关于阿尔兹海默症(AD)
阿尔茨海默症(Alzheimer's disease,AD)是诱发进行性痴呆的主要原因之一,属于神经退行性疾病(NDD)。其主要病理改变为 β-淀粉样前体蛋白(β-amyloid precursor protein,APP)异常代谢而导致β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)合成异常、代谢水平降低和转运失衡,形成老年斑以及Tau蛋白过磷酸化形成神经原纤维缠结和神经元凋亡。现临床上用以治疗AD的药物主要包括乙酰胆碱酯酶抑制剂、谷氨酸受体拮抗剂等。年龄增长、遗传、环境污染等因素也是诱发AD的主要原因。目前,与AD发病机制相关的假说主要包括Aβ级联假说、Tau蛋白假说、胆碱能假说、神经免疫炎症、线粒体功能障碍等。
现有的治疗阿尔茨海默病的药理学方法发展不完善,大多数方法都不能完全复制疾病的病理特征。开发一种具有成本效益且可靠的实验动物模型将填补这一研究空白。与AD小鼠模型相比,斑马鱼AD模型同样表现出Aβ的沉积及行为学的改变,人类AD的主要基因在斑马鱼中有同源对应物,具有保守功能,同时其造模时间短、繁育成本低、适用于高通量筛选,是作为研究阿尔茨海默症早期药物发现和临床前研究的良好工具。
图1 AD研究中斑马鱼和啮齿动物模型的比较
Aβ诱导:当脑内Aβ的生成率高于清除率时,过多Aβ在脑内沉积,从而诱发神经毒性。同时,Aβ 还能造成线粒体产能障碍,引起线粒体自噬、突触丢失和细胞死亡,进而加快AD的进程。Aβ诱导AD模型一般通过在实验动物脑内海马体、侧脑室等部位注入Aβ片段获得。
截至目前,斑马鱼内源性Aβ还未被发现,其体内 APP 的处理过程是否与人类相似尚不明确,但对野生型和转基因斑马鱼进行Aβ功能和毒性分析是可能的。现多将Aβ直接加入斑马鱼幼鱼的养殖水中进行造模,或将斑马鱼麻醉后直接向侧脑室注射Aβ蛋白。2022年,Prabesh Bhattarai等通过脑室显微注射将Aβ42注射到成年斑马鱼大脑中,在斑马鱼中建立了急性淀粉样变性模型,通过电镜观察,该模型显示出与人脑相似的淀粉样蛋白聚集、小胶质细胞激活和炎症反应、突触变性、神经元细胞死亡和学习记忆缺陷。该研究还发现,在斑马鱼中发现的再生相关分子程序可以诱导类似人脑的体外3D培养系统的神经源性输出,这表明这些分子程序可能是AD药物发现干预策略的潜在目标。
图2 Aβ42诱导斑马鱼AD模型在疾病机制研究、早期药物开发和临床前研究中的应用
氯化铝诱导:维持大脑正常认知功能离不开金属离子稳态,金属离子稳态失衡是神经退行性疾病发生的关键因素之一。铝(Aluminum,A1)、铜、锂、锌、铅、二氧化硅、氟化物、汞和铁都会引起神经毒性。
有研究发现,用氯化铝浸泡斑马鱼96h可表现出明显的AD样行为。此外2020年,顾晓群等,用六水合氯化铝配制成100 μg/mL的染毒液,持续浸泡斑马鱼30d,每日更换一半染毒液,可见斑马鱼端脑神经细胞数量明显减少,脑组织Aβ生成相关 appb、bace1、aph1 基因表达明显增高。该研究证明了补肾益智方能够有效地改善AD斑马鱼的学习记忆能力,减少Aβ生成,减轻氧化应激反应,改善AD内环境,从而达到改善AD症状的作用。目前氯化铝诱导的斑马鱼AD模型使用较为广泛。
冈田酸(okadaic acid,OA)诱导:OA是分布最广泛的海洋毒素之一,极易在贝类和部分鱼类中积累,被人类食用后引起食物中毒。OA 本身是多种丝氨酸/苏氨酸磷酸酯酶抑制剂,使用后可引起全身磷酸酯酶的升高,使磷Tau蛋白在脑内大量堆积,常用于制作体外Tau 蛋白过磷酸化的AD模型。2018年,Daniel Koehler等通过给斑马鱼施用冈田酸建立了AD模型。对一种新型药物——硫代氨酸氯胺酮-5-乙酯进行了药效试验,并阐明了其作用机制。使用OA诱导斑马鱼AD模型操作便捷且较为有效。
目前确定的AD相关基因有APP基因、早老素1(presenilin-1,PSEN-1)基因、早老素2(presenilin-2,PSEN-2)基因等,其致病的主要机制为影响 APP的正常代谢而导致患者脑内 Aβ1-42 的堆积。基因编辑技术的出现,扩大了利用斑马鱼模型对AD的病理、分子机制和药物靶点的研究。
图3 家族性AD(FAD)中人类基因突变的斑马鱼同源物
图4 斑马鱼基因编辑技术及其在AD病因研究中的应用
APP转基因斑马鱼AD模型:斑马鱼有2个APP的同源基因,分别为APPa和APPb。斑马鱼APPa类似于人类 APP770 亚型,是人类 APP 的直系同源物,与aplp2一样都是Aβ前体蛋白家族成员。而APPb类似于人类 APP695 亚型,敲除该基因后可导致家族性 AD,不仅可能参与AD的发病机制,且可能影响AD前的发育。有实验通过向斑马鱼插入人APP瑞典型突变基因(APPsw)制作斑马鱼AD模型,在12月龄时可见线粒体缺失、神经元数量减少、Aβ 沉积等病理现象。有研究A152T-tau 的转基因斑马鱼模型,可见明显的发育障碍和运动缺陷。还有研究发现 UCP2、Δ133p53等基因也可影响AD的发病进程。目前,使用较多的仍为AD相关的双转基因或多转基因小鼠模型。
PSEN1转基因斑马鱼AD模型:PSEN1 被认为是一个家族性AD相关的基因,该基因的突变会影响 γ-分泌酶对APP的切割和Aβ的产生,进而参与AD的进程。有实验采用删除2个密码子的方式导致斑马鱼 PSEN1 基因突变,诱导斑马鱼早发性家族性AD病变模型,可见斑马鱼脑中出现ATP合成障碍及溶酶体功能紊乱。
PSEN2转基因斑马鱼AD模型:PSEN2也是目前已知的导致家族性AD的致病基因之一,但该基因的突变概率较低,目前相关研究也较少。有研究利用MO抑制斑马鱼胚胎PSEN2基因制作AD模型,可见 γ-分泌酶活性降低及严重的发育缺陷和神经元丢失,并通过 p53 途径诱导细胞凋亡。也有研究利用同样的方法制作了相关模型,发现PSEN2活性的降低会明显减弱斑马鱼胚胎的Notch 信号并导致神经发育紊乱。
斑马鱼AD模型评价指标
行为检测:30min自主行为(斑马鱼轨迹图、游动距离、游动速度)、光/暗(L/D)转换行为
Aβ蛋白沉积:切片、硫黄素S染色
脑部细胞凋亡:AO染色
ELISA:AchE、Ach、p-Tau
qRT-PCR:标志基因(pla2g12a)、小胶质细胞标志物(Hexb)、星形胶质细胞标志物(GFDP)
斑马鱼作为一种良好的模式动物 ,与人类基因高度相似,拥有主要的神经电生理系统,包括神经递质受体、转运蛋白和酶的合成代谢等,能模拟AD等复杂神经系统疾病,已成为 AD研究中的新载体,具有简便、高效等优点。未来随着斑马鱼的广泛应用,将进行更为广泛和深入的研究。
木芮生物具有完善的斑马鱼实验平台,并建立起了上百种的临床疾病模型,利用遗传、行为、细胞、生化分子等实验技术,深入探索疾病发生的机制,进而为临床治疗疾病提供可行的治疗方案或药物筛选机制。我们依托成熟的科研技术,可以为广大客户提供基础科研、毒理测试、药物筛选等服务,助力生物医学领域发展。
参考文献 [1]Kizil C, Bhattarai P. Is Alzheimer's Also a Stem Cell Disease? - The Zebrafish Perspective. Front Cell Dev Biol. 2018 Nov 23;6:159. doi: 10.3389/fcell.2018.00159. PMID: 30533414; PMCID: PMC6265475. [2]Bhattarai P, Turgutalp B, Kizil C. Zebrafish as an Experimental and Preclinical Model for Alzheimer's Disease. ACS Chem Neurosci. 2022 Oct 19;13(20):2939-2941. doi: 10.1021/acschemneuro.2c00583. Epub 2022 Oct 4. PMID: 36194560. [3]顾晓群,余黎,武相,等.补肾益智方治疗阿尔茨海默病斑马鱼模型的作用及机制研究[J].南京中医药大学学报,2020,36(01):56-62.DOI:10.14148/j.issn.1672-0482.2020.0056. [4]Koehler D, Williams FE. Utilizing zebrafish and okadaic acid to study Alzheimer's disease. Neural Regen Res. 2018 Sep;13(9):1538-1541. doi: 10.4103/1673-5374.237111. PMID: 30127109; PMCID: PMC6126137. [5]Kiper K, Freeman JL. Use of Zebrafish Genetic Models to Study Etiology of the Amyloid-Beta and Neurofibrillary Tangle Pathways in Alzheimer's Disease. Curr Neuropharmacol. 2022 Mar 4;20(3):524-539. doi: 10.2174/1570159X19666210524155944. PMID: 34030617; PMCID: PMC9608233.