如何给阿尔茨海默氏症筛选出合适的模型

阿尔茨海默氏症（AD）是一种很复杂的神经系统疾病，有多种机制导致神经元丢失和死亡，因此 AD 治疗方法的开发非常困难，某些药物或干预措施可能有效地针对疾病的某些方面，但对其他方面却没有效果。

虽然目前有多种体外和体内模型可帮助研究人员了解 AD 的发病机理并进行临床前测试，但是各种模型都有明显的缺点。理想的疾病模型应模仿 AD 的真实发展进程，展现进行性神经变性以及淀粉样斑块和神经原纤维缠结的形成。

在选择模型之前，科研学者们应该首先考虑他们打算研究的疾病的哪一个特定方面。目前在用的大多数模型都旨在重现阿尔茨海默氏症的一种或多种病理1，生化或行为特征。偶发性 AD 是最常见的一种 AD 形式，受遗传和环境风险因素的影响。

研究表明，与年龄和生活习惯有关的危险因素，如压力，吸烟，饮酒，高血压和糖尿病在该疾病中起关键作用。大多数动物模型已被设计为模仿 AD 的遗传形式，但并未显示出所有 AD 病理特征。到目前为止，还没有偶发性 AD 的动物模型2。

阿尔茨海默氏症的细胞模型

目前很多体外模型已广泛用于 AD 研究中，主要是研究疾病的病理和进展以及药物筛选。AD 研究中使用的细胞系包括原代神经元培养物，癌细胞系和诱导性多能干细胞（iPSC）。不同的细胞模型被用来研究疾病的不同方面。

细胞模型的明显缺点是不能代表人类大脑的复杂环境，因为在人类大脑中还有可能在 AD 病理以及神经元之间的相互作用中起重要作用的非神经元细胞。然而它们可能是 AD 研究和药物发现中的宝贵工具3,4。

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原代细胞系

原代细胞系可以从转基因动物或人类患者中提取出来培养。其中永生大鼠海马细胞系已被广泛使用，因为海马是 AD 中受影响最严重的区域。原代皮层培养物也已用于检查 β 淀粉样蛋白寡聚体对神经元功能和细胞凋亡的影响。

人类胚胎肾细胞（HEK293）也被用来建立 tau 相关效应的模型，可以很容易地用 tau 转染。此外，原代培养物也可以用 APP 转染，并且可以提供有关 β 淀粉样蛋白寡聚体的作用的有用信息5。

2

癌细胞系—神经母细胞瘤(SH-SY5Y)

人神经母细胞瘤（SH-SY5Y）细胞是从胚胎期未成熟神经元细胞的肿瘤中分离出来的，它可以根据各种生长因子而分化为不同的表型6。

在 AD 研究中，SH-SY5Y 细胞被分化为神经元样细胞，其形态与成熟神经元相似。然后将这些细胞暴露于有毒的 β 淀粉样蛋白寡聚体中，导致其神经变性。该模型在神经退行性研究中非常流行。但是由于癌症基因的干扰，它不能完全重现疾病的各个方面3。

阿尔茨海默氏症的 iPSC 模型

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2D iPSC 神经元培养物

多能干细胞可以通过对成熟的体细胞进行重新编程来生成，并且能够分化为不同的细胞类型。诱导多能干细胞（iPSC）技术可用于模拟阿尔茨海默氏症，研究从 FAD 或 SAD 患者获得的单个神经元细胞。

2011 年，研究人员用带有 PS1 和 PS2 突变的 FAD 患者的原代人类成纤维细胞诱导产生了 iPSC，之后发现该细胞中 β 淀粉样蛋白肽水平升高，这是 AD 病理学的主要特征6。2012 年，另一个研究小组利用从 FAD 和 SAD 患者中提取的细胞诱导产生了 iPSC， iPSC 衍生的神经元显示出明显更高的 β 淀粉样蛋白和磷酸化的 tau，但不能重现淀粉样蛋白斑块和 tau 缠结7。

iPSC 技术的进步使产生患者特异的神经元成为可能，从而可被用于更有针对性的医疗8。使用 iPSC 模型的主要限制则是缺乏成熟和衰老特征，而 AD 是一种与年龄有关的疾病，所以这成为 iPSC 模型的一大缺点9。

2

3D iPSC 脑器官

神经科学的最新进展之一是可以由人 iPSC 产生类器官。脑类器官，也称为迷你脑，是类似于人脑的体外自组织 3D 结构，是神经退行性疾病建模中的宝贵科学工具。在阿尔茨海默氏症的研究中，3D 脑类器官可以重现完整的 β 淀粉样蛋白沉积物，tau 缠结和神经变性。但是它们缺乏细胞多样性，并且突触活性低，免疫系统不完整，这些是 3D 模型的最主要缺陷10。

阿尔茨海默氏症动物模型

AD 研究中使用的大多数实验模型都是动物模型，很多常见实验动物都被使用过，例如果蝇，秀丽线虫，雷氏达尼奥，非人类灵长类动物和啮齿动物。由于表达人类基因的转基因小鼠可重现 AD 标志症状，与人类的解剖结构相似且成本低廉，易于操作，因此被广泛使用。

在过去的几十年中，科研学者已经制作了各种小鼠模型来产生 β 淀粉样蛋白斑块和与神经变性相关的神经原纤维缠结。到目前为止，已经开发出许多具有 APP 或早老素（PSEN1，PSEN2）或组合（3×Tg，5×Tg）突变的转基因小鼠模型。

然而，这些模型重现了遗传型 AD 的病理特征，却无法提供有关偶发型 AD 的信息。虽然 APOE e4 和 TREM-2 之类的基因会增加偶发型 AD 的风险，但许多生活方式风险因素也会有影响。各种小鼠模型根据其携带的基因突变及其特征不同，可以分为不同的组。

阿尔茨海默氏症的转基因模型11,12,13

① APP 单转基因小鼠

• 通过过表达 APP 基因来产生 APP 转基因小鼠。它们表现出 β 淀粉样蛋白斑块和认知缺陷，但是不能形成神经原纤维缠结。

② Tau 转基因小鼠

• 这些模型表达人类 tau 蛋白，并显示神经内 tau 缠结以及行为和运动缺陷，但未形成淀粉样斑块。rTg4510 模型高度表达包含 P301L 突变的人类 tau 蛋白，并逐步形成神经原纤维缠结，造成神经元丢失和行为障碍。

③ APP/Tau 双转基因小鼠

• 表达 APP 和 Tau 蛋白，并表现出 β 淀粉样蛋白斑块，神经元内 tau 缠结和运动缺陷。

④ APP/PSEN1 双转基因小鼠

• 表达 APP 和 PSEN1 突变，只显示 β 淀粉样蛋白斑块。

⑤ APP/Tau/PSEN1 三重转基因小鼠（3xTg-AD）

• 这些模型包含 APP，MAPT 和 PSEN1 中的突变，并显示蛋白斑和缠结。与单转基因和双转基因模型相比，该模型动物表现出更严重的病理。

⑥ 五重转基因小鼠（5xFAD）

• 这种广泛使用的 β 淀粉样蛋白模型将 5 个 AD 突变携带到单个转基因系中，与其他模型相比，该模型显示出早期淀粉样病理（2 个月）和更严重的神经病理。但是不足之处是它缺乏神经原纤维缠结。

⑦ APP 敲入老鼠

• 敲入小鼠模型可产生更高水平的 β 淀粉样蛋白，而不会过度表达 APP。小鼠表现出典型的 β 淀粉样蛋白病理，神经炎症和记忆障碍。

⑧ APOE 和 TREM2 模型

• APOE 和 TREM2 是偶发型 AD 的高危致病因子。目前已经改造出了表达人 APOE 的转基因，敲除和敲入小鼠。新的 TREM2 敲除系也已经成功产生，以研究与 SAD 相关的基因机制。

阿尔茨海默氏症的重组蛋白模型

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β 淀粉样蛋白寡聚体

多项研究表明，将外源可溶性 β 淀粉样蛋白寡聚体应用于动物的大脑或培养的大脑切片中会导致突触和认知功能障碍，以及异常的 tau 磷酸化和神经元丢失。

在非人类的灵长类动物（如猕猴）中，脑室内注射 β 淀粉样蛋白寡聚体可引起突触损失，小胶质细胞和星形胶质细胞活化，tau 磷酸化和 NFT 形成14。这种与人类相似的新模型再现了 AD 的病理特征，可能在未来的药物开发中很有用。

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Tau 蛋白前体原纤维（PFF）

Tau 蛋白前体原纤维（PFF）可通过聚集可溶性单体形成不溶性原纤维，在培养的细胞和动物中诱导 tau 聚集。Tau 前体原纤维可用作模拟阿尔茨海默氏症患者大脑的病理特征的工具，与转基因动物相比，它们可在短时间内诱发病理。将 tau PFF 注射到 tau 转基因（P301L）小鼠的海马体中之后，可见到 tau PFF 引起 tau 聚集并在脑中诱导 tau 病理15。

StressMarq Biosciences 一直致力于研发用于神经衰退疾病的科研工具，我们最近推出了 ATTO488 标记的活性 tau 蛋白，可以使科研人员更方便研究 tau 蛋白在人脑中的致病作用。当然我们还有其它未标记活性 tau 蛋白，PFF 和细丝，以帮助研究人员研究 tau 聚集体。另外我们还提供各种 β 淀粉样蛋白和 tau 抗体用于阿尔茨海默氏症研究。

参考文献：

1. Modeling Alzheimer’s disease: from past to future. Saraceno C. et al. (2013) Front Pharmacol. 4:77.

2. Can mouse models mimic sporadic Alzheimer’s disease? Foidl BM. et al. (2020) Neural Regen Res 15(3):401-406

3. An overview of in vitro research models for Alzheimer’s disease, Carolindah MN et al . (2013) J of TESMA Regenerative Research 2(2): 8-13

4. Alzheimer’s disease: Experimental models and reality, Drummond E. et al.(2017) Acta Neropathol. 133(2):155-175

5. General overview of neuronal cell culture. Gordon J. et al. (2013) Methods Mol Biol. 1078:1–8.

6. Modeling familial Alzheimer’s disease with induced pluripotent stem cells, Yagi T. et al. (2011) Human Molecular Genetics 20(23):4530–4539

7. Probing sporadic and familial Alzheimer’s disease using induced pluripotent stem cells, Israel MA et al. (2012) Nature 482(73840): 216 -220

8. Translation of Human-Induced Pluripotent Stem Cells: From Clinical Trial in a Dish to Precision Medicine. Sayed N. et al. (2016) J Am Coll Cardiol. 67(18):2161–2176.

9. Current Challenges of iPSC-Based Disease Modeling and Therapeutic Implications. Doss MX. et al. (2019) Cells.8(5):403.

10. Brain organoids: a next step for humanized Alzheimer’s disease models? Gerakis, Y. et al. (2019) Mol Psychiatry 24: 474–478.

11. Practical considerations for choosing a mouse model of Alzheimer’s disease, Jankowsky JL. et al. (2017) Mol. Neurodegeneration 12: 89

12. Overview of transgenic mouse models for Alzheimer’s disease, Myers A. et al. (2019) Current Protocols in Neuroscience 89:81

13. Mouse models of Alzheimer’s disease, Hall AM. et al. (2011) Brain Research Bulletin 88(1): 3-12

14. Alzheimer’s disease-like pathology induced by amyloid beta oligomers in nonhuman primates, Forny-Germano L. et al. (2014) The Journal of Neuroscience 34(41): 13629-13643

15. Intracerebral injection of preformed synthetic tau fibrils initiates widespread tauopathy and neuronal loss in the brains of tau transgenic mice. Peeraer E. et al. (2015) Neurobiology of disease 73: 83-95.

文章来源：stressmarq

题图来源：站酷海洛