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了解抑郁症病理生理学:动物模型的益处

2020年11月04日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:重度抑郁症(MDD)是一种潜在的威胁生命的精神疾病,在世界范围内造成严重的社会和经济负担。尽管存在有效的抗抑郁治疗策略,该病的确切病理生理学仍然是未知的。近年来,国内外已开发出大量的MDD动物模型,但都存在明显的缺陷。尽管这些模型存在局限性,但它们在学术研究和药物开发中得到了广泛的应用。本文旨在强调MDD动物模型的优点。尽管这些模型有明显的缺陷,但它们为理解促进MDD发展的细胞和分子机制提供了宝贵的帮助。此外,动物模型在研究中被用来寻找临床上有用的生物标志物。我们讨论了最近的神经影像和microRNA研究,因为这些研究为生物标记物提供了有希望的候选者。最后,我们简要总结了药物开发的最新进展,即FDA批准的两种新型抗抑郁药物:S-氯胺酮和布雷沙诺酮。更深入地了解这些速效药物抗抑郁作用的确切分子和细胞机制,有助于我们设计出具有类似疗效但副作用较少的化合物。动物研究可能会在这方面提供宝贵的帮助。

摘要:重度抑郁症(MDD)是一种潜在的威胁生命的精神疾病,在世界范围内造成严重的社会和经济负担。尽管存在有效的抗抑郁治疗策略,该病的确切病理生理学仍然是未知的。近年来,国内外已开发出大量的MDD动物模型,但都存在明显的缺陷。尽管这些模型存在局限性,但它们在学术研究和药物开发中得到了广泛的应用。本文旨在强调MDD动物模型的优点。尽管这些模型有明显的缺陷,但它们为理解促进MDD发展的细胞和分子机制提供了宝贵的帮助。此外,动物模型在研究中被用来寻找临床上有用的生物标志物。我们讨论了最近的神经影像和microRNA研究,因为这些研究为生物标记物提供了有希望的候选者。最后,我们简要总结了药物开发的最新进展,即FDA批准的两种新型抗抑郁药物:S-氯胺酮和布雷沙诺酮。更深入地了解这些速效药物抗抑郁作用的确切分子和细胞机制,有助于我们设计出具有类似疗效但副作用较少的化合物。动物研究可能会在这方面提供宝贵的帮助。

关键词:药物开发  重度抑郁症  Micro RNA  神经影像学  神经可塑性  精神压力

简介:理想情况下,有效的动物模型应至少满足三个标准,并具有表观,结构和预测有效性。 后来又增加了一个附加标准,即病因学上的相似性,即有效的模型应具有相似的诱导条件。简要总结这些标准:动物模型必须在几个方面与人类的情况相似,包括(1)行为表型和临床症状特征(表观有效性)之间的相似性,(2)通过临床有效的抗抑郁治疗改善或减轻,反之,对人类疾病的临床无效治疗没有改变(预测有效性),(3)已知对诱发人类疾病很重要的事件触发(病因学有效性),以及(4)类似的神经生物学基础(结构有效性)。当前可用的动物模型都不能满足所有这些标准,而只能满足某些方面。 使用最广泛的模型是基于基因操作,药物治疗或各种社会压力或环境压力。尽管存在局限性,但这些模型已广泛用于药物开发和学术研究中,以了解疾病的病理生理学。即使在这样一个新的,强大的方法可用的时代,例如人类诱导的多能干细胞(iPSC)技术,它们都是研究MDD的遗传和细胞机制的优秀模型系统,它们仍继续提供有价值的信息。最近的发现表明,慢性应激模型不仅可以复制抑郁症的行为和细胞方面,而且还可以与MDD共享共同的转录特征。MDD病理生理学的传统假设是“抑郁症的单胺理论”,该假设认为血清素能神经传递受到干扰是构成临床症状的主要神经生物学因素。多年来,这是一个杰出的工作假设,但从那时起,人们认识到这个理论有一些局限性,因此新的理论被提出,集中在其他神经递质系统,内分泌或炎症紊乱,基因-环境相互作用,神经可塑性的变化,或肠道微生物群的作用。本质上,这些理论是建立在临床观察基础上的,而动物研究则用于完善和验证新概念。

抑郁症的神经可塑性理论:该理论假设,神经可塑性是健康大脑的核心特征,对于适应环境挑战至关重要。 神经可塑性受损是抑郁情绪的细胞基础,并导致抑郁症患者常出现的认知偏差和认知障碍。根据这一概念,不同种类的抗抑郁药物有一个共同的作用机制,即使神经可塑性损害正常化。这些想法主要基于临床神经影像学数据,该数据表明抑郁症患者不同边缘结构的体积减少,并且观察到抗抑郁药治疗可以预防或使这种体积减少正常化。尽管仍未完全了解导致这些体积改变的确切细胞变化,但这一概念不断完善,可作为良好的假设。动物实验为该理论的发展做出了重要贡献,主要是因为在慢性应激模型中发现了与抑郁症患者相当的形态变化。大量的实验表明,通过抗抑郁药治疗,应激和逆转反应会导致分子和细胞发生变化。这些研究大多数集中在关键的边缘大脑区域,例如海马,前额叶皮层(PFC)和杏仁核。动物研究成年齿状回的神经发生对抑郁症的神经可塑性理论做出了重要贡献,因为这种细胞可塑性已被确定为抑郁症神经生物学的关键参与者。后来在抑郁症患者的海马中也证实了神经发生受损,而抗抑郁药具有正常化作用。尽管成年海马神经发生在抑郁症的病理生理学中的重要性受到了不断的质疑,但这一概念仍在继续激发科学界的兴趣。在神经可塑性理论的建立中起关键作用的另一种形式的细胞可塑性是对海马,杏仁核以及前额叶皮层中对应激或抗抑郁药物的反应引起的锥体神经元的树突状重组。在动物实验中已经研究了许多分子途径,并且指出了神经营养因子,最主要的是BDNF(脑源性神经营养因子),它是神经可塑性的主要调节剂。

突触通讯障碍和神经胶质细胞的作用:突触连接是中枢神经系统(CNS)的重要功能和结构要素,准确的突触传递对于健康大脑中的神经元通讯至关重要。“抑郁症的突触假说” 假设突触传递障碍是MDD病理生理学的一个基本要素。由于在新皮质中,大多数突触是谷氨酸能的,较小是GABA能的,因此,突触发生理论主要集中在这两个神经递质系统上。临床研究表明抑郁症患者PFC和海马体的功能紊乱和突触数量减少。动物实验产生了相似的数据,并报告了应激引起的突触通讯障碍以及啮齿类动物海马和PFC的突触数量减少。神经胶质细胞在突触传递中起着积极的作用,它们被认为是三方突触的第三要素。死后组织病理学研究显示抑郁症患者PFC、海马和杏仁核中胶质细胞数量减少。胶质细胞功能紊乱有助于抑郁症中皮质谷氨酸能和GABA能信号传递的改变。到目前为止,所有主要的神经胶质细胞类型都与抑郁症的病理生理有关,因此,星形胶质细胞,小胶质细胞和少突胶质细胞似乎都与MDD的发病机理有关。与临床发现相一致,动物研究提供了应激诱导海马和PFC星形细胞缺陷的实验证据。在MDD的慢性应激模型中已报道了小胶质细胞形态和功能的改变。少突胶质细胞也参与应激诱导的病理生理变化。与神经元相比,神经胶质细胞的研究要困难得多,但是动物研究可以提供有价值的信息,揭示行为障碍背后的胶质细胞特异性分子机制。例如,最近的一项研究报道称,暴露于慢性应激的小鼠大脑中星形胶质细胞特异性蛋白menin的表达下调,这种下降有助于抑郁症的发生。

谷氨酸和GABA系统作为抗抑郁药物开发的靶点:在成熟的人脑中,谷氨酸是主要的兴奋性神经递质,因为超过90%的突触连接都使用谷氨酸(Glu),而γ-氨基丁酸(GABA)是主要的抑制性神经递质。

MDD谷氨酸神经递质紊乱:临床研究表明,抑郁症患者血清、脑脊液和大脑中的谷氨酸水平发生了变化,而死后分析揭示了NMDA受体亚单位的功能或表达变化。胶质细胞(主要是星形胶质细胞)在这些改变中起重要作用,因为它们通过从突触间隙去除谷氨酸并释放作用于NMDA受体的神经胶质递质以及表达代谢型谷氨酸受体来主动调节谷氨酸信号。动物研究表明,应激可诱导海马和PFC谷氨酸释放,并导致NMDA受体下调。同时,NMDA受体的激活有助于应激诱导的成年海马神经发生抑制,并促进应激诱导的锥体细胞树突重组。这些作用可被NMDA受体拮抗剂逆转。一项使用小鼠模型的研究报告,氯胺酮和其他NMDA受体拮抗剂在强迫游泳试验中具有快速(30分钟内)抗抑郁作用,这种作用是由BDNF介导的。在另一个动物实验中,氯胺酮单次给药可恢复(24小时内)慢性应激引起的行为异常和应激易感大鼠的分子和细胞变化。此外,在慢性应激模型中,已显示应激可以减少AMPA受体介导的CA1锥体细胞远端树突的颞氨突触的兴奋,并且通过氟西汀的慢性抗抑郁治疗可以恢复这种改变。

MDD患者GABA能神经传递受阻:有人提出功能异常的皮质GABA能网络与MDD的病理生理有因果关系。该理论是根据体内研究得出的,该研究利用MR光谱法发现了抑郁症患者的前额叶皮质中GABA浓度发生了变化,并且死后的研究结果证明皮质GABA能神经元的丢失以及GABA合成缺陷。动物研究提供了越来越多的证据表明,压力暴露不仅影响谷氨酸能神经传递,而且还影响GABA能网络的功能。据报道,慢性应激大鼠海马中抑制性神经元数量减少,尤其是小白蛋白,生长抑素,降钙素和表达神经肽Y的神经元受到影响。慢性应激暴露导致海马和杏仁核的GABA能神经元的树突性萎缩,并且在应激动物的边缘脑区发现GABA合成酶的表达降低。最近,一项对小鼠施加束缚压力21天的研究发现,生长抑素阳性(SST +)中神经元的树突状肥大和PFC中GAD67酶的表达降低。作为这项发现的补充,另一项研究报道,与邻近的锥体神经元相比,慢性应激后SST +阳性细胞表现出更大的转录组失调。一项针对压力敏感性的性别差异的研究发现,仅雌性小鼠白蛋白(PV)的表达增加,提示女性前额叶PV系统脆弱性增加可能是压力相关情绪障碍患病率和症状的性别差异的基础。一项电生理学研究发现,可变应激14天后,大鼠内侧PFC的抑制活性增强,谷氨酸能细胞的抑制性突触增强。在一个可比较的实验设计中,我们发现遭受9周轻度应激的大鼠的内侧PFC抑制活性降低,这表明长期应激暴露的持续时间最终可能会改变应激的影响。最近,一项21天的慢性不可预测压力的研究也报道了大鼠内侧PFC的抑制活性降低。

图1、现代理论认为中枢神经系统的所有关键细胞因子都参与了抑郁症的发病机制。

抑郁症患者的肠道菌群-脑轴:肠道微生物群对维持健康至关重要,通过肠道和中枢神经系统之间的双向交流,它可以促进包括MDD在内的各种神经精神疾病的发展。一项里程碑式的研究报告说,情绪低落与肠道微生物群的丰富度和多样性降低有关,将抑郁症患者的粪便微生物群移植到缺乏微生物群的大鼠体内,可以诱导受体动物产生类似抑郁的行为和代谢。动物研究支持临床数据,而一项里程碑研究表明,在无菌大鼠中,肠道菌群的缺乏增强了焦虑样行为和神经内分泌对压力的反应。最近有研究表明,肠道微生物群参与了应激易感大鼠腹侧海马的抑郁样行为和炎症过程。一项纵向研究监测了慢性不可预见的轻度应激大鼠的抑郁样行为发展过程中粪便和血浆代谢组的变化,粪便代谢物丰度的变化与抑郁样行为和海马神经递质水平的改变有关。研究的结果表明,肠道菌群氨基酸代谢的变化有助于循环氨基酸的变化,并与抑郁症的行为症状有关。长期用益生元治疗培育有益的肠道微生物群,对小鼠既有抗抑郁作用,又有抗焦虑作用。最近的一项研究表明,用短双歧杆菌CCFM1025对小鼠进行心理生物治疗,可以逆转慢性应激引起的抑郁样行为,减轻HPA轴功能亢进和炎症反应,改变脑内BDNF和c-FOS的表达。

寻找候选生物标志物:理解疾病病理学和药物开发的一个主要局限性在于,MDD的诊断仍基于主观标准,而客观的实验室措施尚不可用。生物标志物可以帮助诊断并预测MDD的发作或复发以及对药物或心理疗法的反应。

神经影像学:不断发展的功能性神经影像学方法代表了MDD生物标记物开发的前沿。多年来,磁共振成像(MRI)的研究主要集中在MDD的各种边缘结构的体积变化上。根据这些研究的结果,海马体积减少已成为潜在的诊断指标。然而,海马萎缩并不是MDD特有的,然而,成像技术正在迅速发展,新的结构和功能成像方法不断被发明,使我们能够分析代谢和微观结构的变化,或者通过评估系统内部和系统之间的动态,在更大范围内量化大脑功能。由于其无创性,大多数神经影像学研究都是直接在临床样本上进行的。啮齿类动物模型的神经影像学研究仍处于相对初级阶段。主要的障碍是:1)小型动物磁共振设备昂贵;2)由于磁共振成像的空间分辨率有限,啮齿动物的大脑太小,无法检测到细微的细节。尽管有这些障碍,越来越多的影像学研究调查了啮齿类动物模型的结构和功能变化。这些研究通常采用各种慢性应激模型。有少数研究使用小动物正电子发射断层摄影术(PET)来研究慢性应激下啮齿动物的应激反应、应激敏感性、不同脑区5-羟色胺能神经递质的动态变化,或海马体的神经炎症。另一项PET研究使用了不同的MDD大鼠模型,即FSL,并报告了FSL大鼠的双侧颞叶代谢低下。

动物模型在抗抑郁药开发中的实用性:精神障碍是一个巨大的未得到满足的医疗需求。抗抑郁药物发现的历史是一个时间段的混合物,有偶然性,有巨大的成功,也有严重的失望。

氯胺酮:氯胺酮是一种非竞争性N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)谷氨酸受体拮抗剂,传统上用作麻醉和镇痛药。 由于口服生物利用度差,因此通常静脉给药。S-氯胺酮对映异构体对NMDA受体具有更高的亲和力,并且比R-氯胺酮对映异构体具有更少的嗜睡,嗜睡或认知障碍等不良反应。动物研究有助于我们阐明氯胺酮的分子和细胞作用。最近的一项研究表明,γ-氨基丁酸能中间神经元上的特异性NMDA受体亚单位(GluN2B)是氯胺酮快速抗抑郁作用的初始细胞触发因子。氯胺酮不仅激活NMDA受体,还激活氨基-羟基-甲基-异恶唑丙酸(AMPA)受体。另一项研究发现,氯胺酮治疗可抑制学习性无助小鼠脑糖原合成酶激酶3(GSK3),而GSK3是氯胺酮快速抗抑郁作用所必需的。

结论:尽管动物模型有很多明显的缺点,但这些模型已广泛用于学术研究和药物开发。任何一种模型都不能模拟这种复杂疾病的所有方面,但它们可以提供机会来了解促进MDD发展的特定遗传、分子和细胞机制。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278584620303651

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