很少有疾病能比阿尔茨海默病（AD）更能引起人们的恐惧和无奈。在过去的一个多世纪，研究人员已经开展了400多项AD药物临床试验，但迄今为止尚无一个治本（阻止疾病进程）的药物可用。究其原因，已有的动物模型不能完全模拟人类患者的真实情况，导致很多候选药物在动物模型中有效，却在临床试验中折沙沉戟。建立能够全面反映人类阿尔茨海默病病理表型和疾病机制的动物模型，一直是这一领域机制研究和药物开发亟需解决的一大难题。

近日，由著名神经科学家、清华大学药学院鲁白教授领导的团队，在该领域实现了重大突破，成功开发了能够全面模拟阿尔茨海默病的基因敲入大鼠模型。

在这项研究中，为避免常规转基因技术不可避免的缺陷，例如基因插入位置错误、表达过量、基因表达分布错误等问题，鲁白教授团队采用了CRISPR/Cas9基因敲入技术，最终在大鼠体内实现了人源App基因的替换。

作为淀粉样蛋白（Aβ）的前体，App的一些突变会大大加速Aβ沉淀，成为阿尔茨海默病患者大脑中的主要病理表现。为模拟人类患者，研究人员在大鼠中实现人源App基因的替换的同时，使其携带了三个人类家族突变，即AppNL-G-F。据该论文的第一作者逄克亮博士介绍，他们为此在200多个App突变敲入大鼠系中进行了筛选，最终筛到了一个准确的AppNL-G-F敲入大鼠。

▲构建大鼠模型示意图:采用了CRISPR/Cas9基因敲入技术，在大鼠体内实现了人源App基因的替换，同时携带了Swedish, Beyreuther/Iberian和Arctic三个人类家族突变（图片来源：参考资料[1]）

研究人员对该AppNL-G-F大鼠中App蛋白和多个酶切片段进行了详细分析，证实该模型避免了以往转基因模型中普遍存在的多种缺陷，不改变App蛋白及其片段在脑内的时间和空间的表达水平。系统的病理学，细胞生物学和行为学研究表明，该模型与现有其他阿尔茨海默病动物模型相比，显示出与人类患者更相似的病理和疾病进展。

文章显示，该大鼠模型在二月龄便显现出Aβ的沉积，并随着年龄呈现出多脑区的分布，呈现出非常类似于人类患者大脑中Aβ病理的进行性扩展。

在人类患者大脑中，除了Aβ病理沉积，还有异常高的磷酸化tau蛋白以低聚物纤维形式存在，形成AD的第二个病理特征：神经纤维缠绕。研究团队用4种方法证明，该大鼠模型大脑有类似于人类的高磷酸化的tau，以及病理性tau蛋白聚合物。研究人员指出，一般在动物模型中很难观察到Aβ和tau两种病理同时存在，新模型的结果揭示了Aβ病理和tau病理的潜在关系，为Aβ致病假说提供了强有力的证据，也为继续深入研究其中的机制提供了方向。

人类患者大脑的第三个显著变化是神经细胞的进行性死亡和大脑萎缩（表现为脑室扩张），这也成为临床上用磁共振（MRI）进行诊断的主要指征。对AppNL-G-F大鼠的系统研究让科学家首次在人类以外的动物模型中观察到脑室的扩张。研究人员指出，这意味着AppNL-G-F大鼠可以为研究阿尔茨海默病过程中神经元死亡的问题提供工具。

▲该AD大鼠模型表现出脑室扩张（图片来源：参考资料[1]）

值得一提的是，2014年日本科学家西道隆臣（Takaomi Saido）博士研究组用几乎完全相同的策略，制作了基因敲入型AppNL-G-F小鼠模型。通过与AppNL-G-F小鼠的头对头比较研究，鲁白教授团队指出，从神经细胞的持续性死亡及其导致的脑萎缩，以及阿尔茨海默病的另一个关键特征tau蛋白病理等方面来看，AppNL-G-F大鼠是更接近人类阿尔茨海默病的动物模型。

此外，研究人员发现在AppNL-G-F大鼠脑中胶质细胞的显著活化。在海马和大脑皮层，小胶质细胞和星形胶质细胞随年龄增长而大量增生。尤为重要的是，小胶质细胞和星形胶质细胞在Aβ斑块周围聚集，这反映了与患者大脑类似，AppNL-G-F大鼠脑中也有显著的神经炎症。

毒素（Aβ和tau）沉积和神经炎症会造成突触的损伤乃至丢失。突触损伤也被普遍认为从病理生理到认知障碍的关键改变点，是与认知状态相关的最具有预测性的病理特征。鲁白团队综合使用生化、免疫组化和三维电镜等技术证明，该大鼠模型大脑有类似AD患者的突触损伤和脑区特征。鲁白教授早在2013年提出了针对神经退行性疾病突触修复和再生的治疗方法，随着越来越多的研究，被科学术界和工业界所公认。该AppNL-G-F大鼠动物模型的建立，将成为验证基于突触修复的新型治疗策略的有效工具。

最后，多种行为实验范式显示，该模型大鼠全方位地出现了空间记忆障碍、工作记忆障碍等人类患者常见的行为表现。尤为重要的是，研究人员用一种精巧的更接近于人类行为的触屏技术，证明AppNL-G-F大鼠具有明显的情景记忆障碍。情景记忆的缺失是AD患者最早也是最为常见的行为表现，但在小鼠模型中应用触屏技术却很难。因此，该研究结果也展示了大鼠模型的另一优越性。

注：原文有删减

参考资料：

[1] Keliang Pang et al., (2021) An App knock-in rat model for Alzheimer’s disease exhibiting Aβ and tau pathologies, neuronal death and cognitive impairments. Cell Reports. Doi: https://doi.org/10.1038/s41422-021-00582-x

[2] Saito T, Matsuba Y, Mihira N, Takano J, Nilsson P, Itohara S, Iwata N, Saido TC. Single App knock-in mouse models of Alzheimer's disease. Nat Neurosci. Doi: 10.1038/nn.3697