衰老相關(guān)動(dòng)物模型研究進(jìn)展

人口老齡化是本世紀(jì)最艱巨的全球問題之一,據(jù)報(bào)道在人口總數(shù)達(dá)到21億時(shí),每3個(gè)人中就有1個(gè)老年人[1]。衰老是身體器官功能的衰退老化,是全身性進(jìn)行性的退化過程。目前衰老相關(guān)的疾病，如心血管疾病、腫瘤以及一些神經(jīng)退行性病變等呈明顯增多趨勢(shì)[2]。因此衰老相關(guān)研究逐漸得到重視,尤其是利用衰老相關(guān)動(dòng)物模型進(jìn)行衰老機(jī)制及衰老相關(guān)疾病的研究明顯增多。

1 自發(fā)性衰老動(dòng)物模型

1.1 自然衰老動(dòng)物模型 自然衰老動(dòng)物模型是現(xiàn)在最接近人類衰老特點(diǎn)的動(dòng)物模型,制備方法是將動(dòng)物飼養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)正常培育生長(zhǎng)至所需的年齡[3],已作為衰老相關(guān)動(dòng)物模型應(yīng)用于許多實(shí)驗(yàn)中。目前自然衰老動(dòng)物模型以哺乳動(dòng)物為主,其中最常用的是鼠類,其優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉且飼養(yǎng)周期較短。常用于衰老實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物年齡:小鼠12～24月齡為老年期,大鼠16～24月齡為衰老早期,30～32月齡為衰老晚期。自然衰老小鼠模型在多個(gè)方面與人類衰老相似程度高,包括隨著年齡增長(zhǎng)而變化的生化指標(biāo)、應(yīng)激能力、學(xué)習(xí)記憶能力、免疫功能以及組織器官的衰老退化等。自然衰老動(dòng)物模型因其上述優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于衰老及衰老相關(guān)疾病的研究之中。Baluchnejadmojarad等[4]利用自然衰老大鼠證明Klotho蛋白可以減輕6-羥基多巴胺產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)行為,并通過改善腦膠質(zhì)細(xì)胞的衰老變化、修復(fù)DNA斷裂和改進(jìn)氧化應(yīng)激來提高大鼠行為及記憶能力,為Klotho基因和蛋白在帕金森病等衰老相關(guān)疾病中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在帕金森病的發(fā)病機(jī)制及預(yù)防治療研究中,自然衰老動(dòng)物模型也有著特殊的優(yōu)勢(shì)[5]。Sumbria等[6]利用自然衰老小鼠模型研究衰老過程中微血管出血(cerebral microbleeds,CMB)與衰老的關(guān)系及影響衰老的作用機(jī)制,并探討了CMB與多種衰老相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的內(nèi)在關(guān)系。自然衰老動(dòng)物模型能更好地模擬人類對(duì)于壓力致衰老的情況及相應(yīng)的抗壓治療[7]。在研究腦卒中時(shí),自然衰老模型能更全面、多角度地分析其發(fā)病機(jī)制及并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展[8]。但自然衰老動(dòng)物模型也存在著相應(yīng)的一些缺點(diǎn),如沒有統(tǒng)一的飼養(yǎng)來源、衰老個(gè)體獲取難度大、死亡率高等,所以在衰老及衰老相關(guān)疾病的研究中還需要建立其他衰老相關(guān)動(dòng)物模型。

1.2 快速老化小鼠(SAM)模型 SAM是一種常用的衰老相關(guān)動(dòng)物模型,其中快速老化亞系 (senescence accelerated mouse/prone,SAMP)小鼠在免疫功能降低、記憶衰退、心血管異常及白內(nèi)障等人類衰老相關(guān)疾病的病理改變上與人類相似,有12種具有不同病理改變的亞系。通過SAM不同亞系的病理改變特點(diǎn),可以更好地建立衰老相關(guān)動(dòng)物模型來研究不同的疾病。利用SAMP8小鼠可證明抗衰老相關(guān)的Klotho基因可以延緩細(xì)胞的衰老和改進(jìn)機(jī)體的氧化應(yīng)激,從而改善其記憶能力[9]。SAM模型的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴、來源不足。

1.3 果蠅衰老模型 果蠅作為動(dòng)物模型已完成全基因組序列分析[10],這使得其通過遺傳學(xué)作為衰老相關(guān)動(dòng)物模型被廣泛應(yīng)用于探究衰老及衰老相關(guān)疾病的過程及機(jī)制。我們可以通過改變特定的基因來觀察及分析果蠅體內(nèi)的生理學(xué)功能及疾病的病理過程。果蠅Zeste基因增強(qiáng)子人類同源物2(EZH2)是果蠅的人類同源基因,參與細(xì)胞分化,與多種腫瘤的發(fā)生及轉(zhuǎn)移密切相關(guān),在腫瘤細(xì)胞中陽性表達(dá)[11-12],為多種腫瘤疾病的機(jī)制及預(yù)防研究提供了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图袄碚撘罁?jù)。當(dāng)哺乳動(dòng)物的1個(gè)基因需要多個(gè)拷貝時(shí),在果蠅身上僅需1個(gè)拷貝,這就是基因的保守性,基因的保守性也是果蠅作為衰老相關(guān)動(dòng)物模型的明顯優(yōu)勢(shì),可以為衰老相關(guān)疾病的靶向藥物初步篩選提供理論依據(jù)。

1.4 其他自發(fā)性衰老模型 近年來,線蟲因其易飼養(yǎng)、生命周期短、與人類同源基因多等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于衰老及衰老相關(guān)疾病的研究中,同時(shí)也在藥理學(xué)、遺傳學(xué)[13-15]及神經(jīng)生物學(xué)[16]等方面擁有突出表現(xiàn)。腸道菌群的失調(diào)與許多衰老相關(guān)疾病的發(fā)生密切相關(guān),例如帕金森病、老年癡呆等神經(jīng)退行性疾病[17-18],而秀麗線蟲是研究腸道微生物與宿主之間的關(guān)系及宿主衰老機(jī)制的良好動(dòng)物模型[19]。秀麗線蟲的多巴胺(dopamine,DA)神經(jīng)末梢和突出囊泡內(nèi)的DA水平與哺乳動(dòng)物的神經(jīng)細(xì)胞相似[20],是帕金森病的良好動(dòng)物模型,通過改變線蟲的基因,可以更好地研究各個(gè)基因在神經(jīng)退行性疾病中的生理病理作用。利用秀麗線蟲在衰老及抗衰老研究中取得的成功,讓我們對(duì)于認(rèn)識(shí)調(diào)控衰老及延緩衰老的分子機(jī)制有了質(zhì)的提高。犬類、靈長(zhǎng)類等接近于人類的哺乳類動(dòng)物模型,在建立衰老相關(guān)模型時(shí)能更全面的與人類的器官衰退情況相比較,其缺點(diǎn)是培養(yǎng)費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)。

2 誘發(fā)性衰老動(dòng)物模型

2.1 D-半乳糖(D-Galactose)衰老動(dòng)物模型 目前認(rèn)為皮下或腹腔給藥D-半乳糖致實(shí)驗(yàn)動(dòng)物衰老的機(jī)制是機(jī)體半乳糖醇大量累積導(dǎo)致代謝紊亂、細(xì)胞腫脹并且伴自由基大量產(chǎn)生,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,引發(fā)機(jī)體多器官功能衰退[21-22]。這一過程與自然衰老動(dòng)物模型的病理過程較為相似,且造模時(shí)間短、結(jié)果穩(wěn)定。D-半乳糖衰老動(dòng)物模型的血液生化指標(biāo)如:超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)、單胺氧化酶B(monoamine oxidase B,MAO-B)等能較好地模擬在自然狀態(tài)下的機(jī)體衰老,胸腺指數(shù)等免疫學(xué)指標(biāo)和行為、記憶等方面都與自然衰老相似。Kaviani等[23]認(rèn)為D-半乳糖衰老動(dòng)物模型在研究二甲雙胍對(duì)機(jī)體的保護(hù)機(jī)制時(shí),可以排除自然衰老模型如糖尿病、惡性腫瘤等合并癥的干擾。有研究利用D-半乳糖衰老動(dòng)物模型證明了茶氨酸能有效對(duì)抗衰老機(jī)體的行為及記憶能力的衰退[24]。Ni等[25]利用D-半乳糖小鼠模型的病理改變證明蝦青素(astaxantin)可逆轉(zhuǎn)D-半乳糖小鼠的肝臟重量下降及降低D-半乳糖所致的衰老相關(guān)基因表達(dá)。D-半乳糖衰老動(dòng)物模型在用于特定衰老相關(guān)疾病的治療及抗衰老研究中是有優(yōu)勢(shì)的,但因其僅能制備亞急性衰老動(dòng)物模型,所以用于研究衰老機(jī)制時(shí)不及自然衰老動(dòng)物模型效果好。

2.2β-淀粉樣蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)衰老動(dòng)物模型 Aβ是阿爾茨海默病(AD)病人大腦中特有的一種具有神經(jīng)毒性的蛋白,由β淀粉樣前體蛋白(β-amyloid precursor protein,APP)水解而來,是大腦皮質(zhì)老年斑的主要成分,可引起神經(jīng)衰老及死亡,與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。在D-半乳糖衰老動(dòng)物模型雙側(cè)海馬內(nèi)定向注射Aβ可引起模型動(dòng)物活動(dòng)及記憶能力下降,神經(jīng)細(xì)胞核固縮、核膜損傷等。所以β-淀粉樣蛋白衰老動(dòng)物模型可以應(yīng)用于AD的病理機(jī)制及疾病預(yù)防治療的研究中。Pan等[26]利用β-淀粉樣蛋白衰老動(dòng)物模型證明蜂王漿能提高AD神經(jīng)元的代謝活性。

2.3 氯化鋁衰老動(dòng)物模型 除了Aβ衰老動(dòng)物模型外,氯化鋁衰老動(dòng)物模型也是公認(rèn)的AD常用動(dòng)物模型,例如氯化鋁致大鼠急性衰老模型。氯化鋁是腦細(xì)胞的損害因子,可使大腦產(chǎn)生大量淀粉樣蛋白,促使氧自由基產(chǎn)生,造成神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。

2.4 自由基損傷衰老動(dòng)物模型

2.4.1 臭氧損傷:臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,在常溫下在機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生自由基,使生物膜損傷,造成細(xì)胞變性死亡,從而引發(fā)機(jī)體多器官功能衰退。通過臭氧的吸入建立的自由基損傷衰老動(dòng)物模型與自然衰老動(dòng)物模型在行為形態(tài)及與衰老相關(guān)的生化指標(biāo)、免疫系統(tǒng)病變等方面都有很高的相似度。這種模型的建立操作簡(jiǎn)單,無需過多人力且成功率較高。

2.4.2γ射線輻射:γ射線輻射會(huì)使動(dòng)物模型產(chǎn)生大量自由基,破壞體內(nèi)生物膜,且對(duì)血液系統(tǒng)有很大影響,加速機(jī)體衰老。利用連續(xù)γ射線輻射5 d就能快速有效地建立衰老動(dòng)物模型,操作簡(jiǎn)單,但γ射線對(duì)人體有很大的危害,操作有風(fēng)險(xiǎn)性,射線輻射自由基損傷衰老動(dòng)物模型多用于衰老相關(guān)血液系統(tǒng)疾病的研究。

2.5 胸腺摘除致衰老動(dòng)物模型 免疫系統(tǒng)的退化與衰老的進(jìn)程有著不可分割的聯(lián)系,在衰老與抗衰老的研究中發(fā)現(xiàn),胸腺摘除致免疫系統(tǒng)低下,可加速機(jī)體衰老的進(jìn)展。胸腺摘除致衰老動(dòng)物模型模擬了人體免疫系統(tǒng)衰退后身體各個(gè)組織器官的功能變化,包括血清SOD活性及MDA含量降低,機(jī)體御寒、抗應(yīng)激能力下降等。胸腺摘除易致實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡率高,但優(yōu)點(diǎn)在于無需過多人力物力,且技術(shù)成熟后成功率高。

2.6 轉(zhuǎn)基因衰老動(dòng)物模型

2.6.1 APP轉(zhuǎn)基因小鼠模型:APP基因突變會(huì)使動(dòng)物模型大腦內(nèi)Aβ沉積,導(dǎo)致神經(jīng)元衰老死亡。將APP基因?qū)胄∈笫芫阎?在轉(zhuǎn)基因小鼠腦中表達(dá),可作為衰老相關(guān)動(dòng)物模型研究AD病人體內(nèi)Aβ沉積的病理作用。

2.6.2 基因敲除小鼠:通過敲除小鼠的特定基因,飼養(yǎng)繁殖后鑒定后代基因,選其擁有研究者想要的相應(yīng)基因的動(dòng)物模型,例如CRH 敲除小鼠在飲食限制(Caloric restriction,CR)研究中未顯示出血漿皮質(zhì)甾酮的水平增加,可作為衰老相關(guān)動(dòng)物模型研究在衰老過程中糖皮質(zhì)激素的作用。Mn-SOD活性下降的SOD2 基因敲除小鼠,為衰老過程的研究提供理論依據(jù)。特別是腫瘤相關(guān)基因敲除的衰老動(dòng)物模型,對(duì)于腫瘤疾病的發(fā)生、發(fā)展、機(jī)制甚至靶向治療的研究都有著很好的應(yīng)用前景,是現(xiàn)在衰老和腫瘤關(guān)系研究的主要?jiǎng)游锬Ｐ汀?/p>

綜上所述,衰老相關(guān)動(dòng)物模型種類較多,目前尚無完美的模型來模擬人體衰老的病理變化?，F(xiàn)階段要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)方法,選擇合適的更接近于目標(biāo)的衰老相關(guān)動(dòng)物模型,更好地探究衰老及衰老相關(guān)疾病的機(jī)制及疾病的預(yù)防和治療。