自然衰老、D-半乳糖誘導(dǎo)衰老等常用衰老小鼠模型的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用介紹

“吃一口唐僧肉就能長(zhǎng)生不老”、嫦娥偷靈藥奔月、秦始皇終其一生都在尋找長(zhǎng)生不老藥......古往今來(lái)，“長(zhǎng)生不老”一直是經(jīng)久不衰的話題。
 

衰老是一種自然發(fā)生的退行性變化過(guò)程，伴隨著腫瘤、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾�。ㄈ缋夏臧V呆）的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人類的健康。據(jù)報(bào)道，從2020年到2050年，中國(guó)超過(guò)65歲人口預(yù)計(jì)將從1.72億（12.0%）增加到3.66億（26.0%）^[1]。因此，探尋能有效延緩衰老、預(yù)防或治療衰老相關(guān)疾病的策略迫在眉睫。

那么在衰老過(guò)程中會(huì)發(fā)生哪些明顯的變化呢？
2023年1月，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Cell 上發(fā)表了一篇里程碑綜述長(zhǎng)文Hallmarks of aging: An expanding universe，該文概述了機(jī)體衰老的十二大特征。這些特征（圖1）彼此密切相關(guān)，具體可分為以下三個(gè)類型：
1、五大基本特征：基因組不穩(wěn)定性、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失、大自噬失能。
2、三個(gè)拮抗特征：營(yíng)養(yǎng)感知失調(diào)，線粒體功能障礙，細(xì)胞衰老。
3、四個(gè)綜合特征：干細(xì)胞耗竭、細(xì)胞間通訊改變、慢性炎癥和生態(tài)失衡。
 

圖1：衰老十二大特征^[2]

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該用什么指標(biāo)去評(píng)價(jià)衰老呢？
衰老主要的標(biāo)志物有以下幾點(diǎn)：

• β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）表達(dá)增多，活性增強(qiáng)。
• 核纖層蛋白丟失，細(xì)胞核變形，胞核形態(tài)標(biāo)記物 LaminB1 在衰老的人和小鼠細(xì)胞中出現(xiàn)表達(dá)缺失。
• 衰老相關(guān)蛋白激活，包括p16、p21、p53等。
• DNA損傷積累，γ-H2A.X增多。
• 衰老相關(guān)分泌表型（SASP）增多等。

在評(píng)價(jià)衰老過(guò)程中應(yīng)注意聯(lián)合分析

圖2：衰老相關(guān)標(biāo)志物^[3]
 

臨床中的八種抗衰老措施如圖3所示。目前，抗衰老藥物，如Resveratrol（白藜蘆醇）、Rapamycin（雷帕霉素）、Metformin（二甲雙胍）和Aspirin（阿司匹林），主要是針對(duì)影響自噬和炎癥的衰老特征。雌激素、孕激素、睪酮等激素類似物廣泛用于改善老年人群心血管代謝疾病、神經(jīng)退行性疾病和與生活質(zhì)量相關(guān)的各種衰老癥狀。同時(shí)，與衰老相關(guān)的腸道菌群組成也被證明具有巨大的抗衰老潛力。
 

圖3. 針對(duì)衰老及其相關(guān)疾病的人體試驗(yàn)中的八種干預(yù)措施^[4]

這些干預(yù)措施的臨床前評(píng)價(jià)都離不開動(dòng)物模型，其中小鼠因?yàn)槠洧倥c人類在基因水平上高度同源，發(fā)育與代謝過(guò)程也與人類十分相似，②易于飼養(yǎng)繁育，③維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，是應(yīng)用較為廣泛的動(dòng)物模型之一。隨著動(dòng)物模型的建立，小鼠衰老模型的建立方法也逐漸豐富，下面就由小編來(lái)向大家介紹一些常用的衰老小鼠模型。

1、 自然衰老小鼠模型
不同種系的小鼠壽命有所不同，在衰老相關(guān)研究中，應(yīng)用比較廣泛的是C57BL/6小鼠。根據(jù)Jackson實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究，小鼠相對(duì)于人的年齡可以分為三個(gè)階段（圖3）。一般認(rèn)為，年齡超過(guò)18月的小鼠即為老齡小鼠。
 

圖4：C57BL/6小鼠月齡vs.人類年齡的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
（來(lái)源：Jackson Laboratory）
 

圖5：不同劑量D-半乳糖體內(nèi)代謝模式^[5]

品系：C57小鼠，Wistar大鼠，SD大鼠，昆明鼠等。
方式：腹腔注射，皮下注射等。
優(yōu)勢(shì)：應(yīng)用簡(jiǎn)單，存活率高，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好。
缺點(diǎn)：化學(xué)損傷造成，難真實(shí)反映衰老的生理生化改變情況，免疫、行為等方面與自然衰老小鼠相比尚存在較大差異。

需要綜合考慮不同品系，不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，根�?jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道確定最終誘導(dǎo)方案。

3、γ-射線誘導(dǎo)衰老模型
γ射線照射能產(chǎn)生多種自由基，導(dǎo)致生物膜損傷，進(jìn)而誘導(dǎo)衰老的發(fā)生。
優(yōu)勢(shì)：操作相對(duì)簡(jiǎn)單，造模時(shí)間與藥物造模相比也明顯縮短。
缺點(diǎn)：γ射線有極強(qiáng)的穿透力，對(duì)人體有一定的危險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)室難以獲得。

4、快速衰老模型
快速衰老小鼠（senescence accelerated mouse，SAM）是由日本京都大學(xué)研究人員培育的一種近交系衰老模型小鼠，分為抗快速老化的R系統(tǒng)（SAMR）和快速老化的P系統(tǒng)（SAMP）。

SAMP系小鼠在4 ~ 6月齡后迅速出現(xiàn)行動(dòng)遲緩、脫毛、脊柱彎曲等老齡化特征，SAMR系則表現(xiàn)為正常衰老，因此常作為SAMP的對(duì)照。與SAMR相比，SAMP 的衰老過(guò)程更快，壽命更短。SAMP系小鼠有多種不同的亞系，不同亞系常用于不同的研究方向，具體如下表：

表1：不同快速衰老品系的適用范圍

優(yōu)勢(shì)：飼養(yǎng)周期短，衰老特征明顯。

缺點(diǎn)：價(jià)格較貴，且SAM動(dòng)物繁殖能力較弱，來(lái)源較少，具有一定的局限性。

5、Hutchinson-Gilford早衰綜合癥小鼠模型
除上述常規(guī)模型鼠及誘導(dǎo)模型外，對(duì)衰老相關(guān)基因進(jìn)行基因編輯進(jìn)而獲得早衰小鼠模型也是常用手段之一。

HGPS（Hutchinson-Gilford progeria syndrome）是一種罕見的早衰綜合征，呈現(xiàn)加速衰老的特征，包括體型矮小、皮膚萎縮、骨骼畸形、關(guān)節(jié)彎曲、心血管疾病和早期動(dòng)脈硬化等。早衰綜合征主要有以下兩種小鼠模型：

5.1 Lmna點(diǎn)突變小鼠模型
LmnaG609G小鼠，也叫Lmna-c.C1827T小鼠
小鼠Lmna基因第11號(hào)外顯子609位氨基酸由G替換為G（GGC→GGT），該點(diǎn)突變導(dǎo)致核纖層蛋白A前體（prelamin A）肽鏈C端50個(gè)氨基酸殘基被切除，該被截短的prelamin A被稱為早衰蛋白（progerin）。

LmnaG609G小鼠在出生后迅速出現(xiàn)生長(zhǎng)速度減慢，體重下降，脊柱后凸等現(xiàn)象，且100天左右死亡。
 

圖6：Phenotypes of LmnaG609G mice^[6]

5.2 金屬蛋白酶ZMPSTE24缺失型小鼠模型
Zmpste24是一種金屬蛋白酶，參與核纖層蛋白A的成熟。Zmpste24缺失的小鼠在出生時(shí)正常，但是很快就出現(xiàn)了生長(zhǎng)遲緩、脫發(fā)、肌肉無(wú)力、擴(kuò)張型心肌病和過(guò)早死亡等早衰綜合癥特征^[7]。
 

圖7：Post-translational processing of pre-lamin A in (A) normal condition and of truncated pre-lamin A (“pre-progerin”) in (B) HGPS^[8]
 

圖8：Generation of Zmpste24-deficient mice^[9]

6、Werner綜合征小鼠模型
Werner綜合征（Werner syndrome，WS）又稱成人早老癥，是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，由WRN（一種ATP依賴性解旋酶基因）基因突變所致。該病會(huì)導(dǎo)致患者出現(xiàn)一些加速衰老的病理學(xué)表征，如眼部變化、皮膚病變、頭發(fā)灰白稀疏等，還可能產(chǎn)生糖尿病、骨質(zhì)疏松、腫瘤等并發(fā)癥。
 

目前應(yīng)用較多的是Wrn^{△hel/△hel}小鼠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Wrn^Δhel/Δhel小鼠的壽命大約為18.7個(gè)月，Wrn純合敲除小鼠的壽命大約為21.4個(gè)月，同窩野生型小鼠的壽命大約為22.8個(gè)月。

圖9：Phenotypic traits of Wrn^{△hel/△hel} and Wrn^-/- mice^[10]

7、其他
還存在一些DNA修復(fù)缺陷小鼠如Ercc1^-/Δ、Polg^TG/TG、LAKI^TG/TG、Xpg^-/-；其他基因編輯小鼠Klotho^-/-等均被報(bào)道與小鼠衰老相關(guān)。
 

圖10：(a) Schematic representation of premature mouse strains, tissues collected, and timepoints taken. (b) Evolution of body weight until the euthanize point. (c) Methylation biological age of Ercc1^−/Δ, Xpg^−/−, LAKI^TG/TG, and Polg^TG/TG mice^[11]

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Reference：
[1] Lobanov-Rostovsky S, He Q, Chen Y, et al. Growing old in China in socioeconomic and epidemiological context: systematic review of social care policy for older people. BMC Public Health. 2023;23(1):1272. Published 2023 Jun 30. doi:10.1186/s12889-023-15583-1

[2] López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. Hallmarks of aging: An expanding universe. Cell. 2023;186(2):243-278. doi:10.1016/j.cell.2022.11.001

[3] Aging Biomarker Consortium, Bao H, Cao J, et al. Biomarkers of aging. Sci China Life Sci. 2023;66(5):893-1066. doi:10.1007/s11427-023-2305-0

[4] Guarente L, Sinclair DA, Kroemer G. Human trials exploring anti-aging medicines. Cell Metab. 2024;36(2):354-376. doi:10.1016/j.cmet.2023.12.007

[5] Azman KF, Safdar A, Zakaria R. D-galactose-induced liver aging model: Its underlying mechanisms and potential therapeutic interventions. Exp Gerontol. 2021;150:111372. doi:10.1016/j.exger.2021.111372

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[7] Pendás AM, Zhou Z, Cadiñanos J, et al. Defective prelamin A processing and muscular and adipocyte alterations in Zmpste24 metalloproteinase-deficient mice. Nat Genet. 2002;31(1):94-99. doi:10.1038/ng871

[8] Baek, Jean-Ha, et al. ‘Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome’. Genetic Disorders, InTech, 9 Jan. 2013. Crossref, doi:10.5772/53794.

[9] Bergo MO, Gavino B, Ross J, et al. Zmpste24 deficiency in mice causes spontaneous bone fractures, muscle weakness, and a prelamin A processing defect. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;99(20):13049-13054. doi:10.1073/pnas.192460799

[10] Aumailley L, Garand C, Dubois MJ, Johnson FB, Marette A, Lebel M. Metabolic and Phenotypic Differences between Mice Producing a Werner Syndrome Helicase Mutant Protein and Wrn Null Mice. PLoS One. 2015;10(10):e0140292. Published 2015 Oct 8. doi:10.1371/journal.pone.0140292

[11] Perez K, Parras A, Picó S, et al. DNA repair-deficient premature aging models display accelerated epigenetic age. Aging Cell. 2024;23(2):e14058. doi:10.1111/acel.14058

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