脑声常谈丨浅析双相情感障碍动物模型及行为评价

双相情感障碍（bipolar disorders，BD）是指情感异常高涨或者异常低落的一种精神性疾病，同时还伴有躁狂和抑郁症状的出现，常呈间歇或反复发作，患者易出现易怒、心情低落及身体乏累等表现，甚至可能引发其他生理和心理等疾病。睡眠-觉醒的生物节律对维持生物体各种生理和心理活动具有重要作用，而双相情感障碍患者常表现为生物节律紊乱，主要是出现睡眠-觉醒生物节律紊乱，导致患者出现典型的反复发作的情绪异常。BD以躁狂和抑郁的交替发作为特征，其发病机制尚不十分明确，现多认为是遗传、心理和环境因素共同作用的结果。目前大多数动物模型都关注类似躁狂症或抑郁症的行为，只有少数模型能够模拟从躁狂症到抑郁症的转变，使用病毒技术和几种造模方式的复合模型可能有助于克服这一局限。

BD动物模型

理想的BD动物模型需要符合以下几点：一是同源维度层面的有效性，即用于造模的动物物种和品系的一致性；二是致病有效性，即导致疾病发生的过程要有相似性；三是机制有效性，即动物模型的发病机制与临床实际的发病机制相似，其中也包括生物标记物的相似；四是表面有效性，主要是行为学方面的一致性；五是预测有效性，即采用经典的治疗方法可以达到预期的治疗效果。根据目前国内外报道的BD动物造模方法，大致可分为药物模型、环境模型和基因遗传工程模型3种。

1.药物模型

苯丙胺诱导模型：

早期的BD动物模型大都是模拟临床的躁狂症状，主要使用调节多巴胺的药物来诱导多动症，其中苯丙胺诱导的啮齿动物躁狂模型曾被认为是躁狂症的“标准”动物模型。早年研究已经证实BD患者尿液中多巴胺有着较高的表达水平，苯丙胺亦可以在健康的受试者中诱发类似躁狂的临床表现并加重BD患者的症状。此外，苯丙胺引起的躁狂可以通过某些情绪稳定药物来逆转。研究发现，在脑室、杏仁核、纹状体和前额叶皮层微量注射情绪稳定剂丙戊酸可以阻止甲基苯丙胺诱发的躁狂。但是，该动物模型的主要局限性是，造模药物苯丙胺属于管制类的精神兴奋剂其购买和使用有着严格的审批程序，因而该造模方法国外报道较多。

哇巴因（Ouabain，OUA）诱导模型：

脑室内给予OUA，即钠-钾激活的腺苷三磷酸酶（Na+-K+-ATPase）的抑制剂，从而造成Na+-K+-ATPase活性的降低，也被证明与实验动物运动量增加有关，该模型在1995年根据BD患者Na+-K+-ATPase改变的临床表现提出，早期的实验使用了雄性SD大鼠，氯胺酮麻醉后于动物的左侧脑室进行单次脑室内注射，成功诱导了大鼠的过度活动，现多使用成年雄性Wistar大鼠。已有研究证实碳酸锂（LiCO3，Li）可以改善OUA引起的BD动物模型空间学习障碍，此外，Li和丙戊酸也可以逆转OUA引起的运动过量，OUA降低了大鼠大脑中B淋巴细胞瘤-2基因（B-celllymphoma-2，Bcl-2）的水平，增加了氧化应激参数细胞凋亡促进蛋白（BCL2-associatedX，BAX）和抑癌基因p-53，Li和丙戊酸可以改善OUA诱导的该方面的细胞功能障碍。OUA诱导的BD动物模型也可以评估记忆障碍，其诱发的记忆障碍与神经营养因子信号通路的改变有关。

2.环境模型

睡眠需求减少是BD躁狂发作的典型临床表现之一，睡眠剥夺也是BD躁狂发作的触发因素，可以诱导BD患者从抑郁状态转换到躁狂状态，因此，大量研究亦采用了涉及与睡眠剥夺相关的昼夜节律异常的躁狂模型。该方法是将SD大鼠放置于水中直径7cm的小平台上，C57BL/6J小鼠则平台直径为3cm，造模过程中如果动物睡着肌肉放松就会掉入水中并醒来，该实验通常持续72h，在睡眠剥夺结束后，动物回到笼内不会立即入睡，而是表现出失眠、多动、易怒、攻击性、性欲亢进等躁狂症发作样的表现。情绪稳定剂丙戊酸和Li皆可逆转实验动物睡眠剥夺诱发的躁狂行为。睡眠剥夺诱导的小鼠过度运动可能与线粒体功能障碍有关，该模型线粒体呼吸链活性降低，柠檬酸合酶活性增加，与BD患者线粒体代谢方面的临床研究结果相吻合。

3．基因遗传工程模型

人类遗传学已经确定了许多基因与精神疾病相关，利用基因突变、基因敲除或转基因技术建立的啮齿动物模型对于研究BD相关的特定基因及潜在机制非常重要。其中，基因敲除动物模型根据目标基因缺失的靶细胞不同，又分为全身性基因敲除和条件性基因敲除两种动物模型，此外还有一些基因过表达动物模型。

全身性基因敲除动物模型：

ClockΔ19（-/-）小鼠模型遗传关联研究已经证明昼夜节律基因（CLOCK）变异与BD之间存在显著关联，其中ClockΔ19全身性基因敲除小鼠模型在BD基础研究中应用最为广泛。早先的行为学测试结果显示ClockΔ19（-/-）小鼠表现出多动、睡眠减少、抑郁样及焦虑样行为减少等类似BD患者的躁狂行为，服用情绪稳定剂Li后这些行为可以明显改善。随后的研究显示，ClockΔ19（-/-）小鼠腹侧被盖区多巴胺能神经元兴奋性增加，多巴胺神经元体积变化。调节情绪相关行为可能与单胺能系统有关，该基因通过伏隔核谷氨酸受体亚基GLUA1介导的兴奋性突触可塑性是ClockΔ19（-/-）小鼠表现躁狂样行为的可能机制。

条件性基因敲除动物模型：

Ank-GcKO小鼠模型ANK3基因编码Ankyrin-G蛋白，是全基因组关联研究（GWAS）较早得出的与BD相关的基因之一，研究推断ANK3基因可能通过多种机制参与BD的发病。Ank-GcKO小鼠是将Ank3flox小鼠（Ank3flox/flox）与Camk2a-Cre小鼠杂交后得到的。通过Cre-loxP基因编辑技术，Ank-GcKO小鼠纯合子成年后前脑（皮质、海马、纹状体等）锥体神经元中Ankyrin-G均不表达。多个行为学实验结果显示该动物模型表现出更多的探索性行为和较少的焦虑样行为等类似BD患者的躁狂样行为，经典的BD治疗药物Li和丙戊酸能够改善Ank-GcKO小鼠的躁狂行为。重要的是，给予社会击败压力后，该动物模型会从“躁狂样”行为向“抑郁样”行为转变，并在重复压力下出现躁狂样和抑郁样行为的交替。Ank-GcKO小鼠模型成功再现了人类BD躁狂相和抑郁相交替出现的核心特征，将躁狂症动物模型与抑郁症模型很好地结合起来，但鉴于条件敲除小鼠模型繁育周期较长，造模时间成本和经济成本较高，该模型在BD的基础研究中报道尚少。

基因过表达动物模型：

GSK-3β-OX小鼠模型锂作为情绪稳定剂很早就被应用于BD的治疗中，在治疗和预防BD的抑郁和躁狂阶段都有很好的疗效。糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）抑制是锂和其他情绪稳定剂的关键作用机制，是锂在神经保护、抗氧化和神经传递等方面发挥作用的基础。基于GSK-3β在BD病理生理中的作用，有研究报道了过表达GSK-3β的转基因小鼠模型，该模型小鼠行为学测试结果显示，模型组小鼠运动增加，强迫游泳实验中的不动时间减少，声学惊吓反应增强，多种行为表现类似BD躁狂发作。然而，近年来少见该模型的继续报道，模型组多巴胺能的激活也是注意力缺陷多动障碍和精神分裂症的关键特征，该模型缺乏特异性。

然而，这些模型也都存在某些缺陷或局限性。例如精神兴奋剂诱发的运动活动可能与药物滥用表型有更多共同点，睡眠剥夺模型也常用来研究失眠、阿尔茨海默症、认知功能障碍等其他神经精神类疾病，此外，BD与单基因突变有关的可能性很小，其发病大多是环境和遗传因素综合作用的结果。因此，整合BD药理学、环境和遗传模型的数据并进一步结合临床患者样本的数据分析，对于揭示BD的发病机制和潜在的治疗靶点至关重要。

Table1 BD动物模型各类造模方法及优缺点比较

躁狂行为评价：

通过旷场实验检测小鼠的兴奋性和烦躁不安等自主行为，评价小鼠的躁狂行为。旷场实验的实验箱为81cm×81cm×28cm大小，实验箱四周为白色，将底部划分为16格的正方形格子（20cm×20cm），场地中央置1彩色瓶子。将小鼠面朝墙放入任一拐角方格，计数小鼠5min内小鼠穿越中央格的次数。

抑郁症状对比研究：

根据强迫游泳实验和糖水偏好实验的方法来检测小鼠的抑郁样行为。强迫游泳实验中，显示出较长时间不动的动物被判断为抑郁样行为的标志-绝望。将每只小鼠单独放置在竖直透明有机玻璃圆筒中，内有（23±1）℃，20cm深的自来水。将小鼠轻柔放置入水，让其自由游泳6min，完全不动或仅有1只爪子保持平衡轻轻运动的小鼠被认为不动。比较2组小鼠不动时间。

糖水偏好实验中，表现出糖水偏好度降低的动物被判断为抑郁样行为。使小鼠适应48h1%糖水，禁食禁水4h后将2组小鼠置于同时有1%糖水和自来水水瓶的饲养笼中，根据水瓶上刻度来记录1h内小鼠对糖水和自来水的摄入量。糖水偏爱率/%=糖水摄入量/(糖水摄入量+自来水摄入量)×100%。

学习记忆对比研究：

通过Morris水迷宫实验研究小鼠学习、记忆能力。水迷宫水温为（18～22）℃，池中平台位于水下0.5～1cm，每天在固定时间训练小鼠寻找并爬上隐匿在水下的逃生平台。测试时，随机从4个不同象限入水，记录2组小鼠的总探索时间和找到平台所需时间，连续测试4d。

从1min～5min，模型组小鼠穿越中央格的次数显著高于对照组。模型组小鼠在强迫游泳实验中的不动时间长于对照组，糖水偏爱率低于对照组。以上3个实验均说明双相情感障碍模型小鼠存在躁狂和抑郁症状。旷场实验是用来评价实验动物在新环境中某些行为，一般情况下，小鼠在旷场实验中主要是在外周活动，但在本研究中模型组的穿过中央格次数显著增加，可以看出新环境增加了双相情感障碍小鼠的自主行为，说明该组小鼠的躁狂症状更加明显。在强迫游泳实验中，小鼠的不动时延长均说明小鼠存在抑郁行为。在糖水偏好实验中，小鼠表现出糖水偏爱率下降，说明小鼠出现抑郁样行为，这可能是因为小鼠快感缺乏，对糖水的需求减少，食欲下降。Morris水迷宫实验是研究学习和记忆功能的经典实验，本研究结果显示，模型组小鼠总探索时间以及第1天到第4天找到平台所需时间均长于对照组，说明小鼠的空间学习能力和记忆能力障碍。与正常对照组相比，双相情感障碍患者存在明显的认知功能损害，主要表现在学习和记忆功能能力下降，双相情感障碍模型小鼠存在躁狂和抑郁症状，同时表现出了记忆障碍。

文献引用：

1. 针刺对躁狂大鼠模型行为学影响及作用机制的研究[D]. 胡震亚.广州中医药大学,2013

2. Bipolar disorders[J]. McIntyre Roger S;Berk Michael;Brietzke Elisa;Goldstein Benjamin I;López-Jaramillo Carlos;Kessing Lars Vedel;Malhi Gin S;Nierenberg Andrew A;Rosenblat Joshua D;Majeed Amna;Vieta Eduard;Vinberg Maj;Young Allan H;Mansur Rodrigo B.The Lancet,2020

3.Bipolar Disorder.[J]. Carvalho Andre F;;Firth Joseph;;Vieta Eduard.The New England journal of medicine,2020

4.Effects of lithium and valproate on behavioral parameters and neurotrophic factor levels in an animal model of mania induced by paradoxical sleep deprivation[J]. Gustavo C. Dal-Pont;;Marco T.S. Jório;;Wilson R. Resende;;Fernanda F. Gava;;Jorge M. Aguiar-Geraldo;;Taise Possamai-Della;;Jefté Peper-Nascimento;;João Quevedo;;Samira S. Valvassori.Journal of Psychiatric Research,2019

5. Quercetin reduces manic-like behavior and brain oxidative stress induced by paradoxical sleep deprivation in mice[J]. Luiz K.S. Kanazawa;;Débora D. Vecchia;;Etiéli M. Wendler;;Palloma de A.S. Hocayen;;Francislaine A. dos Reis Lívero;;Maria Carolina Stipp;;Inara M.R. Barcaro;;Alexandra Acco;;Roberto Andreatini.Free Radical Biology and Medicine,2016

6.李澜,陈嫚,丁凤敏,等.双相情感障碍动物模型及中医药防治进展[J].中华中医药杂志,2023,38(10):4834-4838.

7. 赵敏. 双相情感障碍与单相抑郁症患者之间的促炎细胞因子水平的比较分析[J]. 中国医学创新, 2017, 14: 20-23.

8. Mubeen Taj, R Padmavati. Neuropsychological impairment in bipolar affective disorder[J]. Indian J Psychiatry, 2005, 47: 48-50

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