WBP全身體積描記系統(tǒng)在帕金森病研究中的應(yīng)用

帕金森�。≒arkinson's disease，簡(jiǎn)稱PD）是一種影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的慢性神經(jīng)退化疾病，主要影響運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)。Braak病理分期理論提出，在疾病發(fā)展的早期，90%以上的帕金森病患者會(huì)出現(xiàn)明顯的嗅覺(jué)減退癥狀。其中，有少數(shù)患者會(huì)持續(xù)惡化，最終完全喪失嗅覺(jué)功能。

美國(guó)溫安洛研究所神經(jīng)退化科學(xué)中心的Michaela E. Johnson和Liza Bergkvist等科研人員就于2020年6月8日在《Scientific Reports》雜志上發(fā)表了一份關(guān)于《Deficits in olfactory sensitivity in a mouse model of Parkinson’s disease revealed by plethysmography of odor-evoked sniffing》的研究報(bào)告，探討了如何利用WBP全身體積描記系統(tǒng)設(shè)置的半自動(dòng)化嗅覺(jué)分析系統(tǒng)研究帕金森病小鼠模型嗅覺(jué)減退的病理機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員在實(shí)驗(yàn)鼠的雙側(cè)嗅球注射了重組α-突觸核蛋白前體原纖維（PFFs），成功建造了PD小鼠模型，在注射PFFs后1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月里，PD小鼠模型皆產(chǎn)生了漸進(jìn)式的嗅覺(jué)靈敏度銳減，此方法每組的樣本量?jī)H采用了5-6只小鼠。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)監(jiān)測(cè)分析了小鼠受氣味誘發(fā)后嗅探的呼吸變化，這是一種典型嚙齒類動(dòng)物在檢測(cè)到新氣味刺激時(shí)所表現(xiàn)出的條件反射。而為了監(jiān)測(cè)小鼠的嗅探行為，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)采用了基于Wesson、Hegoburu和Youngentob等人的方法，利用WBP全身體積描記器和嗅覺(jué)測(cè)量?jī)x組成的半自動(dòng)化的老鼠嗅覺(jué)分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)小鼠受到新氣味誘發(fā)的嗅探行為、呼吸瞬變等數(shù)據(jù)，以評(píng)價(jià)其嗅覺(jué)功能，利用嗅覺(jué)測(cè)量?jī)x保證氣味傳遞的精確控制。小鼠在注射PFFs（治療組）或PBS后（對(duì)照組）1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月接受了嗅覺(jué)檢測(cè)靈敏度測(cè)試。

在每個(gè)測(cè)試的時(shí)間節(jié)點(diǎn)前，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物會(huì)被放置在裝置里長(zhǎng)達(dá)3天，以適應(yīng)WBP全身描記器里的環(huán)境、噪音、和閥門開(kāi)合引起的應(yīng)力感覺(jué)/壓力變化。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的習(xí)慣化，每分鐘給予6秒的礦物油蒸汽，長(zhǎng)達(dá)30分鐘。使用該分析裝置的軟件系統(tǒng)，研究人員對(duì)呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括吸氣峰值、瞬間呼吸頻率等呼吸參數(shù)，計(jì)算呼吸頻率高于6Hz的時(shí)間（嗅探時(shí)間）。

為了驗(yàn)證上述半自動(dòng)化老鼠嗅覺(jué)分析系統(tǒng)裝置的有效性，研究人員巧用硫酸鋅引發(fā)雄性小鼠暫時(shí)性的嗅覺(jué)靈敏度減退，當(dāng)暴露在不同氣味濃度逐漸增加的環(huán)境中，此嗅覺(jué)受損小鼠模型組均表現(xiàn)出嗅探時(shí)間的減少，嗅覺(jué)敏感度的顯著降低。

半自動(dòng)化嗅覺(jué)分析系統(tǒng)的驗(yàn)證
 

驗(yàn)證成功后，在最終氣味檢測(cè)能力實(shí)驗(yàn)前，研究人員還需使用WBP全身描記器設(shè)置的半自動(dòng)化嗅覺(jué)分析系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)步驟，以證明PFFs注射后的小鼠不會(huì)喪失最基本的呼吸能力和嗅探能力。如下圖所示，經(jīng)11次礦物油暴露后（為了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的習(xí)慣化），所有的雌性實(shí)驗(yàn)組皆在所有3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了新氣味嗅探行為（>6Hz），這證明了無(wú)論是實(shí)驗(yàn)對(duì)照組或治療組都保有最起碼的嗅探運(yùn)動(dòng)功能。

 
小鼠注射PFFs 1、3、6個(gè)月后暴露于礦物油刺激時(shí)的呼吸頻率變化
 

接著，如下圖所示，研究人員對(duì)相同的小鼠進(jìn)行了可能的漸進(jìn)式氣味檢測(cè)靈敏度降低的探討，分為6個(gè)實(shí)驗(yàn)組。相對(duì)于所有PFFs組，所有PBS對(duì)照組接受到新氣味刺激時(shí)（6秒），皆表現(xiàn)出較為長(zhǎng)時(shí)間的嗅探行為（呼吸頻率>6Hz）。

研究結(jié)果顯示，正如研究所預(yù)期的一樣，在注射6個(gè)月后，動(dòng)物模型嗅覺(jué)系統(tǒng)在雙側(cè)嗅球注射PFFs后成功引發(fā)前嗅核和梨狀皮質(zhì)病理性pSer129 α-突觸核蛋白廣泛聚集，但無(wú)論是雌性或雄性小鼠，都沒(méi)有發(fā)生黑質(zhì)磷酸化α-突觸核蛋白廣泛聚集的病灶，也沒(méi)有明顯的呼吸運(yùn)動(dòng)障礙，包括自主呼吸和新氣味嗅探行為。這支持了團(tuán)隊(duì)之前的推理，即接受PFFs注射的小鼠嗅探行為降低是由于嗅覺(jué)感覺(jué)缺失而非本身嗅覺(jué)運(yùn)動(dòng)缺失所導(dǎo)致。
 

嗅覺(jué)功能障礙是帕金森疾病的一個(gè)早期非運(yùn)動(dòng)性癥狀。雖然疾病早期常伴有有其他明顯體征或癥狀如情緒紊亂、腸道功能紊亂、睡眠障礙等，但嗅覺(jué)功能障礙給帕金森病的早期診斷提供了最佳參考價(jià)值。利用WBP全身體積描記器設(shè)置的半自動(dòng)化嗅覺(jué)分析系統(tǒng)相對(duì)于其他傳統(tǒng)方法學(xué)更有能力檢測(cè)到無(wú)法替代的嗅覺(jué)感知變化，原因有四：
 

第一，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PFFs注射后的雌性鼠受到新氣味刺激時(shí)表現(xiàn)為嗅探行為的減少（即便有完整的嗅探運(yùn)動(dòng)能力）。這足以證明這嗅覺(jué)缺損是因嗅覺(jué)結(jié)構(gòu)里的α-突觸核蛋白病灶的所導(dǎo)致的。
 

第二，此系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)PFFs注射后的雄性鼠沒(méi)有顯示出與雌性鼠相同的嗅覺(jué)障礙。得力于WBP，進(jìn)一步研究證明了雌性幼鼠在臨床上具有更突出的“嗅覺(jué)優(yōu)勢(shì)”。在同樣的PFFs治療下，雌性鼠的嗅覺(jué)檢測(cè)功能足以被顯著削弱。 


 

第三，如上圖b項(xiàng)所示，使用該半自動(dòng)化裝置，發(fā)現(xiàn)小鼠隨著相同氣味濃度的提高，表現(xiàn)出了越發(fā)亢進(jìn)的嗅探行為，這有違我們先前的氣味習(xí)慣化理論，有助于激發(fā)研究人員進(jìn)一步分析的興趣。其中一種解釋是，隨著濃度的提高，動(dòng)物對(duì)相同的氣味的“感知”是不一樣，好比說(shuō)，當(dāng)人類聞到濃度低的香煙味時(shí)，會(huì)感覺(jué)氣味略帶有“香氣”，而當(dāng)濃度高時(shí)，人類被濃煙“嗆”到窒息。
 

第四，如上圖e、f所示，在注射PFFs 3、6個(gè)月后的傳統(tǒng)埋藏食物小球試驗(yàn)里，雌性PBS組（對(duì)照組）和PFFs組（治療組）的等待時(shí)間無(wú)明顯差異。
 

總之，這種借助WBP全身描記系統(tǒng)的分析方法學(xué)有助于讓科研人員深入研究α-突觸核蛋白對(duì)嗅覺(jué)感知的影響及其病理機(jī)制。對(duì)于未來(lái)的研究方向，可在上述研究結(jié)果基礎(chǔ)上，通過(guò)連續(xù)稀釋PFFs進(jìn)行小鼠嗅球注射后評(píng)估嗅覺(jué)缺損，從而深入研究嗅覺(jué)缺損與α-突觸核蛋白病理負(fù)載的關(guān)聯(lián)。配合使用靈敏度更高的WBP全身描記法，開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)潛在的治療干預(yù)方案，研究預(yù)防嗅覺(jué)減退、α-突觸核蛋白病灶蔓延、神經(jīng)元功能障礙或喪失的有效途徑。開(kāi)發(fā)針對(duì)減少α-突觸核蛋白合成、分泌、聚集以及增加清除該致病性寡聚體的治療方式，成為當(dāng)前攻克帕金森病的最具前景的手段。

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