衰老相关动物模型研究进展

人口老龄化是本世纪最艰巨的全球问题之一,据报道在人口总数达到21亿时,每3个人中就有1个老年人[1]。衰老是身体器官功能的衰退老化,是全身性进行性的退化过程。目前衰老相关的疾病，如心血管疾病、肿瘤以及一些神经退行性病变等呈明显增多趋势[2]。因此衰老相关研究逐渐得到重视,尤其是利用衰老相关动物模型进行衰老机制及衰老相关疾病的研究明显增多。

1 自发性衰老动物模型

1.1 自然衰老动物模型 自然衰老动物模型是现在最接近人类衰老特点的动物模型,制备方法是将动物饲养在实验室,经正常培育生长至所需的年龄[3],已作为衰老相关动物模型应用于许多实验中。目前自然衰老动物模型以哺乳动物为主,其中最常用的是鼠类,其优势在于价格低廉且饲养周期较短。常用于衰老实验的动物年龄:小鼠12～24月龄为老年期,大鼠16～24月龄为衰老早期,30～32月龄为衰老晚期。自然衰老小鼠模型在多个方面与人类衰老相似程度高,包括随着年龄增长而变化的生化指标、应激能力、学习记忆能力、免疫功能以及组织器官的衰老退化等。自然衰老动物模型因其上述优势广泛应用于衰老及衰老相关疾病的研究之中。Baluchnejadmojarad等[4]利用自然衰老大鼠证明Klotho蛋白可以减轻6-羟基多巴胺产生的旋转行为,并通过改善脑胶质细胞的衰老变化、修复DNA断裂和改进氧化应激来提高大鼠行为及记忆能力,为Klotho基因和蛋白在帕金森病等衰老相关疾病中的应用提供了理论依据。在帕金森病的发病机制及预防治疗研究中,自然衰老动物模型也有着特殊的优势[5]。Sumbria等[6]利用自然衰老小鼠模型研究衰老过程中微血管出血(cerebral microbleeds,CMB)与衰老的关系及影响衰老的作用机制,并探讨了CMB与多种衰老相关疾病发生发展的内在关系。自然衰老动物模型能更好地模拟人类对于压力致衰老的情况及相应的抗压治疗[7]。在研究脑卒中时,自然衰老模型能更全面、多角度地分析其发病机制及并发症的发生发展[8]。但自然衰老动物模型也存在着相应的一些缺点,如没有统一的饲养来源、衰老个体获取难度大、死亡率高等,所以在衰老及衰老相关疾病的研究中还需要建立其他衰老相关动物模型。

1.2 快速老化小鼠(SAM)模型 SAM是一种常用的衰老相关动物模型,其中快速老化亚系 (senescence accelerated mouse/prone,SAMP)小鼠在免疫功能降低、记忆衰退、心血管异常及白内障等人类衰老相关疾病的病理改变上与人类相似,有12种具有不同病理改变的亚系。通过SAM不同亚系的病理改变特点,可以更好地建立衰老相关动物模型来研究不同的疾病。利用SAMP8小鼠可证明抗衰老相关的Klotho基因可以延缓细胞的衰老和改进机体的氧化应激,从而改善其记忆能力[9]。SAM模型的缺点是价格昂贵、来源不足。

1.3 果蝇衰老模型 果蝇作为动物模型已完成全基因组序列分析[10],这使得其通过遗传学作为衰老相关动物模型被广泛应用于探究衰老及衰老相关疾病的过程及机制。我们可以通过改变特定的基因来观察及分析果蝇体内的生理学功能及疾病的病理过程。果蝇Zeste基因增强子人类同源物2(EZH2)是果蝇的人类同源基因,参与细胞分化,与多种肿瘤的发生及转移密切相关,在肿瘤细胞中阳性表达[11-12],为多种肿瘤疾病的机制及预防研究提供了实验模型及理论依据。当哺乳动物的1个基因需要多个拷贝时,在果蝇身上仅需1个拷贝,这就是基因的保守性,基因的保守性也是果蝇作为衰老相关动物模型的明显优势,可以为衰老相关疾病的靶向药物初步筛选提供理论依据。

1.4 其他自发性衰老模型 近年来,线虫因其易饲养、生命周期短、与人类同源基因多等优点,被广泛应用于衰老及衰老相关疾病的研究中,同时也在药理学、遗传学[13-15]及神经生物学[16]等方面拥有突出表现。肠道菌群的失调与许多衰老相关疾病的发生密切相关,例如帕金森病、老年痴呆等神经退行性疾病[17-18],而秀丽线虫是研究肠道微生物与宿主之间的关系及宿主衰老机制的良好动物模型[19]。秀丽线虫的多巴胺(dopamine,DA)神经末梢和突出囊泡内的DA水平与哺乳动物的神经细胞相似[20],是帕金森病的良好动物模型,通过改变线虫的基因,可以更好地研究各个基因在神经退行性疾病中的生理病理作用。利用秀丽线虫在衰老及抗衰老研究中取得的成功,让我们对于认识调控衰老及延缓衰老的分子机制有了质的提高。犬类、灵长类等接近于人类的哺乳类动物模型,在建立衰老相关模型时能更全面的与人类的器官衰退情况相比较,其缺点是培养费用高、时间长。

2 诱发性衰老动物模型

2.1 D-半乳糖(D-Galactose)衰老动物模型 目前认为皮下或腹腔给药D-半乳糖致实验动物衰老的机制是机体半乳糖醇大量累积导致代谢紊乱、细胞肿胀并且伴自由基大量产生,诱导细胞凋亡,引发机体多器官功能衰退[21-22]。这一过程与自然衰老动物模型的病理过程较为相似,且造模时间短、结果稳定。D-半乳糖衰老动物模型的血液生化指标如:超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)、单胺氧化酶B(monoamine oxidase B,MAO-B)等能较好地模拟在自然状态下的机体衰老,胸腺指数等免疫学指标和行为、记忆等方面都与自然衰老相似。Kaviani等[23]认为D-半乳糖衰老动物模型在研究二甲双胍对机体的保护机制时,可以排除自然衰老模型如糖尿病、恶性肿瘤等合并症的干扰。有研究利用D-半乳糖衰老动物模型证明了茶氨酸能有效对抗衰老机体的行为及记忆能力的衰退[24]。Ni等[25]利用D-半乳糖小鼠模型的病理改变证明虾青素(astaxantin)可逆转D-半乳糖小鼠的肝脏重量下降及降低D-半乳糖所致的衰老相关基因表达。D-半乳糖衰老动物模型在用于特定衰老相关疾病的治疗及抗衰老研究中是有优势的,但因其仅能制备亚急性衰老动物模型,所以用于研究衰老机制时不及自然衰老动物模型效果好。

2.2β-淀粉样蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)衰老动物模型 Aβ是阿尔茨海默病(AD)病人大脑中特有的一种具有神经毒性的蛋白,由β淀粉样前体蛋白(β-amyloid precursor protein,APP)水解而来,是大脑皮质老年斑的主要成分,可引起神经衰老及死亡,与AD的发生发展密切相关。在D-半乳糖衰老动物模型双侧海马内定向注射Aβ可引起模型动物活动及记忆能力下降,神经细胞核固缩、核膜损伤等。所以β-淀粉样蛋白衰老动物模型可以应用于AD的病理机制及疾病预防治疗的研究中。Pan等[26]利用β-淀粉样蛋白衰老动物模型证明蜂王浆能提高AD神经元的代谢活性。

2.3 氯化铝衰老动物模型 除了Aβ衰老动物模型外,氯化铝衰老动物模型也是公认的AD常用动物模型,例如氯化铝致大鼠急性衰老模型。氯化铝是脑细胞的损害因子,可使大脑产生大量淀粉样蛋白,促使氧自由基产生,造成神经系统的损伤。

2.4 自由基损伤衰老动物模型

2.4.1 臭氧损伤:臭氧是一种强氧化剂,在常温下在机体内产生自由基,使生物膜损伤,造成细胞变性死亡,从而引发机体多器官功能衰退。通过臭氧的吸入建立的自由基损伤衰老动物模型与自然衰老动物模型在行为形态及与衰老相关的生化指标、免疫系统病变等方面都有很高的相似度。这种模型的建立操作简单,无需过多人力且成功率较高。

2.4.2γ射线辐射:γ射线辐射会使动物模型产生大量自由基,破坏体内生物膜,且对血液系统有很大影响,加速机体衰老。利用连续γ射线辐射5 d就能快速有效地建立衰老动物模型,操作简单,但γ射线对人体有很大的危害,操作有风险性,射线辐射自由基损伤衰老动物模型多用于衰老相关血液系统疾病的研究。

2.5 胸腺摘除致衰老动物模型 免疫系统的退化与衰老的进程有着不可分割的联系,在衰老与抗衰老的研究中发现,胸腺摘除致免疫系统低下,可加速机体衰老的进展。胸腺摘除致衰老动物模型模拟了人体免疫系统衰退后身体各个组织器官的功能变化,包括血清SOD活性及MDA含量降低,机体御寒、抗应激能力下降等。胸腺摘除易致实验动物死亡率高,但优点在于无需过多人力物力,且技术成熟后成功率高。

2.6 转基因衰老动物模型

2.6.1 APP转基因小鼠模型:APP基因突变会使动物模型大脑内Aβ沉积,导致神经元衰老死亡。将APP基因导入小鼠受精卵中,在转基因小鼠脑中表达,可作为衰老相关动物模型研究AD病人体内Aβ沉积的病理作用。

2.6.2 基因敲除小鼠:通过敲除小鼠的特定基因,饲养繁殖后鉴定后代基因,选其拥有研究者想要的相应基因的动物模型,例如CRH 敲除小鼠在饮食限制(Caloric restriction,CR)研究中未显示出血浆皮质甾酮的水平增加,可作为衰老相关动物模型研究在衰老过程中糖皮质激素的作用。Mn-SOD活性下降的SOD2 基因敲除小鼠,为衰老过程的研究提供理论依据。特别是肿瘤相关基因敲除的衰老动物模型,对于肿瘤疾病的发生、发展、机制甚至靶向治疗的研究都有着很好的应用前景,是现在衰老和肿瘤关系研究的主要动物模型。

综上所述,衰老相关动物模型种类较多,目前尚无完美的模型来模拟人体衰老的病理变化。现阶段要根据实验目的及实验方法,选择合适的更接近于目标的衰老相关动物模型,更好地探究衰老及衰老相关疾病的机制及疾病的预防和治疗。