衰老動物模型的研究進展及應用

李樹梅 盧勝明 康 峰 安立剛 張海峰 (北京實驗動物研究中心，北京 100012)

衰老是生物隨著時間的推移、自發的必然過程，表現為機能衰退，適應性和抵抗力減退。從古至今，人們一直在尋找各種延年益壽的方法和藥物，以期能在遺傳學上所界定的壽限內延遲衰老或提高生命質量〔1〕。1939年第一個衰老研究協會(the Club for Research in Aging)成立，從此科研工作者開始對衰老進行真正系統的研究〔2〕。采用自然衰老動物或者是人為因素致衰老的動物為模型是人類研究衰老過程的有效手段，結合各類實驗動物的自身特點以及生理特性，建立與臨床衰老癥狀相似的動物模型，已成為研究衰老機制以及評價抗衰老藥物的一個重要平臺。本文就衰老動物模型的建立、應用及特點予以綜述。

1 D-半乳糖致衰老模型

D-半乳糖致衰老模型是指在一定時間內，連續給動物注射大劑量的D-半乳糖，使機體細胞內半乳糖濃度增高，在醛糖還原酶的催化下，還原成半乳糖醇，這種物質不能被細胞進一步代謝，而堆積在細胞內，影響正常滲透壓，導致細胞腫脹和功能障礙，最終致使衰老的發生〔3〕。該模型最早在國外應用于白內障的研究，1985年我國學者徐黻本首次提出給予嚙齒動物D-半乳糖可以誘導類似于加速衰老進程的生理變化〔4〕。1991年龔國清根據衰老的代謝紊亂學說構建了D-半乳糖衰老動物模型〔5〕。隨著對該模型的深入研究以及逐步完善，最終建立了通過注射D-半乳糖致使動物衰老的模型，并得到廣泛應用。

1.1 D-半乳糖致衰老模型的應用 研究表明，該模型在形態學、生化指標檢測以及分子生物學等各個方面都可以較好的模擬自然衰老〔6〕，目前廣泛應用于篩選藥物以及評價具有延緩衰老的保健食品。文獻報道，刺五加可提高D-半乳糖致衰老的大鼠免疫功能，延緩衰老〔7〕。新鮮地黃根部的提取物梓醇能增加D-半乳糖誘導的小鼠大腦皮層和海馬抗氧化酶活性，抑制自由基再生〔8〕。前蘇聯學者洛基莫夫和托羅采夫的研究表明低氘水能促進激發動物的技能活性，促進動物的新陳代謝〔9〕。此外，它還可以有效延緩D-半乳糖導致的衰老小鼠的衰老進程，對小鼠的抗氧化能力產生一定的積極作用〔10〕。李崢等利用該模型發現金屬硫蛋白(MT)能顯著改善衰老大鼠的學習記憶能力，減少海馬神經元的核固縮，減少海馬乙酰膽堿酯酶(AchE)、單胺氧化酶(MAO-B)活性、提高ChAT活性，延緩腦組織的衰老〔11〕。

1.2 D-半乳糖致衰老模型的特點 D-半乳糖模型造模時間短、操作簡便、模型易于建成、重復性好，故此模型自1991年首次構建后便在國內得到了廣泛的運用和發展。該模型表現出與自然衰老小鼠相似的衰老體征〔12〕，表現為皮膚的氧化損傷、免疫功能低下、基因表達與調控功能異常，細胞繁殖再生能力下降、記憶以及記憶保持能力下降、壽命縮短、體內丙二醛和脂褐素增加，血清中超氧化物歧化酶與肝臟中谷胱甘肽過氧化物酶活力下降等。由于受到建模時劑量、途徑、時間以及判斷標準等因素的影響，對于行為學、免疫學臟器指數等方面的報道觀點不盡相同〔13〕。但是該模型在整體水平上與自然衰老相似，仍可以基于整體水平上用于抗衰老藥物在行為學、抗氧化以及部分免疫學指標等方面的研究〔5〕。

2 小型魚類衰老模型

魚類約占所有脊椎動物物種的一半，但是與無脊椎動物或者嚙齒類動物相比較，在作為模型研究衰老問題上卻很少受到重視。近年來，國內外學者通過研究一些魚類的基本老年學特征，建立了小型魚類衰老模型。目前已建立的動物模型主體有孔雀魚(guppy)、鳉魚(killifish)和斑馬魚(zebrafish)〔14〕。早在1961年Comfort就將孔雀魚用于衰老實驗的研究〔15〕，2006年Reznick等通過對其的深入研究，闡述了衰老的機制以及過程〔16〕。鳉魚的壽命極短大概只有3個月，這恰好為學者研究衰老機制和早老現象提供了良好的動物模型〔17〕。斑馬魚的平均壽命只有3年，即使是在實驗室的條件下最長壽命也只是5年。1981年，美國Oregon大學的Streisinger等最早從事對斑馬魚的研究〔18〕。2002年，Gerhard等首次把斑馬魚用于衰老研究〔19〕，隨后引起眾多學者的重視。近年來，斑馬魚已經作為一種模式生物，廣泛應用于人類疾病模型的建立。

2.1 小型魚類衰老模型的應用 以漂亮寶貝鳉作為衰老模型，Hsu等對其進行了組織化學、生化檢測以及遺傳分析三方面的研究。結果表明:隨著年齡的增長，與衰老相關的β-半乳糖苷酶和脂褐素增加;脂質過氧化和蛋白質氧化程度增加;而過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性下降;端粒長度縮短至11.5+/-1.98到3.58+/-0.74 kb〔20〕。研究發現白藜蘆醇作為一種天然植物抗毒素，可以延長漂亮寶貝鳉的壽命，并且能夠推遲功能障礙的發生〔21〕。通過對斑馬魚的研究發現隨著年齡的增長，可能是由于肌肉的異常情況導致它們出現脊椎彎曲現象，從形態學角度上與人類表現出一致的特征〔22〕。各項數據表明斑馬魚在衰老過程中，皮膚中與衰老相關的β-半乳糖苷酶活性增加，肌肉中氧化蛋白蓄積，肝臟中脂褐素的含量明顯增高〔23，24〕，這些與已經報道的人類和鼠的衰老特征一致〔25〕。斑馬魚在中年期還經常會發生脂褐素的積累以及視網膜色素上皮細胞發生病變，這類似于人類的黃斑變性。幾乎所有4歲的斑馬魚都會出現白內障，并且大多數的老年斑馬魚表現出視網膜萎縮〔24〕。對其進行深入研究發現，隨著年齡的增長，其生殖和鰭的再生能力下降〔26〕。此外，斑馬魚還表現出與人類相似的熱休克和氧化應激反應。以上結果充分顯示出斑馬魚適用于研究衰老機制的優勢所在。

2.2 小型魚類衰老模型的特點 小型魚衰老模型能夠在細胞和機體水平上觀察到與人類相似的衰老過程。以斑馬魚模型為例，通過研究結果表明，斑馬魚的老化流程與人類的極為相似，脂褐素在體內的積累，認知功能下降，表現為多種組織的組織學變化，大分子形態(DNA、蛋白質和脂質)的減少再生和損傷，遵循晝夜變化等特點。此外，斑馬魚還具有體積小、生殖能力強、體外受精且胚胎發育透明，其基因與人類基因的相似程度達到87%等特點〔27〕。利用斑馬魚為模型來探索人類衰老機制，并尋找預防和治療衰老的策略，已成為新的發展趨勢。

3 果蠅衰老模型

近年來，果蠅廣泛應用于衰老方面的研究。以果蠅作為衰老模型，2007年，Martinez等發現限制飲食均可以延長兩種不同果蠅的壽命，其影響程度因遺傳背景的不同而有所變化。通過對另外七種不同的果蠅進行壽命測試，發現限制飲食可以將平均壽命延長40% ～90%〔28〕。2008年，Ramsden等就免疫功能與衰老之間的聯系進行研究。結果表明衰老能夠降低機體抵御細菌感染的能力，但潛在的免疫衰老機制不包括清除細菌或者防止細菌繁殖〔29〕。2009年，Toivonen等研究發現胰島素中突變效果與類胰島素生長因子傳送信號途徑是相對保守的，這可以延長果蠅的壽命;此外，類固醇和其他脂溶性信號分子可調節不同生物的生命周期〔30〕。

3.1 果蠅衰老模型的應用 以果蠅作為衰老動物模型，淫羊藿總黃酮可以通過減少自由基的產生、增加自由基的清除、減少蛋白分解、促進細胞增殖、恢復免疫功能，對抗凋亡而發揮延緩衰老的功效〔31〕。Tapiwanashe Magwere等發現通過誘導超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶的生成可以降低線粒體中的活性氧，以此達到延長生命周期的目的〔32〕。張春蕾等發現蜂膠黃酮可顯著提高果蠅體內 SOD活性，降低體內丙二醛(MDA)含量，延長果蠅平均壽命和最高壽命〔33〕。

3.2 果蠅衰老模型的特點 果蠅是雙翅目昆蟲，具有繁殖能力強、生命周期短、染色體數目少、器官復雜、內分泌系統完整、易于飼養等特點。研究表明，老年果蠅存在自由基產生過多而清除減少、凋亡加速、蛋白溶解過度、內分泌免疫功能低下的內在機制〔34〕。因此，果蠅為科研工作者研究衰老遺傳學和衰老機制提供了良好的動物模型。

4 快速老化小鼠模型

快速老化小鼠(SAM)是在日本東京大學首次培育成功的近交系小鼠群，其特征為出現快速老化癥候，高齡期頻繁出現在人類老年常見的與老化相關的病態〔35〕，因此廣泛應用于研究衰老機制。

4.1 快速老化小鼠模型的應用及特點 快速老化小鼠共有12個亞系，不同亞系小鼠具有不同的病理表現型，其中許多具有與人類衰老相似的病理學特征，并且小鼠遺傳信息非常豐富，與人類遺傳學特征具有相似性〔36〕。

卵巢快速老化小鼠(SAMP8)主要以學習記憶能力隨著年齡的增長而快速衰退，中樞神經系統如皮層、海馬等部位發生病理學改變為主，因此SAMP8是研究老化、老年性癡呆等疾病的理想模型〔37〕，也是目前 SAM 小鼠中應用最多的亞系〔38〕;研究表明，當歸芍藥散能夠明顯改善老年性癡呆模型SAMP8小鼠的空間學習記憶能力〔39〕，SAMP10是唯一發生與衰老相關腦萎縮的嚙齒類動物，因此它是研究與衰老相關的神經元丟失及腦萎縮發生的有益動物模型〔40〕。另外，SAMP1主要特征為免疫功能低下，SAMP2為肺部病理改變為主，SAMP3為變形性骨關節疾病，SAMP6為骨質疏松，SAMP9為白內障，SAMP11的老化過程更為迅速，病理學改變主要為β-淀粉樣蛋白(β-AP)生成和腎萎縮〔41〕。因此研究工作者可以根據不同的研究需要而選擇不同的亞系。

5 蜜蜂衰老模型

2002年，Omholt等以蜜蜂作為研究對象，發現卵黃脂蛋白作為儲備蛋白，似乎對蜜蜂的壽命具有一定影響，并且占據重要角色〔42〕。苗明三等根據蜜蜂生活過程中所遭受的不良環境進行模擬建立模型，結果表明蜜蜂在35℃的恒溫干燥箱中，開風機產生噪音(75 dB)，缺氧(5 ml小瓶，密封)4 h，可成功造成蜜蜂衰老模型。該模型是通過應激激發其自身的衰老程序，從而得到更接近于臨床上的衰老現象〔43〕。

苗明三等在建模基礎上進行實驗，發現蜂病康合劑可以通過升高總SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的含量來延緩此造模過程中蜜蜂的衰老〔44〕。另有文獻報道，蜜蜂具有驚人的學習、記憶、導航能力，這為相關的神經生物學領域提供了良好的模型。此外，蜜蜂的免疫系統和長壽機制研究也將為人類疾病的研究提供新的模型〔45〕。

6 其他衰老模型

6.1 其他方法建立的衰老模型 李云等采用γ-射線輻射SD大鼠(γ-射線吸收量為3.0 Gy)，連續輻射5 d，成功建立衰老動物模型〔46〕。李春海等比較了口服和皮下注射D-半乳糖兩種不同的給藥途徑(口服劑量是皮下注射的十倍劑量)致動物衰老的效應，結果發現口服途徑亦能產生擬衰老效應，但某些生化指標檢測不及皮下注射給藥途徑顯著，由此推斷出口服劑量還應進行進一步的探索〔47〕。崔美芝等比較了胸腺摘除法、D-半乳糖注射法和臭氧(O3)損傷法三種常用的建立大鼠衰老動物模型方法，并以自然衰老模型作為對照，結果顯示三種造模方法均確實可行。但各有利弊:其中O3損傷法操作簡便，奏效快，但要經常測量O3柜內的O3濃度，D-半乳糖法所需時間較長，必須每日注射。胸腺摘除法具有一定的危險，所需時間最長。自然衰老模型在生理衰老過程中最符合人類衰老的特點，但存在飼養時間過長、個體差異較大，干擾因素較多等弊端〔48〕。

6.2 其他動物衰老模型及應用 王亞芳等對沙鼠皮膚、組織中的酶類等進行檢測，結果顯示具有獨特生理特點的沙鼠可以作為研究抗衰老藥物相關的實驗動物模型〔49〕。Cotman等以比格犬為動物模型，研究與衰老相關的疾病〔50〕。以野生型秀麗隱桿線蟲Bristol(N2)作為衰老動物模型，蔡外嬌等發現淫羊藿總黃酮在延緩線蟲衰老的同時并不損害生殖能力，并且還能顯著提高線蟲在急性熱應激下的應急能力〔51〕。Mouton發現扁形蟲Macrostomum lignano可以作為新的衰老模型〔52〕。

7 結論

從哺乳類動物小鼠到無脊椎動物果蠅，再到目前研究中炙手火熱的水生魚類-斑馬魚，衰老動物模型的研究主體一直處于不斷更新中。與此同時衰老機制的研究也在隨著科技的不斷發展而逐漸完善。獲得2009年諾貝爾生理學或醫學獎的三位美國科學家在研究中發現，端粒長度和端粒酶活性與細胞的壽命以及很多疾病發生有關。這一發現為進一步了解衰老的分子機制，提供了重要的線索〔53〕。然而想要建立既具有可重復性并能夠反映出不同物種衰老時生物功能的變化，又能夠準確的確定出實驗動物存活期的理想動物模型〔54〕已經變得遙不可及。同樣在衰老機制不斷更新完善的基礎上也會有更多的模式生物被開發、應用于衰老動物模型的研究。筆者認為，在科學研究中應當明確研究目的，從實際問題出發選擇合適的衰老動物模型，充分利用各個模型的優勢，達到最佳效果。

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