相似，它们可以作为研究脑 Aβ 沉积的理想模型 。研究发现，虽然 NHP 不会像人类 AD 患者那样形成神经原纤维缠结，但老年 NHP 会出现 tau 过度磷酸化，并且脑室内注射 Aβ 寡聚体可以诱导 NHP 模型出现神经原纤维变性，模拟 AD 的发展 。此外，利用 NHP 模型研究 AD，有助于发现与 AD 相关的生物标志物和治疗干预措施。
• PD 研究中的应用：在 PD 研究中，NHP 模型的应用也有着重要意义。1983 年，Burns 等人首次将 MPTP 静脉注射到猴子体内，发现猴子出现了与 PD 相似的姿势缺陷、眼睑不稳定、僵硬等症状，并且这些症状可以通过 L - Dopa 治疗得到缓解 。此后，MPTP 被广泛用于构建 NHP PD 模型，如在狨猴、恒河猴等动物中，MPTP 注射可以导致黑质致密部多巴胺能神经元数量减少，并且出现 PD 的非运动症状，如认知丧失、胃肠道缺陷和睡眠 / 觉醒问题 。除了 MPTP，6 - OHDA 也可用于构建 NHP PD 模型。此外，还有基于基因转染构建的 NHP PD 模型，如将野生型或突变型 α - 突触核蛋白基因导入猴子的大脑黑质区域，观察其对 PD 症状的影响 。NHP PD 模型在 PD 生物标志物的开发中也发挥了重要作用，例如通过对 MPTP 处理的猴子血清进行代谢组学分析，发现了与 PD 相关的代谢变化 。
• SCA1 研究中的应用：由于构建转基因 SCA NHP 模型存在诸多困难，目前 SCA1 的转基因 NHP 模型尚未成功构建，但 NHP 在 SCA1 研究中仍有应用。例如，研究人员利用 NHP 来分析 SCA1 基因沉默方法的有效性，通过在恒河猴的小脑深部核团中转导携带 SCA1 miRNA 的 rAAV1.miS1eGFP，实现了 SCA1 表达的沉默，从而验证了之前在小鼠模型中的研究结果 。

非哺乳动物模型在神经退行性疾病研究中的贡献

非哺乳动物模型在 NDD 研究中也具有独特的优势，它们的生命周期短，能够在短时间内获得转基因表达的后代，便于研究人员筛选多个与 NDD 相关的易感基因 。

• AD 研究中的应用：在 AD 研究中，果蝇、斑马鱼和线虫等非哺乳动物模型含有与人类 APP、MAPT、BACE1 和 PSEN1 同源的基因 。例如，斑马鱼的 AD 模型具有多个与 AD 相关的基因类似物，并且暴露于 AD 诱导药物（如东莨菪碱）会导致其出现类似 AD 的认知障碍和记忆功能障碍 。果蝇模型中，过表达突变 tau 会导致感觉轴突功能丧失、视网膜细胞退化和神经原纤维病理 。这些非哺乳动物 AD 模型在理解 AD 的病理机制和疾病进展方面具有重要应用价值，并且可以作为开发 AD 生物标志物的重要工具。
• PD 研究中的应用：在 PD 研究中，非哺乳动物模型同样发挥了重要作用。例如，线虫对 MPTP 等毒素具有较高的敏感性，多种基于线虫、果蝇、斑马鱼等非哺乳动物构建的 PD 模型被开发出来 。这些模型可以通过使用神经毒素处理或改变基因组成（如操纵 LRRK2、Parkin、PINK1 等基因）来模拟 PD 症状 。例如，用 MPTP 处理的水蛭（Hirudo medicinalis）会出现多巴胺能神经元数量减少和运动神经元功能障碍等 PD 症状 。此外，转基因 PD 非哺乳动物模型（如果蝇表达 DJ - 1、Parkin、PINK1 和 LRKK2 等基因）也被用于测试药物对 PD 的治疗效果 。
• SCA1 研究中的应用：在 SCA1 研究中，也开发了相应的非哺乳动物模型。果蝇 SCA1 模型中，过表达含有 82 个多聚谷氨酰胺重复序列的突变 ataxin - 1 蛋白会导致眼睛表型异常，如视网膜缩短、组织丢失和光感受器神经元异常 。研究还发现，在果蝇 SCA182Q 突变体中，多个与蛋白质折叠、降解、RNA 代谢、核转运、氧化应激和热休克反应相关的基因受到影响 。另外，转基因斑马鱼 SCA1 模型携带人类 ataxin - 1 蛋白（含 82 个多聚谷氨酰胺序列），会出现年龄依赖性的 Purkinje 细胞退化 。

动物模型的局限性、最新发展及改进建议

尽管动物模型在 NDD 研究中取得了重要进展，但仍然存在一些局限性。

• 伦理和遗传差异问题：动物模型面临的一个重要挑战是伦理问题，使用动物进行研究需要遵循相关的伦理准则，如 “3Rs” 原则（替代、减少、优化），以尽量减少动物的痛苦，并尽可能寻找替代动物实验的方法 。此外，动物模型与人类 NDD 患者之间存在遗传和解剖学上的差异，这使得在动物模型中复制人类 NDD 的表型变得困难 。例如，人类 AD 患者中存在的 APOE ε4 等位基因在大多数 AD 动物模型中缺失；在 PD 患者中，DJ - 1 基因的功能缺失对疾病发病机制至关重要，但 DJ - 1 null 突变小鼠却无法表现出相同的发病机制 。
• 技术挑战与替代模型：为了解决动物模型与人类 NDD 患者之间的遗传差异问题，可以采用现代遗传方法构建转基因动物模型，如利用 CRISPR - Cas9 技术。然而，使用 CRISPR - Cas9 技术构建动物模型也面临一些挑战，如成本高、模型构建时间长以及后代可能出现嵌合体等问题 。此外，人们还开发了一些替代动物模型的方法，如使用 NDD 患者来源的人类诱导多能干细胞（Human Induced Pluripotent Stem Cells，hiPSC）培养、3D 细胞培养（如脑类器官）和微流体系统（如器官芯片）等 。这些替代模型具有与患者遗传相似性高、无需大量饲养空间等优点，但也存在一些局限性，如成本高、遗传不稳定、存在致瘤性和免疫原性等问题 。
• 药物开发与模型选择：动物模型在药物开发中具有重要作用，可以用于测试不同药物的治疗效果，并在人类临床试验中进一步验证 。例如，在 AD 研究中，一些啮齿动物转基因 AD 模型（如 PDAPP、APP23）对抗 Aβ 抗体治疗表现出积极反应，认知表型得到改善，Aβ 积累减少，这些结果在 AD 患者的临床试验中也得到了验证 。在 PD 研究中，A53T α - 突触核蛋白 PD 小鼠模型被用于测试白藜芦醇对 PD 的治疗效果，发现白藜芦醇可以减少 α - 突触核蛋白的积累和聚集，降低神经炎症和氧化应激 。然而，动物模型中观察到的药物反应并不总是能够在人类 NDD 患者中成功重现，这可能是由于样本量小、实验设计不合理、药物毒性等多种因素导致的 。因此，在选择动物模型进行 NDD 研究时，需要综合考虑多种因素，包括动物饲养设施、实验设备、专业知识、资金以及研究成果的转化应用等 。

综上所述，动物模型在神经退行性疾病的研究中发挥了重要作用，无论是哺乳动物模型还是非哺乳动物模型，都为我们理解<