衰老动物模型的研究进展及应用

李树梅 卢胜明 康 峰 安立刚 张海峰 (北京实验动物研究中心，北京 100012)

衰老是生物随着时间的推移、自发的必然过程，表现为机能衰退，适应性和抵抗力减退。从古至今，人们一直在寻找各种延年益寿的方法和药物，以期能在遗传学上所界定的寿限内延迟衰老或提高生命质量〔1〕。1939年第一个衰老研究协会(the Club for Research in Aging)成立，从此科研工作者开始对衰老进行真正系统的研究〔2〕。采用自然衰老动物或者是人为因素致衰老的动物为模型是人类研究衰老过程的有效手段，结合各类实验动物的自身特点以及生理特性，建立与临床衰老症状相似的动物模型，已成为研究衰老机制以及评价抗衰老药物的一个重要平台。本文就衰老动物模型的建立、应用及特点予以综述。

1 D-半乳糖致衰老模型

D-半乳糖致衰老模型是指在一定时间内，连续给动物注射大剂量的D-半乳糖，使机体细胞内半乳糖浓度增高，在醛糖还原酶的催化下，还原成半乳糖醇，这种物质不能被细胞进一步代谢，而堆积在细胞内，影响正常渗透压，导致细胞肿胀和功能障碍，最终致使衰老的发生〔3〕。该模型最早在国外应用于白内障的研究，1985年我国学者徐黻本首次提出给予啮齿动物D-半乳糖可以诱导类似于加速衰老进程的生理变化〔4〕。1991年龚国清根据衰老的代谢紊乱学说构建了D-半乳糖衰老动物模型〔5〕。随着对该模型的深入研究以及逐步完善，最终建立了通过注射D-半乳糖致使动物衰老的模型，并得到广泛应用。

1.1 D-半乳糖致衰老模型的应用 研究表明，该模型在形态学、生化指标检测以及分子生物学等各个方面都可以较好的模拟自然衰老〔6〕，目前广泛应用于筛选药物以及评价具有延缓衰老的保健食品。文献报道，刺五加可提高D-半乳糖致衰老的大鼠免疫功能，延缓衰老〔7〕。新鲜地黄根部的提取物梓醇能增加D-半乳糖诱导的小鼠大脑皮层和海马抗氧化酶活性，抑制自由基再生〔8〕。前苏联学者洛基莫夫和托罗采夫的研究表明低氘水能促进激发动物的技能活性，促进动物的新陈代谢〔9〕。此外，它还可以有效延缓D-半乳糖导致的衰老小鼠的衰老进程，对小鼠的抗氧化能力产生一定的积极作用〔10〕。李峥等利用该模型发现金属硫蛋白(MT)能显著改善衰老大鼠的学习记忆能力，减少海马神经元的核固缩，减少海马乙酰胆碱酯酶(AchE)、单胺氧化酶(MAO-B)活性、提高ChAT活性，延缓脑组织的衰老〔11〕。

1.2 D-半乳糖致衰老模型的特点 D-半乳糖模型造模时间短、操作简便、模型易于建成、重复性好，故此模型自1991年首次构建后便在国内得到了广泛的运用和发展。该模型表现出与自然衰老小鼠相似的衰老体征〔12〕，表现为皮肤的氧化损伤、免疫功能低下、基因表达与调控功能异常，细胞繁殖再生能力下降、记忆以及记忆保持能力下降、寿命缩短、体内丙二醛和脂褐素增加，血清中超氧化物歧化酶与肝脏中谷胱甘肽过氧化物酶活力下降等。由于受到建模时剂量、途径、时间以及判断标准等因素的影响，对于行为学、免疫学脏器指数等方面的报道观点不尽相同〔13〕。但是该模型在整体水平上与自然衰老相似，仍可以基于整体水平上用于抗衰老药物在行为学、抗氧化以及部分免疫学指标等方面的研究〔5〕。

2 小型鱼类衰老模型

鱼类约占所有脊椎动物物种的一半，但是与无脊椎动物或者啮齿类动物相比较，在作为模型研究衰老问题上却很少受到重视。近年来，国内外学者通过研究一些鱼类的基本老年学特征，建立了小型鱼类衰老模型。目前已建立的动物模型主体有孔雀鱼(guppy)、鳉鱼(killifish)和斑马鱼(zebrafish)〔14〕。早在1961年Comfort就将孔雀鱼用于衰老实验的研究〔15〕，2006年Reznick等通过对其的深入研究，阐述了衰老的机制以及过程〔16〕。鳉鱼的寿命极短大概只有3个月，这恰好为学者研究衰老机制和早老现象提供了良好的动物模型〔17〕。斑马鱼的平均寿命只有3年，即使是在实验室的条件下最长寿命也只是5年。1981年，美国Oregon大学的Streisinger等最早从事对斑马鱼的研究〔18〕。2002年，Gerhard等首次把斑马鱼用于衰老研究〔19〕，随后引起众多学者的重视。近年来，斑马鱼已经作为一种模式生物，广泛应用于人类疾病模型的建立。

2.1 小型鱼类衰老模型的应用 以漂亮宝贝鳉作为衰老模型，Hsu等对其进行了组织化学、生化检测以及遗传分析三方面的研究。结果表明:随着年龄的增长，与衰老相关的β-半乳糖苷酶和脂褐素增加;脂质过氧化和蛋白质氧化程度增加;而过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性下降;端粒长度缩短至11.5+/-1.98到3.58+/-0.74 kb〔20〕。研究发现白藜芦醇作为一种天然植物抗毒素，可以延长漂亮宝贝鳉的寿命，并且能够推迟功能障碍的发生〔21〕。通过对斑马鱼的研究发现随着年龄的增长，可能是由于肌肉的异常情况导致它们出现脊椎弯曲现象，从形态学角度上与人类表现出一致的特征〔22〕。各项数据表明斑马鱼在衰老过程中，皮肤中与衰老相关的β-半乳糖苷酶活性增加，肌肉中氧化蛋白蓄积，肝脏中脂褐素的含量明显增高〔23，24〕，这些与已经报道的人类和鼠的衰老特征一致〔25〕。斑马鱼在中年期还经常会发生脂褐素的积累以及视网膜色素上皮细胞发生病变，这类似于人类的黄斑变性。几乎所有4岁的斑马鱼都会出现白内障，并且大多数的老年斑马鱼表现出视网膜萎缩〔24〕。对其进行深入研究发现，随着年龄的增长，其生殖和鳍的再生能力下降〔26〕。此外，斑马鱼还表现出与人类相似的热休克和氧化应激反应。以上结果充分显示出斑马鱼适用于研究衰老机制的优势所在。

2.2 小型鱼类衰老模型的特点 小型鱼衰老模型能够在细胞和机体水平上观察到与人类相似的衰老过程。以斑马鱼模型为例，通过研究结果表明，斑马鱼的老化流程与人类的极为相似，脂褐素在体内的积累，认知功能下降，表现为多种组织的组织学变化，大分子形态(DNA、蛋白质和脂质)的减少再生和损伤，遵循昼夜变化等特点。此外，斑马鱼还具有体积小、生殖能力强、体外受精且胚胎发育透明，其基因与人类基因的相似程度达到87%等特点〔27〕。利用斑马鱼为模型来探索人类衰老机制，并寻找预防和治疗衰老的策略，已成为新的发展趋势。

3 果蝇衰老模型

近年来，果蝇广泛应用于衰老方面的研究。以果蝇作为衰老模型，2007年，Martinez等发现限制饮食均可以延长两种不同果蝇的寿命，其影响程度因遗传背景的不同而有所变化。通过对另外七种不同的果蝇进行寿命测试，发现限制饮食可以将平均寿命延长40% ～90%〔28〕。2008年，Ramsden等就免疫功能与衰老之间的联系进行研究。结果表明衰老能够降低机体抵御细菌感染的能力，但潜在的免疫衰老机制不包括清除细菌或者防止细菌繁殖〔29〕。2009年，Toivonen等研究发现胰岛素中突变效果与类胰岛素生长因子传送信号途径是相对保守的，这可以延长果蝇的寿命;此外，类固醇和其他脂溶性信号分子可调节不同生物的生命周期〔30〕。

3.1 果蝇衰老模型的应用 以果蝇作为衰老动物模型，淫羊藿总黄酮可以通过减少自由基的产生、增加自由基的清除、减少蛋白分解、促进细胞增殖、恢复免疫功能，对抗凋亡而发挥延缓衰老的功效〔31〕。Tapiwanashe Magwere等发现通过诱导超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶的生成可以降低线粒体中的活性氧，以此达到延长生命周期的目的〔32〕。张春蕾等发现蜂胶黄酮可显著提高果蝇体内 SOD活性，降低体内丙二醛(MDA)含量，延长果蝇平均寿命和最高寿命〔33〕。

3.2 果蝇衰老模型的特点 果蝇是双翅目昆虫，具有繁殖能力强、生命周期短、染色体数目少、器官复杂、内分泌系统完整、易于饲养等特点。研究表明，老年果蝇存在自由基产生过多而清除减少、凋亡加速、蛋白溶解过度、内分泌免疫功能低下的内在机制〔34〕。因此，果蝇为科研工作者研究衰老遗传学和衰老机制提供了良好的动物模型。

4 快速老化小鼠模型

快速老化小鼠(SAM)是在日本东京大学首次培育成功的近交系小鼠群，其特征为出现快速老化症候，高龄期频繁出现在人类老年常见的与老化相关的病态〔35〕，因此广泛应用于研究衰老机制。

4.1 快速老化小鼠模型的应用及特点 快速老化小鼠共有12个亚系，不同亚系小鼠具有不同的病理表现型，其中许多具有与人类衰老相似的病理学特征，并且小鼠遗传信息非常丰富，与人类遗传学特征具有相似性〔36〕。

卵巢快速老化小鼠(SAMP8)主要以学习记忆能力随着年龄的增长而快速衰退，中枢神经系统如皮层、海马等部位发生病理学改变为主，因此SAMP8是研究老化、老年性痴呆等疾病的理想模型〔37〕，也是目前 SAM 小鼠中应用最多的亚系〔38〕;研究表明，当归芍药散能够明显改善老年性痴呆模型SAMP8小鼠的空间学习记忆能力〔39〕，SAMP10是唯一发生与衰老相关脑萎缩的啮齿类动物，因此它是研究与衰老相关的神经元丢失及脑萎缩发生的有益动物模型〔40〕。另外，SAMP1主要特征为免疫功能低下，SAMP2为肺部病理改变为主，SAMP3为变形性骨关节疾病，SAMP6为骨质疏松，SAMP9为白内障，SAMP11的老化过程更为迅速，病理学改变主要为β-淀粉样蛋白(β-AP)生成和肾萎缩〔41〕。因此研究工作者可以根据不同的研究需要而选择不同的亚系。

5 蜜蜂衰老模型

2002年，Omholt等以蜜蜂作为研究对象，发现卵黄脂蛋白作为储备蛋白，似乎对蜜蜂的寿命具有一定影响，并且占据重要角色〔42〕。苗明三等根据蜜蜂生活过程中所遭受的不良环境进行模拟建立模型，结果表明蜜蜂在35℃的恒温干燥箱中，开风机产生噪音(75 dB)，缺氧(5 ml小瓶，密封)4 h，可成功造成蜜蜂衰老模型。该模型是通过应激激发其自身的衰老程序，从而得到更接近于临床上的衰老现象〔43〕。

苗明三等在建模基础上进行实验，发现蜂病康合剂可以通过升高总SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的含量来延缓此造模过程中蜜蜂的衰老〔44〕。另有文献报道，蜜蜂具有惊人的学习、记忆、导航能力，这为相关的神经生物学领域提供了良好的模型。此外，蜜蜂的免疫系统和长寿机制研究也将为人类疾病的研究提供新的模型〔45〕。

6 其他衰老模型

6.1 其他方法建立的衰老模型 李云等采用γ-射线辐射SD大鼠(γ-射线吸收量为3.0 Gy)，连续辐射5 d，成功建立衰老动物模型〔46〕。李春海等比较了口服和皮下注射D-半乳糖两种不同的给药途径(口服剂量是皮下注射的十倍剂量)致动物衰老的效应，结果发现口服途径亦能产生拟衰老效应，但某些生化指标检测不及皮下注射给药途径显著，由此推断出口服剂量还应进行进一步的探索〔47〕。崔美芝等比较了胸腺摘除法、D-半乳糖注射法和臭氧(O3)损伤法三种常用的建立大鼠衰老动物模型方法，并以自然衰老模型作为对照，结果显示三种造模方法均确实可行。但各有利弊:其中O3损伤法操作简便，奏效快，但要经常测量O3柜内的O3浓度，D-半乳糖法所需时间较长，必须每日注射。胸腺摘除法具有一定的危险，所需时间最长。自然衰老模型在生理衰老过程中最符合人类衰老的特点，但存在饲养时间过长、个体差异较大，干扰因素较多等弊端〔48〕。

6.2 其他动物衰老模型及应用 王亚芳等对沙鼠皮肤、组织中的酶类等进行检测，结果显示具有独特生理特点的沙鼠可以作为研究抗衰老药物相关的实验动物模型〔49〕。Cotman等以比格犬为动物模型，研究与衰老相关的疾病〔50〕。以野生型秀丽隐杆线虫Bristol(N2)作为衰老动物模型，蔡外娇等发现淫羊藿总黄酮在延缓线虫衰老的同时并不损害生殖能力，并且还能显著提高线虫在急性热应激下的应急能力〔51〕。Mouton发现扁形虫Macrostomum lignano可以作为新的衰老模型〔52〕。

7 结论

从哺乳类动物小鼠到无脊椎动物果蝇，再到目前研究中炙手火热的水生鱼类-斑马鱼，衰老动物模型的研究主体一直处于不断更新中。与此同时衰老机制的研究也在随着科技的不断发展而逐渐完善。获得2009年诺贝尔生理学或医学奖的三位美国科学家在研究中发现，端粒长度和端粒酶活性与细胞的寿命以及很多疾病发生有关。这一发现为进一步了解衰老的分子机制，提供了重要的线索〔53〕。然而想要建立既具有可重复性并能够反映出不同物种衰老时生物功能的变化，又能够准确的确定出实验动物存活期的理想动物模型〔54〕已经变得遥不可及。同样在衰老机制不断更新完善的基础上也会有更多的模式生物被开发、应用于衰老动物模型的研究。笔者认为，在科学研究中应当明确研究目的，从实际问题出发选择合适的衰老动物模型，充分利用各个模型的优势，达到最佳效果。

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