动物模型在精神分裂症研究中的应用与进展

王晓良 崔东红 粟幼嵩

上海交通大学医学院附属精神卫生中心，上海 200030

精神分裂症是一种非常严重的慢性精神疾病，具有感知、思维、情感、行为等多方面异常的障碍，以精神活动与环境之间不协调为特征，在人群中具有很高的发生率，大约为1%。由于神经病理学知识上的缺乏及伦理道德等因素的影响，到现在为止人们对其还没有完全了解。随着动物模型在该领域的兴起与发展，对这种疾病的认识开始有了长足的进步。本文从神经发育模型、药理模型、转基因模型及基因环境交互作用模型多方面来综述动物模型在精神分裂症研究中的应用与进展。

1 神经发育模型

1.1 对新生动物的脑部损伤

这类模型主要是用一系列方法损毁新生鼠、猴某些特殊脑区，如前额皮质、海马、杏仁核。因这些脑区在大脑认知、情感中起重要作用，所以对这些区域的破坏在某种程度上模拟了精神分裂症的表现。早期研究最多的是新生大鼠腹侧海马损伤模型，破坏了海马参与的广泛皮质和皮质下的神经环路而出现精神分裂症样表现，目前这种模型相当成熟。当前发展较快的为新生大鼠基底外侧杏仁核兴奋毒性损伤模型，这种模型大鼠的运动增多、听觉惊刺激的反应增加、惊跳反射刺激前脉冲抑制（PPI）缺陷及持续的潜伏抑制（LI）异常，空间学习能力和记忆等认知能力下降，表明在神经发育阶段杏仁核的损伤会导致精神分裂症的发生[1]。该模型的变化集中在杏仁核-前额皮质-伏隔核环路且与多巴胺能系统关系密切，对精神分裂症的研究有重要的意义。另外用神经生长因子（NGF）诱导的新生鼠前额皮质损伤动物模型与精神病患者的表现很类似，该模型的显著优点是它的症状可持续存在，便于稳定持续地观察[2]。因此这可作为一种研究精神分裂症的有效动物模型。

1.2 隔离饲养与母婴分养模型

隔离饲养是一种早期社会隔离手段，隔离饲养的鼠成年后出现PPI障碍，并有种系差异特异性。有研究显示，抗精神病药物雷氯必利可逆转PPI缺陷，分子生物学研究提示，PPI缺陷与大鼠前额皮质单胺类递质表达改变及GAT-1 表达及伏隔核的蛋白表达改变相关[3]。

母婴分离模型是精神分裂症神经发育理论最新发展的模型。母婴隔离引起子代对多巴胺兴奋剂的敏感性增强而对多巴胺拮抗剂的敏感性减弱，成年后出现一系列的类似于精神病的症状，如PPI混乱和潜伏抑制损害。母婴隔离模型假设认为，隔离刺激诱发肾上腺皮质酮水平升高而激发神经退行性改变。最近De等[4]的研究支持了这一假设，也支持了神经退化假说。

1.3 产科风险因素

近来，越来越多学者认为产科因素与精神分裂症发病有密切关系，提出母体免疫反应异常是精神分裂症发病的一个重要诱发因素。早期用于制作这种模型的病原包括人流感病毒、风疹、鼠弓形虫等。近来发展了一批新的模型，其中有代表性的包括细菌内毒素脂多糖（LPS）和用聚肌苷酸胞嘧啶核苷酸（PolyI：C）等诱发的模型。LPS诱发的动物模型在青春期出现PPI异常并持续到成年，且引起年龄相关的多巴胺能神经元功能活性及脑内突触素在前额表达的异常，这种具有年龄特征性的模型很好地模拟了精神分裂症在青春期发病的表现[5]。PolyI：C模型与LPS有相似的特性，成年小鼠双脑室增大，惊反应与惊适应、PPI等感觉运动门控异常，而晚期感染未见相同改变。这些变化表明母孕期感染是影响后代神经发育的潜在环境危险因素，增加精神发育障碍的风险[6]，但仍需进一步的研究来明确母孕期感染影响后代大脑发育的机制。也有学者认为产科并发症如缺血缺氧损伤、胎儿生长发育异常、分娩综合征等与精神分裂症有关。Schmitt等[7]将出生后 4～8 d 的大鼠轻度缺氧（11%O2，89%N2），每天 6 h，建立缺氧动物模型，发现该模型出现直立活动增加、刻板行为，同时也发现前扣带回皮层、前额皮层、边缘皮层等N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体结合力显著改变等一系列与精神分裂症患者相似的异常行为，提示其是一个可靠的精神分裂症动物模型。

1.4 神经元发育异常

对精神分裂症患者的尸检研究发现，皮质神经元结构的异常可能源于发育的异常。这些发现引导人们对这种神经元发育异常动物模型的研究，目前研究主要认为是神经元在发育过程中正常的神经迁移、定位、突触形成、神经元之间的相互连接及神经发生恰当的时间点异常。常用的诱导模型方法包括：在动物不同的妊娠期间接受X线照射；子宫内暴露于各种病毒、毒素来干扰神经元正常的生长与分化；全身给予一氧化氮合酶抑制剂来干扰神经元发生和正常突触连接的形成；宫内胚胎脑内直接注射危害胚胎生长的药物等。最近有许多研究者将神经发育方面的研究集中在对嗅上皮神经元的研究上，调查发现有80%的精神分裂症患者有气味辨别缺陷，且这种表现不受性别影响，可以作为精神分裂症的一个内表型研究[8]。临床上也发现精神分裂症患者有嗅上皮和嗅觉受体神经元的异常，电生理与脑影像的发现认为颞叶、前额叶和嗅球可能参加这个过程[8]。因此发展这种动物模型在精神分裂症的研究中有潜在的意义。

1.5 其他神经发育模型

根据流行病学的报道，发育阶段的其他因素如营养不良、维生素D缺乏、亲代高育龄等与精神分裂症的发病相关。用剥夺孕鼠孕期蛋白质的动物模型发现其后代对安非他明的敏感性增强而不影响对氟哌啶醇及地卓西平（MK-801）的敏感性，同时发现这种现象有性别差异，这些表现仅出现在雌性后代中，青春期后有认知功能低下、运动增多及刻板行为等异常[9]。这种动物模型模拟了精神分裂症的某些特征，可以进行一些精神分裂症的神经发育病理及药物敏感性方面的研究。流行病学调查显示，维生素D缺乏与精神分裂症的发生有一定的关系。孕鼠维生素D缺乏其子代出现大脑体积大小、形态及一些其他内部结构的改变，包括脑室扩大及新皮层变薄等。此外，亲代高育龄其子代发生精神分裂症的风险比亲代正常育龄高[10]。因此研究这种模型有一定的意义。

2 药理模型

对精神分裂症的病理生理学和药理学的研究发现，许多药物与精神分裂症存在联系。因此，根据药物作用的原理发展了一系列药理模型。在众多的模型中，较主流的是多巴胺（DA）能系统、谷氨酸能系统和5-羟色氨（5-HT）能系统的研究，下面对这几种模型的应用及进展进行介绍：

2.1 多巴胺能系统模型

DA动物模型是最早用于精神疾病研究的模型，这种模型的建立主要来自药理学的发现。早期的DA模型主要集中在DA激动剂和拮抗剂引起行为改变，也是仅限于典型抗精神病药物反应的研究。DA模型伴随着人们对前脑DA系统的解剖结构和功能的进一步认识得到发展。目前，最新的DA假说从神经化学影像、基因及基因与环境相互作用方面来解释精神分裂症的发病机制。现在可以用放射性左旋多巴来检测纹状体前突触末端DA的合成、释放和功能状态，并证实了精神分裂症患者纹状体DA合成能力升高。随着人们对基因的深入研究也发现基因间接影响DA能系统的作用及DA与其他神经递质的相互作用。同时在基因-环境相互作用方向上的研究，发现一些环境因素加强了DA能系统的高活动状态[11]。因此，随着各种新方法技术的发展与应用，DA模型在精神分裂症中的研究有着越来越大的意义。对这种药理模型的多方向和多水平的系统综合研究可以阐明基因、基因环境相互作用如何影响DA通路的功能，并对研发直接影响前突触多巴胺功能的药物有重要意义。

2.2 谷氨酸能模型

由于DA功能异常不能完全解释精神分裂症的神经病理改变，因此，逐渐发展了谷氨酸能动物模型，并发现这种模型与经典的多巴胺能模型有不同的作用机制。目前的研究主要是全身给予啮齿动物NMDA受体拮抗剂，快速阻断受体功能而引起异常的行为，如活动增多、刻板行为、社会功能障碍等，用典型抗精神病药物只能改善部分症状并存在不一致性。目前这类模型包括急性、慢性NMDA受体模型，其中，急性NMDA阻断使得神经递质系统去抑制，而慢性NMDA拮抗引起大脑活性降低。

急性给予NMDA受体拮抗剂可引起大鼠和猴子前额区胞外谷氨酸、多巴胺、5-HT与乙酰胆碱水平上升，在抗NMDA条件下皮质神经元培养也发现谷氨酸脱羧酶GAD67 及小清蛋白阳性GABA能中间神经元的可逆性损伤[12]。氯胺酮会诱导腹侧纹状体与伏隔核钙结合蛋白激酶2的表达及黑质与内侧背盖多巴胺转运酶的表达[13]。这种急性NMDA受体阻断引起神经递质系统的显著改变，导致动物异常行为的发生，包括工作记忆能力的损害、PPI减弱、社会相互交往能力受损、活动增多、刻板行为，与精神分裂症患者的表现很类似。

慢性给予NMDA受体拮抗剂引起前额皮质谷氨酸盐水平下降，与急性给药的结果相反。该种动物模型的研究认为损害了认知与信息处理过程尤其是工作与注意缺陷，苯环己哌啶（PCP）可以增强应激与安非他明诱发活动增多的敏感性、社会行为损害和刻板行为[14]。慢性间歇性给予PCP引起前额皮质、丘脑及听觉系统糖利用减少，这与精神分裂症患者脑部糖代谢是一致的[14]。也有研究发现，慢性NMDA受体阻断引起GAD67 mRNA合成及小清蛋白阳性中间神经元减少，在精神分裂症患者的尸检中发现了相同的改变[15]。

谷氨酸能模型不管是从现象学还是从结构学上都表明它们是一种有效的精神分裂症模型，可用于预测抗精神病药物的潜在抗精神病特性，其中的认知障碍与注意缺陷可以用于抗精神病新药的研究及阐明目前抗精神病药物作用的机制。因此，这类模型在精神分裂症的研究及新药的研发中有非常重要的意义。

2.3 5-羟色胺能模型

在DA及谷氨酸能动物模型神经化学上的研究发现5-HT水平有偏离；患者尸检及脑脊液的研究也提示一部分精神分裂症患者有神经紧张素的改变，并且许多抗精神病药与5-羟色胺受体（5-HTR）有很强的结合力，因此，提出精神分裂症的发病可能与5-HT神经递质有关。对啮齿类动物中枢给予神经紧张素，可以使其产生给人应用抗精神病药相似的行为、生理生化的改变。基于增强神经紧张素的传递是抗精神病药物发挥作用的共同机制的认识，产生了神经紧张素的药理模型。

社会隔离饲养的大鼠给予5-HTR拮抗剂表现出很强的不可逆性的行为和神经化学改变，用5-HT3可以减轻PCP诱导的活动增多，这些改变与精神分裂症患者的表现很相似[16]。亚慢性给予5-HTR拮抗剂SB-399885-T可在较低的应激条件下诱导行为的异常。氨磺必利有抗精神病及抗抑郁的双重作用并与5-HTR有很强的结合力，用氨磺必利可以改善Wistar鼠的某些异常行为，并能对抗PCP诱导的PPI异常，却不影响安非他明诱导的PPI改变，在5-HT7R-/-鼠中也得到一致的结果[17]。表明5-HTR在精神分裂症中与谷氨酸能相互作用，5-HTR可能影响谷氨酸能受体功能。这些发现说明5-HT与精神分裂症的综合症状密切相关，因此应用5-HT模型为精神分裂症的治疗指出了一个合理且多元的方向。

3 转基因模型

精神分裂症是一种有高度遗传性的精神疾病，现代的基因敲除和转基因技术为建立新型的精神分裂症动物模型奠定了基础。初期的精神分裂症转基因动物模型主要集中在对不同神经递质的功能研究，应用基因技术选择性抑制或全面抑制这些受体的表达。这些模型通过抑制特定脑区的递质传递而表现出工作记忆损害、活动增多、刻板行为等与精神分裂症患者相似的表现。近年来，就基因产物在精神分裂症发病机制中的作用方面做了许多研究，相应地出现了各种研究精神分裂症机制的基因模型。现在的研究热点是儿茶酚邻位甲基转移酶基因（COMT）、神经调节蛋白基因1（neuregulin 1）和精神分裂症断裂基因1（DISC 1）的基因敲除鼠模型。COMT基因产物是一种酶，在前额皮质调节胞外DA水平起关键作用。COMT杂合子基因缺失可引起对新异环境中的探索功能与社会能力障碍，而敲除COMT基因可以增加空间学习与工作记忆能力[18]。Neuregulin 1 调节活化原癌基因ErbB4 受体的酪氨酸激酶及非酪氨酸激酶Fyn和PyK2F来调节NMDA受体的NR2B亚单位磷酸化，这种neuregulin 1 基因敲除鼠表现出与精神分裂症患者类似的行为及认知表现，并且用抗精神病药物可以逆转这种异常，因此是一种研究精神分裂症的发病机制及抗精神病药物作用机制的良好模型。DISC 1 基因敲除的动物模型研究发现该基因能活化磷酸二酯酶PDE4B，提示其在cAMP依赖信号通路中起作用[19-20]。因此，这种模型提示了PDE可能是精神分裂症治疗的一个非常重要的药物作用靶点。这些转基因模型的研究，可能会发现新的候选基因，同时可增加对环境影响因素的理解，也可能预测发病的时间和严重性，为将来的基因治疗打下了基础。

4 基因环境交互作用模型

基因、遗传因素在精神分裂症的发生发展中有较大作用，然而并不是所有的基因变异在人群中均会发生精神分裂症，而环境因素引起的病理、生理及最终结局均会增加精神分裂症的风险。因此，近年来，越来越多的研究开始探索基因与环境交互作用的精神分裂症动物模型。

DISC1 基因与环境交互作用的模型较为成熟可靠。Haque等[21]在慢性社会隔离及DISC 1 基因变异的小鼠模型中，发现这种动物模型出现听觉刺激的前脉冲抑制障碍以及空间记忆能力障碍。Desbonnet等[22]发现，在慢性社会应激及NRG 1 基因缺陷的小鼠模型表现出了探索、空间记忆能力障碍等，并发现该动物模型的脑源性营养因子BDNF在前额叶皮质的表达及细胞因子改变，这一系列的病理生理改变使得该动物在成年后发生精神分裂症的风险显著增加，该模型可能是今后研究精神分裂症病理生理的良好模型。Schmidt等[23]在神经发育过程中通过给予缺氧的状态以及精神分裂症的CNV候选基因共同作用，开发出了精神分裂症的神经发育模型。

总之，基因与环境交互作用的模型，在更大的程度上模拟了精神分裂症发生发展的病理生理状态。因此，该种模型是今后研究精神分裂症的非常有前景的动物模型。

5 总结

精神分裂症的发病是遗传、环境因素和社会因素复杂交互作用的结果，在人体中无法进行直接研究，动物模型弥补了这方面天然的研究缺陷，而且大量的研究证据表明，这些动物模型在提示精神分裂症的病理生理等方面确实起到了非常重要的作用。首先，神经发育学假说研究为精神分裂症的发病机制提供了大量的有关证据，相应的各种模型均表现了精神分裂症某些方面的特点，因此，可通该模型对精神分裂症发病机制深入研究，使将来预防控制精神分裂症的发生成为可能。其次，药理动物模型方面的研究，也是目前研究精神分裂症的一个非常重要的领域，这类模型突出的特点是影响了大脑内神经递质的功能，不同程度地模拟了精神分裂症信息处理能力等认知上的缺陷，并可以作为研究和开发新的抗精神病药及发展一些经典药物的新用途，从而更好地控制和治疗精神分裂症，因此，此方向的研究也是非常重要的。最后，转基因模型与基因环境交互作用模型的研究为精神分裂症发病机制的研究提供了更多方面的证据，这些模型是研究精神分裂症非常高效的模型，继续深入这些模型研究可以在基因分子水平来预测发生精神分裂症的风险并有可能在基因水平上有效治疗疾病。

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