動物模型在精神分裂癥研究中的應用與進展

王曉良 崔東紅 粟幼嵩

上海交通大學醫學院附屬精神衛生中心，上海 200030

精神分裂癥是一種非常嚴重的慢性精神疾病，具有感知、思維、情感、行為等多方面異常的障礙，以精神活動與環境之間不協調為特征，在人群中具有很高的發生率，大約為1%。由于神經病理學知識上的缺乏及倫理道德等因素的影響，到現在為止人們對其還沒有完全了解。隨著動物模型在該領域的興起與發展，對這種疾病的認識開始有了長足的進步。本文從神經發育模型、藥理模型、轉基因模型及基因環境交互作用模型多方面來綜述動物模型在精神分裂癥研究中的應用與進展。

1 神經發育模型

1.1 對新生動物的腦部損傷

這類模型主要是用一系列方法損毀新生鼠、猴某些特殊腦區，如前額皮質、海馬、杏仁核。因這些腦區在大腦認知、情感中起重要作用，所以對這些區域的破壞在某種程度上模擬了精神分裂癥的表現。早期研究最多的是新生大鼠腹側海馬損傷模型，破壞了海馬參與的廣泛皮質和皮質下的神經環路而出現精神分裂癥樣表現，目前這種模型相當成熟。當前發展較快的為新生大鼠基底外側杏仁核興奮毒性損傷模型，這種模型大鼠的運動增多、聽覺驚刺激的反應增加、驚跳反射刺激前脈沖抑制（PPI）缺陷及持續的潛伏抑制（LI）異常，空間學習能力和記憶等認知能力下降，表明在神經發育階段杏仁核的損傷會導致精神分裂癥的發生[1]。該模型的變化集中在杏仁核-前額皮質-伏隔核環路且與多巴胺能系統關系密切，對精神分裂癥的研究有重要的意義。另外用神經生長因子（NGF）誘導的新生鼠前額皮質損傷動物模型與精神病患者的表現很類似，該模型的顯著優點是它的癥狀可持續存在，便于穩定持續地觀察[2]。因此這可作為一種研究精神分裂癥的有效動物模型。

1.2 隔離飼養與母嬰分養模型

隔離飼養是一種早期社會隔離手段，隔離飼養的鼠成年后出現PPI障礙，并有種系差異特異性。有研究顯示，抗精神病藥物雷氯必利可逆轉PPI缺陷，分子生物學研究提示，PPI缺陷與大鼠前額皮質單胺類遞質表達改變及GAT-1 表達及伏隔核的蛋白表達改變相關[3]。

母嬰分離模型是精神分裂癥神經發育理論最新發展的模型。母嬰隔離引起子代對多巴胺興奮劑的敏感性增強而對多巴胺拮抗劑的敏感性減弱，成年后出現一系列的類似于精神病的癥狀，如PPI混亂和潛伏抑制損害。母嬰隔離模型假設認為，隔離刺激誘發腎上腺皮質酮水平升高而激發神經退行性改變。最近De等[4]的研究支持了這一假設，也支持了神經退化假說。

1.3 產科風險因素

近來，越來越多學者認為產科因素與精神分裂癥發病有密切關系，提出母體免疫反應異常是精神分裂癥發病的一個重要誘發因素。早期用于制作這種模型的病原包括人流感病毒、風疹、鼠弓形蟲等。近來發展了一批新的模型，其中有代表性的包括細菌內毒素脂多糖（LPS）和用聚肌苷酸胞嘧啶核苷酸（PolyI：C）等誘發的模型。LPS誘發的動物模型在青春期出現PPI異常并持續到成年，且引起年齡相關的多巴胺能神經元功能活性及腦內突觸素在前額表達的異常，這種具有年齡特征性的模型很好地模擬了精神分裂癥在青春期發病的表現[5]。PolyI：C模型與LPS有相似的特性，成年小鼠雙腦室增大，驚反應與驚適應、PPI等感覺運動門控異常，而晚期感染未見相同改變。這些變化表明母孕期感染是影響后代神經發育的潛在環境危險因素，增加精神發育障礙的風險[6]，但仍需進一步的研究來明確母孕期感染影響后代大腦發育的機制。也有學者認為產科并發癥如缺血缺氧損傷、胎兒生長發育異常、分娩綜合征等與精神分裂癥有關。Schmitt等[7]將出生后 4～8 d 的大鼠輕度缺氧（11%O2，89%N2），每天 6 h，建立缺氧動物模型，發現該模型出現直立活動增加、刻板行為，同時也發現前扣帶回皮層、前額皮層、邊緣皮層等N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體結合力顯著改變等一系列與精神分裂癥患者相似的異常行為，提示其是一個可靠的精神分裂癥動物模型。

1.4 神經元發育異常

對精神分裂癥患者的尸檢研究發現，皮質神經元結構的異常可能源于發育的異常。這些發現引導人們對這種神經元發育異常動物模型的研究，目前研究主要認為是神經元在發育過程中正常的神經遷移、定位、突觸形成、神經元之間的相互連接及神經發生恰當的時間點異常。常用的誘導模型方法包括：在動物不同的妊娠期間接受X線照射；子宮內暴露于各種病毒、毒素來干擾神經元正常的生長與分化；全身給予一氧化氮合酶抑制劑來干擾神經元發生和正常突觸連接的形成；宮內胚胎腦內直接注射危害胚胎生長的藥物等。最近有許多研究者將神經發育方面的研究集中在對嗅上皮神經元的研究上，調查發現有80%的精神分裂癥患者有氣味辨別缺陷，且這種表現不受性別影響，可以作為精神分裂癥的一個內表型研究[8]。臨床上也發現精神分裂癥患者有嗅上皮和嗅覺受體神經元的異常，電生理與腦影像的發現認為顳葉、前額葉和嗅球可能參加這個過程[8]。因此發展這種動物模型在精神分裂癥的研究中有潛在的意義。

1.5 其他神經發育模型

根據流行病學的報道，發育階段的其他因素如營養不良、維生素D缺乏、親代高育齡等與精神分裂癥的發病相關。用剝奪孕鼠孕期蛋白質的動物模型發現其后代對安非他明的敏感性增強而不影響對氟哌啶醇及地卓西平（MK-801）的敏感性，同時發現這種現象有性別差異，這些表現僅出現在雌性后代中，青春期后有認知功能低下、運動增多及刻板行為等異常[9]。這種動物模型模擬了精神分裂癥的某些特征，可以進行一些精神分裂癥的神經發育病理及藥物敏感性方面的研究。流行病學調查顯示，維生素D缺乏與精神分裂癥的發生有一定的關系。孕鼠維生素D缺乏其子代出現大腦體積大小、形態及一些其他內部結構的改變，包括腦室擴大及新皮層變薄等。此外，親代高育齡其子代發生精神分裂癥的風險比親代正常育齡高[10]。因此研究這種模型有一定的意義。

2 藥理模型

對精神分裂癥的病理生理學和藥理學的研究發現，許多藥物與精神分裂癥存在聯系。因此，根據藥物作用的原理發展了一系列藥理模型。在眾多的模型中，較主流的是多巴胺（DA）能系統、谷氨酸能系統和5-羥色氨（5-HT）能系統的研究，下面對這幾種模型的應用及進展進行介紹：

2.1 多巴胺能系統模型

DA動物模型是最早用于精神疾病研究的模型，這種模型的建立主要來自藥理學的發現。早期的DA模型主要集中在DA激動劑和拮抗劑引起行為改變，也是僅限于典型抗精神病藥物反應的研究。DA模型伴隨著人們對前腦DA系統的解剖結構和功能的進一步認識得到發展。目前，最新的DA假說從神經化學影像、基因及基因與環境相互作用方面來解釋精神分裂癥的發病機制。現在可以用放射性左旋多巴來檢測紋狀體前突觸末端DA的合成、釋放和功能狀態，并證實了精神分裂癥患者紋狀體DA合成能力升高。隨著人們對基因的深入研究也發現基因間接影響DA能系統的作用及DA與其他神經遞質的相互作用。同時在基因-環境相互作用方向上的研究，發現一些環境因素加強了DA能系統的高活動狀態[11]。因此，隨著各種新方法技術的發展與應用，DA模型在精神分裂癥中的研究有著越來越大的意義。對這種藥理模型的多方向和多水平的系統綜合研究可以闡明基因、基因環境相互作用如何影響DA通路的功能，并對研發直接影響前突觸多巴胺功能的藥物有重要意義。

2.2 谷氨酸能模型

由于DA功能異常不能完全解釋精神分裂癥的神經病理改變，因此，逐漸發展了谷氨酸能動物模型，并發現這種模型與經典的多巴胺能模型有不同的作用機制。目前的研究主要是全身給予嚙齒動物NMDA受體拮抗劑，快速阻斷受體功能而引起異常的行為，如活動增多、刻板行為、社會功能障礙等，用典型抗精神病藥物只能改善部分癥狀并存在不一致性。目前這類模型包括急性、慢性NMDA受體模型，其中，急性NMDA阻斷使得神經遞質系統去抑制，而慢性NMDA拮抗引起大腦活性降低。

急性給予NMDA受體拮抗劑可引起大鼠和猴子前額區胞外谷氨酸、多巴胺、5-HT與乙酰膽堿水平上升，在抗NMDA條件下皮質神經元培養也發現谷氨酸脫羧酶GAD67 及小清蛋白陽性GABA能中間神經元的可逆性損傷[12]。氯胺酮會誘導腹側紋狀體與伏隔核鈣結合蛋白激酶2的表達及黑質與內側背蓋多巴胺轉運酶的表達[13]。這種急性NMDA受體阻斷引起神經遞質系統的顯著改變，導致動物異常行為的發生，包括工作記憶能力的損害、PPI減弱、社會相互交往能力受損、活動增多、刻板行為，與精神分裂癥患者的表現很類似。

慢性給予NMDA受體拮抗劑引起前額皮質谷氨酸鹽水平下降，與急性給藥的結果相反。該種動物模型的研究認為損害了認知與信息處理過程尤其是工作與注意缺陷，苯環己哌啶（PCP）可以增強應激與安非他明誘發活動增多的敏感性、社會行為損害和刻板行為[14]。慢性間歇性給予PCP引起前額皮質、丘腦及聽覺系統糖利用減少，這與精神分裂癥患者腦部糖代謝是一致的[14]。也有研究發現，慢性NMDA受體阻斷引起GAD67 mRNA合成及小清蛋白陽性中間神經元減少，在精神分裂癥患者的尸檢中發現了相同的改變[15]。

谷氨酸能模型不管是從現象學還是從結構學上都表明它們是一種有效的精神分裂癥模型，可用于預測抗精神病藥物的潛在抗精神病特性，其中的認知障礙與注意缺陷可以用于抗精神病新藥的研究及闡明目前抗精神病藥物作用的機制。因此，這類模型在精神分裂癥的研究及新藥的研發中有非常重要的意義。

2.3 5-羥色胺能模型

在DA及谷氨酸能動物模型神經化學上的研究發現5-HT水平有偏離；患者尸檢及腦脊液的研究也提示一部分精神分裂癥患者有神經緊張素的改變，并且許多抗精神病藥與5-羥色胺受體（5-HTR）有很強的結合力，因此，提出精神分裂癥的發病可能與5-HT神經遞質有關。對嚙齒類動物中樞給予神經緊張素，可以使其產生給人應用抗精神病藥相似的行為、生理生化的改變。基于增強神經緊張素的傳遞是抗精神病藥物發揮作用的共同機制的認識，產生了神經緊張素的藥理模型。

社會隔離飼養的大鼠給予5-HTR拮抗劑表現出很強的不可逆性的行為和神經化學改變，用5-HT3可以減輕PCP誘導的活動增多，這些改變與精神分裂癥患者的表現很相似[16]。亞慢性給予5-HTR拮抗劑SB-399885-T可在較低的應激條件下誘導行為的異常。氨磺必利有抗精神病及抗抑郁的雙重作用并與5-HTR有很強的結合力，用氨磺必利可以改善Wistar鼠的某些異常行為，并能對抗PCP誘導的PPI異常，卻不影響安非他明誘導的PPI改變，在5-HT7R-/-鼠中也得到一致的結果[17]。表明5-HTR在精神分裂癥中與谷氨酸能相互作用，5-HTR可能影響谷氨酸能受體功能。這些發現說明5-HT與精神分裂癥的綜合癥狀密切相關，因此應用5-HT模型為精神分裂癥的治療指出了一個合理且多元的方向。

3 轉基因模型

精神分裂癥是一種有高度遺傳性的精神疾病，現代的基因敲除和轉基因技術為建立新型的精神分裂癥動物模型奠定了基礎。初期的精神分裂癥轉基因動物模型主要集中在對不同神經遞質的功能研究，應用基因技術選擇性抑制或全面抑制這些受體的表達。這些模型通過抑制特定腦區的遞質傳遞而表現出工作記憶損害、活動增多、刻板行為等與精神分裂癥患者相似的表現。近年來，就基因產物在精神分裂癥發病機制中的作用方面做了許多研究，相應地出現了各種研究精神分裂癥機制的基因模型。現在的研究熱點是兒茶酚鄰位甲基轉移酶基因（COMT）、神經調節蛋白基因1（neuregulin 1）和精神分裂癥斷裂基因1（DISC 1）的基因敲除鼠模型。COMT基因產物是一種酶，在前額皮質調節胞外DA水平起關鍵作用。COMT雜合子基因缺失可引起對新異環境中的探索功能與社會能力障礙，而敲除COMT基因可以增加空間學習與工作記憶能力[18]。Neuregulin 1 調節活化原癌基因ErbB4 受體的酪氨酸激酶及非酪氨酸激酶Fyn和PyK2F來調節NMDA受體的NR2B亞單位磷酸化，這種neuregulin 1 基因敲除鼠表現出與精神分裂癥患者類似的行為及認知表現，并且用抗精神病藥物可以逆轉這種異常，因此是一種研究精神分裂癥的發病機制及抗精神病藥物作用機制的良好模型。DISC 1 基因敲除的動物模型研究發現該基因能活化磷酸二酯酶PDE4B，提示其在cAMP依賴信號通路中起作用[19-20]。因此，這種模型提示了PDE可能是精神分裂癥治療的一個非常重要的藥物作用靶點。這些轉基因模型的研究，可能會發現新的候選基因，同時可增加對環境影響因素的理解，也可能預測發病的時間和嚴重性，為將來的基因治療打下了基礎。

4 基因環境交互作用模型

基因、遺傳因素在精神分裂癥的發生發展中有較大作用，然而并不是所有的基因變異在人群中均會發生精神分裂癥，而環境因素引起的病理、生理及最終結局均會增加精神分裂癥的風險。因此，近年來，越來越多的研究開始探索基因與環境交互作用的精神分裂癥動物模型。

DISC1 基因與環境交互作用的模型較為成熟可靠。Haque等[21]在慢性社會隔離及DISC 1 基因變異的小鼠模型中，發現這種動物模型出現聽覺刺激的前脈沖抑制障礙以及空間記憶能力障礙。Desbonnet等[22]發現，在慢性社會應激及NRG 1 基因缺陷的小鼠模型表現出了探索、空間記憶能力障礙等，并發現該動物模型的腦源性營養因子BDNF在前額葉皮質的表達及細胞因子改變，這一系列的病理生理改變使得該動物在成年后發生精神分裂癥的風險顯著增加，該模型可能是今后研究精神分裂癥病理生理的良好模型。Schmidt等[23]在神經發育過程中通過給予缺氧的狀態以及精神分裂癥的CNV候選基因共同作用，開發出了精神分裂癥的神經發育模型。

總之，基因與環境交互作用的模型，在更大的程度上模擬了精神分裂癥發生發展的病理生理狀態。因此，該種模型是今后研究精神分裂癥的非常有前景的動物模型。

5 總結

精神分裂癥的發病是遺傳、環境因素和社會因素復雜交互作用的結果，在人體中無法進行直接研究，動物模型彌補了這方面天然的研究缺陷，而且大量的研究證據表明，這些動物模型在提示精神分裂癥的病理生理等方面確實起到了非常重要的作用。首先，神經發育學假說研究為精神分裂癥的發病機制提供了大量的有關證據，相應的各種模型均表現了精神分裂癥某些方面的特點，因此，可通該模型對精神分裂癥發病機制深入研究，使將來預防控制精神分裂癥的發生成為可能。其次，藥理動物模型方面的研究，也是目前研究精神分裂癥的一個非常重要的領域，這類模型突出的特點是影響了大腦內神經遞質的功能，不同程度地模擬了精神分裂癥信息處理能力等認知上的缺陷，并可以作為研究和開發新的抗精神病藥及發展一些經典藥物的新用途，從而更好地控制和治療精神分裂癥，因此，此方向的研究也是非常重要的。最后，轉基因模型與基因環境交互作用模型的研究為精神分裂癥發病機制的研究提供了更多方面的證據，這些模型是研究精神分裂癥非常高效的模型，繼續深入這些模型研究可以在基因分子水平來預測發生精神分裂癥的風險并有可能在基因水平上有效治療疾病。

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