6-羟基多巴胺(6-OHDA)模型已被使用数十年,以促进对帕金森病的理解。在本方案中,我们演示如何通过在内侧前脑束注射6-OHDA,在大鼠中建立单侧黑质纹状体损伤,评估运动功能缺陷,并利用步态测试预测损伤程度。
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6-羟基多巴胺(6-OHDA)模型已被使用数十年,以促进对帕金森病的理解。在本方案中,我们演示如何通过在内侧前脑束注射6-OHDA,在大鼠中建立单侧黑质纹状体损伤,评估运动功能缺陷,并利用步态测试预测损伤程度。
帕金森病(PD)的运动症状——运动迟缓、运动减少和静止性震颤——是由于黑质致密部(SNc)多巴胺能神经元发生神经退行性变以及纹状体多巴胺缺乏所致。动物模型已被广泛用于在实验室中模拟人类病理过程。啮齿类动物是研究帕金森病最常用的动物模型,因其易于操作和饲养。此外,帕金森病在啮齿类动物与人类中的解剖结构以及分子、细胞和药理学机制具有相似性。将神经毒素6-羟基多巴胺(6-OHDA)注入大鼠内侧前脑束(MFB),可导致多巴胺能神经元严重破坏,并模拟帕金森病的症状。本实验方案演示了如何在帕金森病大鼠模型中进行MFB单侧微量注射6-OHDA,并通过步态测试展示6-OHDA诱导的运动功能障碍及预测的多巴胺能损伤。6-OHDA会导致对侧前肢行走步数显著减少。
帕金森病(PD)的主要神经病理学特征是黑质致密部(SNc)多巴胺能神经元的慢性进行性变性,以及含有α-突触核蛋白的路易小体的存在1。由于SNc的多巴胺能神经元通过黑质纹状体通路将其轴突投射至纹状体,SNc神经元的变性导致纹状体中多巴胺能功能缺陷2。纹状体中多巴胺的缺失引起直接和间接运动控制通路活动的失衡,这是PD主要运动症状的原因:运动减少(动作缓慢)、运动迟缓(启动运动困难)、肌肉僵硬以及静止性震颤3,4,5。
由于帕金森病(PD)发病所涉及的分子和生理机制尚未完全阐明,目前主要的治疗方法旨在通过药物治疗、深部脑刺激6,7、基因治疗8和细胞移植9来缓解运动症状。因此,临床前研究对于阐明PD发病机制、发现早期诊断的新方法以及开发能够预防或阻止受累神经元退变的新疗法至关重要10。
动物模型已广泛用于在实验室中模拟人类病理过程,推动了医学和科学的进步11,12,13,14。然而,必须强调的是,正确选择动物模型是研究成功的关键。因此,动物模型需在以下三个主要方面进行验证:i)表面效度,即动物模型应具备人类病理的特征;ii)结构效度,即动物模型应具有坚实的理论基础;iii)预测效度,即动物模型对治疗的反应应与临床治疗反应相似。
目前,多种动物被用作帕金森病(PD)的动物模型。主要类别包括哺乳动物,如啮齿类、灵长类、小型猪、犬和猫,以及其他类群,比如果蝇和斑马鱼。其中,啮齿类动物是最经典且使用最广泛的帕金森病动物模型,因其易于操作和饲养。此外,帕金森病在啮齿类动物与人类中的解剖结构以及分子、细胞和药理学机制具有相似性15。
Kin 及其同事在 2019 年发表的一篇综述分析了 2000 年代用于帕金森病(PD)研究的主要动物模型方法,发现最常用的动物模型是使用神经毒素,例如 6-羟基多巴胺(6-OHDA)和 1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)。这两种神经毒素均可导致黑质纹状体通路中多巴胺能神经元的线粒体功能失调,进而引发细胞死亡16。另一种广泛使用的模型是通过对与帕金森病发病相关的特定基因进行遗传操作引入突变,从而引起线粒体功能障碍17。神经毒素模型通常用于评估和比较治疗手段,而基因模型则用于研究预防性疗法以及特发性帕金森病的发展机制15。
神经毒素MPTP在20世纪80年代中期被发现可导致帕金森综合征,当时有七名患者使用该物质后出现了严重的帕金森病(PD)症状。除了表现出症状外,这些患者对L-DOPA治疗有反应,这使得研究人员将该分子直接与帕金森病联系起来。1986年该病例发表后,多名研究人员开始在帕金森病的临床前研究中使用MPTP18。研究人员发现,由于MPTP是一种脂溶性分子,它能够穿过血脑屏障(BBB),并被转化为MPP+19。这种有毒物质在神经元内积聚,并损害线粒体呼吸链复合体1,导致多巴胺能神经元死亡20。
6-羟基多巴胺(6-OHDA)神经毒素模型最早于1968年被用于诱导黑质纹状体通路中单胺能神经元的变性21。由于6-OHDA是一种多巴胺类似物,对含儿茶酚胺的细胞具有毒性,因此该模型常用于引起黑质纹状体通路的神经变性。6-OHDA进入大脑后,可被多巴胺能神经元中的多巴胺转运体(DAT)摄取,从而导致黑质纹状体通路的变性22。由于6-OHDA无法穿透血脑屏障(BBB),必须通过颅内立体定位注射直接给药23。通常将去甲肾上腺素再摄取抑制剂与6-OHDA微量注射联合使用,以保护去甲肾上腺素能纤维,实现多巴胺能神经元更特异性的变性24。
DAT 摄取 6-OHDA 后,其会在神经元的胞质中积聚,产生活性氧(ROS),并导致细胞死亡15。目前常用的 6-OHDA 损伤模型有三种:i) 黑质致密部(SNc)损伤25,26;ii) 纹状体损伤27,28;iii) 内侧前脑束(MFB)损伤29,30。在纹状体内造成的损伤会导致黑质纹状体多巴胺能神经元发生缓慢且逆行性的退变。相比之下,在 SNpc 和 MFB 造成的损伤则会引起神经元快速而完全的退变,从而导致更严重的帕金森病样症状31。
单侧或双侧注射6-OHDA可导致多巴胺能神经元发生神经退行性变。6-OHDA并不总是对神经元造成严重损伤;有时注射仅引起部分损伤,这也被用于模拟帕金森病(PD)的早期阶段32。由于单侧注射模型可通过安非他明/阿扑吗啡诱导的旋转实验和步态实验等方法评估动物的运动功能缺陷并预测细胞丢失,因此更为常用29。双侧注射则主要用于评估空间记忆与识别能力33。
安非他明/阿扑吗啡诱导的旋转测试是一种常用于预测黑质纹状体通路细胞丢失的行为学测试。该测试的定义是:在6-OHDA损毁动物中,反复给予多巴胺受体激动剂会导致旋转行为加剧34。旋转行为包括定量测定单侧损毁啮齿类动物由安非他明诱导的同侧旋转或阿扑吗啡诱导的对侧旋转。由于旋转行为并不能对应人类帕金森病(PD)的症状,且可能受到耐受性、敏感化以及"启动"等因素的影响,药物诱导的旋转行为测试曾受到批评35。
启动是这些行为学测试中最关键的因素之一。已有报道称,单次给予L-DOPA可能导致旋转行为测试失败36。此外,安非他明诱导测试与阿扑吗啡诱导测试联合平行应用时,另一个关键因素在于,由于两者作用机制不同,所检测的终点指标也不同,因而反映了不同信号通路和机制的失活状态。进一步而言,安非他明诱导测试对黑质纹状体损伤程度超过50-60%的情况测量更为准确,而阿扑吗啡诱导测试则对损伤程度超过80%的情况更为准确37。
步态测试已作为一种行为学检测方法被广泛采用,能够反映多巴胺能神经元变性相关的功能缺陷及治疗效果。该方法可在无需药物诱导的条件下,用于分析由6-OHDA损伤多巴胺能神经元所导致的运动不能。此外,该测试自1995年由Olsson等人首次描述以来35,已被充分建立并广泛应用。1999年,Chang等人38进一步分析并比较了大鼠在步态测试中的表现与6-OHDA所致神经元变性程度之间的关系,发现步态测试表现较差的动物其多巴胺能神经元的变性程度也更为显著。
步态测试是预测6-OHDA损毁大鼠黑质纹状体多巴胺能神经严重损伤的优良方法。有证据表明,当黑质致密部(SNc)多巴胺能神经元损失程度>90%时,在步态测试中可观察到6-OHDA注射对侧前肢出现运动功能缺陷39。本文描述了在大鼠中脑内侧前脑束(MFB)单侧注射6-OHDA所用的立体定位手术方案、方法和材料,以及如何通过步态测试预测毒素所致的多巴胺能损伤。
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所有涉及动物的实验程序均遵循国家动物实验控制委员会(CONCEA)的伦理原则和Arouca法案(第11.794/2008号法律),并经当地伦理委员会(CEUA-FFCLRP/USP(18.5.35.59.5))批准。
1. 药物的制备
2. 材料准备
注意:操作化学品时,务必遵循材料安全数据表中提供的说明。
3. 手术步骤
注意:本实验所用成年雄性 Sprague-Dawley 大鼠(200–250 g)饲养于温度可控的环境中(22 ± 2 °C),通风条件为每小时换气 15–20 次,光照-黑暗周期为 12 小时光照/12 小时黑暗,每笼饲养 3 或 4 只动物,可自由获取食物和水。
4. 术后操作
5. 步行测试
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多巴胺能损伤评估
步进测试可用于评估损伤对侧前肢的运动减少症,并筛选出可能因6-OHDA灌注导致黑质纹状体通路损伤的动物图1). 对术前及术后2周和4周对侧前肢步态测试表现的比较显示存在交互作用(F2,74 = 93.63;p < 0.0001;时间(术前、术后2周和4周)与处理方式(假手术组和6-OHDA损毁组)之间的双向重复测量方差分析。Bonferroni法 事后 检测显示,与假手术组动物相比,右侧内侧前脑束注射6-OHDA的动物在术后第二周和第四周时,病变对侧步数显著减少(p < 0.05)。 < 0.0001) (图1。结果与以往研究的结果一致35.
需要注意的是,当多巴胺能损伤不完全时,步态测试的结果将无法达到本研究中所展示结果的成功程度。先前已发表的一项研究对动物进行6-OHDA微量注射手术后造成部分多巴胺能损...
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本文介绍了一种在内侧前脑束(MFB)中进行单侧微量注射6-OHDA以实施手术的实验方案,该方法可有效损毁黑质纹状体通路中的神经元,并在动物体内诱导运动不能(akinesia)。同时描述了步态测试(stepping test)的操作流程,该测试简便易行、无创,可用于验证损毁效果并评估动物前肢的运动不能情况。如代表性结果所示,接受6-OHDA注射的动物在损伤对侧的调节步数显著减少,表明在注射手术两周后,6-OHDA损伤动物已表现出明显的运动不能。运动不能作为帕金森病(PD)多种治疗手段的主要靶点,是该病的主要运动症状之一。在动物模型中成功诱导运动不能对于帕金森病的临床前研究具有重要意义。此外,本实验结果与Chang等37报道的结果相似,后者通过免疫组织化学证实,调节步数较少的动物其多巴胺能神经元死亡比例更高。因此,对侧调节步数减少的动物更可能存在多巴胺能神经损伤。
手术成功与否及病灶情况还可通过其他行为学测试进行验证,例如安非他明/阿扑吗啡诱导的旋转实验43、抬高体位摆动测试(EBST)、走...
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作者声明无利益冲突。
本工作由圣保罗研究基金会(FAPESP,资助号 2017/00003-0)资助。感谢高等教育人员提升协调办公室(CAPES)的支持。感谢 Anthony R. West 博士、Heinz Steiner 博士和 Kuei Y. Tseng 博士提供的支持与指导。
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| 70% 乙醇 | |||
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