衰老相關動物模型研究進展

人口老齡化是本世紀最艱巨的全球問題之一,據報道在人口總數達到21億時,每3個人中就有1個老年人[1]。衰老是身體器官功能的衰退老化,是全身性進行性的退化過程。目前衰老相關的疾病，如心血管疾病、腫瘤以及一些神經退行性病變等呈明顯增多趨勢[2]。因此衰老相關研究逐漸得到重視,尤其是利用衰老相關動物模型進行衰老機制及衰老相關疾病的研究明顯增多。

1 自發性衰老動物模型

1.1 自然衰老動物模型 自然衰老動物模型是現在最接近人類衰老特點的動物模型,制備方法是將動物飼養在實驗室,經正常培育生長至所需的年齡[3],已作為衰老相關動物模型應用于許多實驗中。目前自然衰老動物模型以哺乳動物為主,其中最常用的是鼠類,其優勢在于價格低廉且飼養周期較短。常用于衰老實驗的動物年齡: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方面與人類衰老相似程度高,包括隨著年齡增長而變化的生化指標、應激能力、學習記憶能力、免疫功能以及組織器官的衰老退化等。自然衰老動物模型因其上述優勢廣泛應用于衰老及衰老相關疾病的研究之中。Baluchnejadmojarad等[4]利用自然衰老大鼠證明Klotho蛋白可以減輕6-羥基多巴胺產生的旋轉行為,并通過改善腦膠質細胞的衰老變化、修復DNA斷裂和改進氧化應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疾病中的應用提供了理論依據。在帕金森病的發病機制及預防治療研究中,自然衰老動物模型也有著特殊的優勢[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)與衰老的關系及影響衰老的作用機制,并探討了CMB與多種衰老相關疾病發生發展的內在關系。自然衰老動物模型能更好地模擬人類對于壓力致衰老的情況及相應的抗壓治療[7]。在研究腦卒中時,自然衰老模型能更全面、多角度地分析其發病機制及并發癥的發生發展[8]。但自然衰老動物模型也存在著相應的一些缺點,如沒有統一的飼養來源、衰老個體獲取難度大、死亡率高等,所以在衰老及衰老相關疾病的研究中還需要建立其他衰老相關動物模型。

1.2 快速老化小鼠(SAM)模型 SAM是一種常用的衰老相關動物模型,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、心血管異常及白內障等人類衰老相關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,可以更好地建立衰老相關動物模型來研究不同的疾病。利用SAMP8小鼠可證明抗衰老相關的Klotho基因可以延緩細胞的衰老和改進機體的氧化應激,從而改善其記憶能力[9]。SAM模型的缺點是價格昂貴、來源不足。

1.3 果蠅衰老模型 果蠅作為動物模型已完成全基因組序列分析[10],這使得其通過遺傳學作為衰老相關動物模型被廣泛應用于探究衰老及衰老相關疾病的過程及機制。我們可以通過改變特定的基因來觀察及分析果蠅體內的生理學功能及疾病的病理過程。果蠅Zeste基因增強子人類同源物2(EZH2)是果蠅的人類同源基因,參與細胞分化,與多種腫瘤的發生及轉移密切相關,在腫瘤細胞中陽性表達[11-12],為多種腫瘤疾病的機制及預防研究提供了實驗模型及理論依據。當哺乳動物的1個基因需要多個拷貝時,在果蠅身上僅需1個拷貝,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動物模型的明顯優勢,可以為衰老相關疾病的靶向藥物初步篩選提供理論依據。

1.4 其他自發性衰老模型 近年來,線蟲因其易飼養、生命周期短、與人類同源基因多等優點,被廣泛應用于衰老及衰老相關疾病的研究中,同時也在藥理學、遺傳學[13-15]及神經生物學[16]等方面擁有突出表現。腸道菌群的失調與許多衰老相關疾病的發生密切相關,例如帕金森病、老年癡呆等神經退行性疾病[17-18],而秀麗線蟲是研究腸道微生物與宿主之間的關系及宿主衰老機制的良好動物模型[19]。秀麗線蟲的多巴胺(dopamine,DA)神經末梢和突出囊泡內的DA水平與哺乳動物的神經細胞相似[20],是帕金森病的良好動物模型,通過改變線蟲的基因,可以更好地研究各個基因在神經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,讓我們對于認識調控衰老及延緩衰老的分子機制有了質的提高。犬類、靈長類等接近于人類的哺乳類動物模型,在建立衰老相關模型時能更全面的與人類的器官衰退情況相比較,其缺點是培養費用高、時間長。

2 誘發性衰老動物模型

2.1 D-半乳糖(D-Galactose)衰老動物模型 目前認為皮下或腹腔給藥D-半乳糖致實驗動物衰老的機制是機體半乳糖醇大量累積導致代謝紊亂、細胞腫脹并且伴自由基大量產生,誘導細胞凋亡,引發機體多器官功能衰退[21-22]。這一過程與自然衰老動物模型的病理過程較為相似,且造模時間短、結果穩定。D-半乳糖衰老動物模型的血液生化指標如: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下的機體衰老,胸腺指數等免疫學指標和行為、記憶等方面都與自然衰老相似。Kaviani等[23]認為D-半乳糖衰老動物模型在研究二甲雙胍對機體的保護機制時,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-半乳糖衰老動物模型證明了茶氨酸能有效對抗衰老機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基因表達。D-半乳糖衰老動物模型在用于特定衰老相關疾病的治療及抗衰老研究中是有優勢的,但因其僅能制備亞急性衰老動物模型,所以用于研究衰老機制時不及自然衰老動物模型效果好。

2.2β-淀粉樣蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)衰老動物模型 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,是大腦皮質老年斑的主要成分,可引起神經衰老及死亡,與AD的發生發展密切相關。在D-半乳糖衰老動物模型雙側海馬內定向注射Aβ可引起模型動物活動及記憶能力下降,神經細胞核固縮、核膜損傷等。所以β-淀粉樣蛋白衰老動物模型可以應用于AD的病理機制及疾病預防治療的研究中。Pan等[26]利用β-淀粉樣蛋白衰老動物模型證明蜂王漿能提高AD神經元的代謝活性。

2.3 氯化鋁衰老動物模型 除了Aβ衰老動物模型外,氯化鋁衰老動物模型也是公認的AD常用動物模型,例如氯化鋁致大鼠急性衰老模型。氯化鋁是腦細胞的損害因子,可使大腦產生大量淀粉樣蛋白,促使氧自由基產生,造成神經系統的損傷。

2.4 自由基損傷衰老動物模型

2.4.1 臭氧損傷:臭氧是一種強氧化劑,在常溫下在機體內產生自由基,使生物膜損傷,造成細胞變性死亡,從而引發機體多器官功能衰退。通過臭氧的吸入建立的自由基損傷衰老動物模型與自然衰老動物模型在行為形態及與衰老相關的生化指標、免疫系統病變等方面都有很高的相似度。這種模型的建立操作簡單,無需過多人力且成功率較高。

2.4.2γ射線輻射:γ射線輻射會使動物模型產生大量自由基,破壞體內生物膜,且對血液系統有很大影響,加速機體衰老。利用連續γ射線輻射5 d就能快速有效地建立衰老動物模型,操作簡單,但γ射線對人體有很大的危害,操作有風險性,射線輻射自由基損傷衰老動物模型多用于衰老相關血液系統疾病的研究。

2.5 胸腺摘除致衰老動物模型 免疫系統的退化與衰老的進程有著不可分割的聯系,在衰老與抗衰老的研究中發現,胸腺摘除致免疫系統低下,可加速機體衰老的進展。胸腺摘除致衰老動物模型模擬了人體免疫系統衰退后身體各個組織器官的功能變化,包括血清SOD活性及MDA含量降低,機體御寒、抗應激能力下降等。胸腺摘除易致實驗動物死亡率高,但優點在于無需過多人力物力,且技術成熟后成功率高。

2.6 轉基因衰老動物模型

2.6.1 APP轉基因小鼠模型:APP基因突變會使動物模型大腦內Aβ沉積,導致神經元衰老死亡。將APP基因導入小鼠受精卵中,在轉基因小鼠腦中表達,可作為衰老相關動物模型研究AD病人體內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,飼養繁殖后鑒定后代基因,選其擁有研究者想要的相應基因的動物模型,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甾酮的水平增加,可作為衰老相關動物模型研究在衰老過程中糖皮質激素的作用。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。特別是腫瘤相關基因敲除的衰老動物模型,對于腫瘤疾病的發生、發展、機制甚至靶向治療的研究都有著很好的應用前景,是現在衰老和腫瘤關系研究的主要動物模型。

綜上所述,衰老相關動物模型種類較多,目前尚無完美的模型來模擬人體衰老的病理變化。現階段要根據實驗目的及實驗方法,選擇合適的更接近于目標的衰老相關動物模型,更好地探究衰老及衰老相關疾病的機制及疾病的預防和治療。