张鹏,孟永,宋硕,熊亚妮,谢金华,刘楚乔,3,5,付莉莉,3,5,陶巧玉,3,5,常艳
(1.江西中医药大学药学院,江西南昌 330000;2.益诺思生物技术南通有限公司,江苏南通 226000;3.南通市海门长三角药物高等研究院,江苏南通 226133;4.上海益诺思生物技术有限公司,上海 201203;5.江苏安徽中医药大学药学院,安徽合肥 230012)
年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)指年龄增长与环境因素共同作用下,视网膜色素上皮层(retinal pigment epithe⁃lium,RPE)代谢异常,导致视细胞外节膜盘吞噬消化功能下降,细胞外基质在基底膜沉积,逐渐形成玻璃疣,导致黄斑区形态与功能改变所产生的疾病[1]。截止2019 年,全球≥50 岁华人早期AMD患病率约为4.9%。预计至2040 年,全球AMD 患者将达2.88 亿[2]。根据临床病理改变和表现,AMD 可分为萎缩性(干性)和渗漏性(湿性)2 类,其中干性AMD 患病率更高,约占AMD 患者80%,其早期一般不影响视力,但随着玻璃疣数量逐渐增多,导致脂质沉积[3]、光感受器丢失、RPE 逐渐萎缩[4]和地图状萎缩(geographic atrophy,GA)。临床表现为视物变形、中心视野丧失和视物模糊,随病程发展,最终导致不可逆性失明[5]。
当前研究认为,AMD由遗传因素、环境因素、高脂高糖饮食以及年龄增长等多种因素共同作用所引发,与氧化应激、脂代谢和炎症等反应密切相关。目前通过药物诱导、手术诱导和基因敲除等方法成功建立了不同种属(小鼠、大鼠、猴和家兔[6])和不同机制的干性AMD 动物模型用于机制研究与药物筛选,但迄今尚无理想的干性AMD 模型。已报道的干性AMD 模型均有所欠缺,均不能表现出干性AMD 完整的病理改变和临床表现。本文根据机制将现有或正在研究的干性AMD 动物模型进行分类,阐述单一模型的优劣势和适用性及其与氧化应激、炎症、脂代谢失调等发病机制的关系,为合理选择动物模型进行干性AMD 的深入研究提供帮助。
视网膜因含有大量不饱和脂肪酸及光敏分子(视紫红质或脂褐素),特别易受到氧化损伤,光敏分子暴露于光时会产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)中间体[7],导致脂质过氧化和线粒体损伤。机体为避免氧化反应过度损伤视网膜,会通过特定酶〔超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase D,CatD)〕和小分子抗氧化剂(硫醇和谷胱甘肽)抑制ROS累积,维持动态平衡状态。但随着年龄增加及与诸多环境、遗传因素共同作用下,氧化应激和发生AMD 的可能性增加,导致AMD 的发病率持续增加。人为干预导致抗氧化机制缺乏或增加额外氧化损伤的动物模型可表现出AMD的多种病理特征。
光敏分子之间相互作用下,视紫红质在漂白过程中,脂质体过氧化产生的全反视黄醛或其代谢产物具有细胞毒性,从而启动视网膜细胞凋亡程序。1966 年,Noell 等[8]首次成功建立光诱导干性AMD小鼠模型。此后许多研究者选择不同的光源参数与实验动物均成功建立了光诱导模型[9]。Nakamura等[10]用400~800 Lux 蓝光诱导小鼠每天2 h,5 d后小鼠视网膜电生理(electroretinogram,ERG)振幅降低,外核层(outer nuclear layer,ONL)厚度下降。Qu 等[6]将兔暴露在含有大量蓝光的225 w冷白光下成功建立光损伤模型,4 周后OCT 结果表明,兔脉络膜反射降低、厚度减少。Pham 等[11]利用10 000 Lux蓝光诱导2周,成功建立干性AMD 小鼠模型。该模型因具有光感受器死亡与光损伤同步发生、造模时间短等优点而广泛用于AMD 研究。此外,其发病机制与人类的发病机制存在一定相似,且可通过控制光强与暴露时间调整视网膜受损严重程度。
香烟和AMD 之间的关系已经过体外和野生型小鼠实验证明[12-14]。多种强氧化剂由肺部吸收进入血管,引起线粒体受损,同时产生ROS,介导蛋白质氧化和脂质过氧化。香烟烟雾提取物(cigarette smoking extract,CSE)可使RPE 中的脂质过氧化增加8 倍[15]。Wang 等[13]将C57BL/6J 小鼠暴露于自制的香烟烟雾发生器中,分别暴露3 个月(短期)和6个月(长期),每周暴露5 d,每天暴露6 h。结果表明,RPE损伤严重,出现功能异常甚至凋亡/坏死。Louer 等[16]通过在饮用水中加入CSE 诱导18~32周后,成功建立该模型。小鼠表现出氧化应激水平升高并伴随视网膜改变,包括布鲁赫氏膜(Bruch′smembrane,BM)沉积和增厚、炎症和脉络膜新生血管生成[13,17-18]。
羧乙基吡咯(carboxyethyl pyrrole,CEP)蛋白加合物是由二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)氧化后与蛋白加合物所产生的蛋白质加合物[19]。加合物具有免疫原性,可诱导视网膜产生抗体和炎症[20]。Hollyfield 等[21]用CEP 修饰的小鼠血清白蛋白免疫小鼠诱导抗体生成,3 个月时可见BM 沉积,RPE 下层沉积,巨噬细胞浸润;12 个月时,BM 增厚3~5 倍。Linetsky 等[22]在体外实验中也发现氧化应激与炎症均会导致CEP产生。该模型可模拟人早期AMD 变化,包括BM 变厚、RPE 沉积和光感受器丢失等。造模方法便利,适用于研究机体免疫反应与干性AMD 之间的联系,探讨氧化损伤细胞分子(脂质和蛋白质)导致炎症的机制和抗体参与AMD疾病过程的可能性。
碘酸钠(NaIO3)可在视网膜组织中产生大量ROS,加剧氧化应激反应,从而诱导AMD 形成,损伤程度随NaIO3剂量提高而加重。一项ip 给予NaIO3100 mg·kg-1的研究表明[23],注射后6 h 开始,视网膜色素上皮出现快速和选择性细胞死亡。注射后第3 天,感光细胞凋亡达到峰值,Müller 细胞增殖,视网膜内巨噬细胞迁移,受损RPE 细胞再生。其他采用低剂量、多次注射给药方式研究发现,NaIO315~35 mg·kg-1RPE 损伤逐渐增加,但NaIO310 mg·kg-1时无明显变化[24]。另有研究表明,NaIO330~40 mg·kg-1造模的小鼠模型适用于研究早期改变,第3周即可诱导出干性AMD 的大部分特征,包括ERG振幅下降、ONL变薄和RPE色素沉积等[25-26]。
自噬是由溶酶体介导的降解受损细胞、代谢废物,以维持稳态的自我保护过程[27]。一旦RPE细胞自噬功能发生障碍,则累积的细胞废物得不到降解,诱发氧化损伤,伴随褐质素沉积和玻璃膜疣形成,随后导致感光细胞凋亡,视力丧失,AMD急剧发展[28]。西罗莫司(雷帕霉素)[29]、氨基葡萄糖[30]和褪黑素[31]均能通过上调自噬抑制RPE炎症,改善视网膜功能,表明自噬是视网膜中的重要抗氧化机制。Yao 等[32]将小鼠rb1cc1基因敲除,导致光感受器外段(photoreceptor outer segments,POS)吞噬丧失,出现包括RPE 萎缩、视网膜组织紊乱、小胶质细胞激活和光感受器丧失。小鼠RPE 特异性自噬相关蛋白5(autophagy related 5,ATG5)或ATG7基因缺失可导致自噬缺陷[33]。8~24月龄ATG5ΔRPE小鼠和ATG7ΔRPE小鼠,视网膜变性的发生率分别为35%和45%,RPE 发生年龄依赖性退化。13 月龄ATG5ΔRPE和ATG7ΔRPE小鼠中均发现了早期AMD 样RPE 损伤,包括RPE 厚度不均匀、RPE肥大/萎缩和色素异常。该模型用于研究自噬丧失导致外层视网膜变性的分子机制。
SOD 是一种抗氧化酶,有3 种异构体(分别为位于细胞质的SOD1,胞外的CuZnSOD(SOD3)和存在于线粒体的MnSOD(SOD2),催化分解潜在有害的ROS。SOD 缺失导致DNA 氧化应激水平提高。Justilien 等[34]将表达核酶基因的腺病毒注射至成年C57BL/6 小鼠的视网膜下,建立SOD2-/-小鼠模型,注射后约2 个月可在视网膜中观察到组织学和功能变化。Biswal 等[35]通过cre/lox 重组系统敲除视网膜内SOD2 建立SOD2-/-小鼠模型,诱导6 周视网膜即可出现强烈免疫荧光,约4 个月出现视网膜萎缩,ERG a 波和b 波振幅均下降。6~9 月后萎缩加重,a 波和b 波主要波形丢失。该类模型能模拟多种人类干性AMD 晚期表现,包括RPE 空泡、BM 增厚和基底层沉积等,且ERG 表现出渐进式减退。
核因子E2 相关因子2(nuclear factor ery⁃throid 2-related factor 2,Nrf2)是一种碱性亮氨酸拉链蛋白,可诱导多种抗氧化酶表达,调节抗氧化蛋白表达,保护视网膜免受损伤和炎症引发的氧化损伤,是细胞氧化还原系统的关键调节因子[36]。Zhao 等[37]研究表明,Nrf2-/-小鼠的视网膜变化随年龄增长逐渐加重,出现黄褐斑和玻璃样沉积物,及RPE 萎缩性病变和RPE 细胞空泡化。12 个月时,ERG a 波和b 波振幅均下降。喂食高脂饲料时,Nrf2-/-小鼠表现出AMD加重症状,如RPE过度减退和色素减退[38]。该模型最大的优点是可重现基底层黄褐色沉淀物,这与早期AMD 患者眼底图像中观察到的相似,但仅存在少数周围型沉积,表明其可能不是AMD 患者中所见的玻璃体沉积。且小鼠的视网膜萎缩和光感受器丢失发生在RPE 变性之前,与人类AMD不同。
RPE 细胞可表达CatD,有研究[39]将带有人类CatD突变基因的DNA 片段注射至C57BL/6 小鼠受精卵胚胎中,建立稳定蛋氨酸胆碱缺乏性(MCD/MCD)小鼠品系。15月龄后,16只MCD/MCD 小鼠视网膜观察到淡粉黄色斑块,视网膜周边出现萎缩,16~18 月龄时,斑块覆盖眼底3%~10%。24 月龄时,斑块数量随年龄的增长而增加,同时观察到色素沉积改变迹象。MCD/MCD 小鼠视网膜组织HE 染色,光镜观察可见大部分组织肥大、萎缩,RPE 细胞排列杂乱、肿胀,ONL 明显变薄或缺失,光感受器退化。末端脱氧核苷酸转移酶介导缺口末端原位标记(TdT-mediated dUTP nick-end labeling,TUNEL)阳性细胞数显著增加。该模型能够重现色素改变、RPE 细胞增殖和萎缩、基底层状和线状沉积物堆积以及视网膜敏感性降低等大部分特征。
针对玻璃疣成分的研究揭示了炎症和免疫介导的过程,Hageman 等[40]在2001 年提出AMD 的退行性改变是由炎症过程介导的。他们发现,虽然玻璃疣中的一些成分来自眼睛,但更多成分来自眼外,如补体、脂质、淀粉样蛋白B 和载脂蛋白E,提示在AMD 疾病发病过程中炎症反应也起作用[41]。当前根据炎症机制所建立的AMD 模型主要有2种,趋化因子模型和补体途径模型。
趋化因子能引导白细胞在全身的迁移,由于趋化因子及其受体在AMD 中的不同表达,活化的巨噬细胞和小胶质细胞在玻璃疣和萎缩周围的浸润增加[42-43]。而AMD 患者单核细胞表达较高水平的趋化因子受体,包括C-C 趋化因子受体1(C-C che⁃mokine receptor 1,CCR1)、CCR2 和CX3C 基序趋化因子受体1(C-X3-C motif chemokine receptor 1,CX3CR1)[44]。尽管此类模型有一些干性AMD的指标,但未能发展出人类AMD 的关键特征,包括视网膜楔形病变和ONL变薄[38]。
2.1.1CX3CR1-/-小鼠模型
CX3CR1是一种非典型趋化因子,通过CX3CR1受体表达,AMD与CX3CR1基因多态性相关,CX3CR1蛋白功能障碍导致视网膜下小胶质细胞和巨噬细胞积聚,损害RPE 和光感受器,表明CX3C 配体1/CX3CR1信号通路功能障碍可能在AMD发病机制中起一定作用[45]。2~3 月龄CX3CR1-/-小鼠模型,视网膜下单核巨噬细胞增多,小胶质细胞受损并积聚在视网膜中,视网膜下炎细胞浸润,损伤视网膜,出现RPE 下沉积、光感受器变性、外核层变薄和感光细胞数量减少[46]。
2.1.2CCL2-/-/CX3CR1-/-双重敲除模型
C-C趋化因子配体2(C-C chemokine ligand 2,CCL2)和CX3CR1双基因敲除(CCL2-/-/CX3CR1-/-)小鼠较CCL2−/−和CX3CR1−/−单基因敲除小鼠表现出更多AMD 特征,但16~18 个月才表现出这些变化[47]。据报道,CCL2−/−/CX3CR1−/−小鼠早在6 周龄就出现了视网膜病变,到9 周龄时,所有CCL2−/−/CX3CR1−/−小鼠均出现视网膜下玻璃疣,且随年龄增长而增大;免疫染色显示,BM、RPE 和脉络膜毛细血管补体增加[48]。基因敲除小鼠出现局灶性Bruch 膜增厚,N-亚视黄基-N-视黄基乙醇胺(Nretinylidene-N-retinylethanolamine,A2E)水平升高,小胶质细胞浸润和光感受器萎缩[49]。在大龄动物中,可观察到萎缩区域和脉络膜视网膜瘢痕。然而,该小鼠AMD 模型的重复性有待商榷。Raoul 等[48]独立开发的CCL2−/−/CX3CR1−/−小鼠品系未表现出明显的AMD 特征,且无表型上的区别。一份研究表明,这些小鼠可能受到CRB1突变的影响[50]。
2.2.1 补体因子H基因敲除与人源化转基因模型
补体是先天免疫的重要组成部分,负责调理和清除细菌和细胞碎片。与AMD 风险最紧密相关的遗传变异之一是补体因子H(complement factor H,CFH)中402 位氨基酸(Y402H)。Landowski等[51]对比观察发现,CFH-/-小鼠视网膜下出现脂质沉积,RPE 变薄,ERG 表明其光感受器功能受损。Ding 等[52]通过将具有人源CFH细菌人工染色体的转基因小鼠与CFH−/−小鼠杂交,得到了人源化CFH小鼠,或通过将含有人CFHY402H 变异体的质粒注射到野生型小鼠受精卵中[51],以替代小鼠CFH,导致组织内丙二醛水平上升,激活巨噬细胞,诱导炎症产生[53]。12~14 月龄的成熟转基因小鼠视网膜显示脂质沉积。小鼠视网膜内巨噬细胞和小胶质细胞聚集,基底层沉积,脂褐素颗粒堆积[54]。与野生型或CFH−/−小鼠相比,具有这种人源化CHF转基因小鼠有更多玻璃膜疣样沉积,还表现出视网膜下腔和BM增厚,免疫细胞和补体聚集增加[55]。
2.2.2 C3过表达模型
补体因子C3 通过整合来自3 条不同补体激活途径的信号,在补体激活中起关键作用。C3裂解为C3a 和C3b,C3b 与补体因子B 结合形成C3bB 复合体,启动补体级联反应,最后形成膜攻击复合体[56],因此可认为该蛋白的过度表达可能导致补体加速活化和视网膜病理的发展。成年野生型小鼠视网膜下注射携带C3 的重组腺病毒后,2 周内,C3过度表达,小鼠的暗视ERG即可出现异常。组织学和免疫组织化学显示,病理表现包括RPE 萎缩、POS 丢失、胶质增生和视网膜脱离;POS 萎缩、补体沉积[57]。然而,该模型存在一定局限性,因为小鼠出现的视网膜脱离并非是AMD的临床表现,而可能是由于注射腺病毒导致的视网膜变化[58]。
2.2.3 聚乙二醇诱导模型
聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)会在RPE 和脉络膜之间形成酒渣样沉积物激活补体系统,进而启动一系列炎症反应,最终引发RPE 与脉络膜变性[59]。2011 年,Lyzogubov 等[60]通过视网膜下注射PEG 1 mg 成功诱导出脉络膜新生血管。2014 年,在此基础上降低剂量至0.5 mg 模拟干性AMD 的病变[61],实验结果表明,PEG 导致的视网膜形态学与病理学改变与人干性AMD 基本一致,主要影响ONL 中的光感受器,介导细胞凋亡,导致ONL 厚度减少和细胞密度降低。2017 年,Cam⁃malleri 等[59]发布了PEG 诱导的AMD 模型的使用。他们研究了基于脂肪酸口服喂养是否能限制急性炎症反应,再现了RPE 和脉络膜间的“玻璃膜疣”样沉积物及视网膜和RPE的退化。
AMD 的特征是RPE 沉积物的积累,这些沉积主要由脂质组成。脂蛋白通过BM 将胆固醇运送到RPE 和光感受器,或从RPE 和光感受器转运胆固醇。脂蛋白积聚会损害脉络膜毛细血管和RPE 之间跨越BM 的营养交换,并损害视网膜功能[62]。通过基因敲除或改变饮食等方法诱导动物视网膜变性,进一步支持了这一机制参与AMD。
载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)存在3 种亚型(ApoE 2,ApoE 3 和ApoE 4)。Souied 等[63]研究解释了ApoE 在AMD 发病过程中的保护机制。ApoE-/-小鼠在高脂喂养8 周后,出现了与年龄相关的视网膜变性改变[64-65],并伴有BM 增厚和视网膜下沉积。Espinosa-Heidmann 等[66]研究报道,暴露于蓝绿光后,喂食高脂饮食的小鼠视网膜退化速度加快。Miura 等[67]对比ApoE-/-小鼠与Nrf2-/-小鼠发现,11 月龄ApoE-/-小鼠BM 内脂质沉积更多。该模型仅适用于探讨ApoE 在早期AMD中的表现。
为模拟和研究人类中的各种ApoE基因,有研究使用各种人类ApoE(即ApoE1,ApoE2和ApoE3)取代原生小鼠的ApoE等位基因,制备了人源化转基因动物[68-69]。其中,Levy 等[68]对比了e2,e3 和e4 转基因小鼠发现,与e3 和e4 相比,e2 小鼠产生了年龄依赖性视网膜下单核巨噬细胞积聚,与e3小鼠相比,12 月龄e2 小鼠视网膜外核层变薄,眼内ApoE 表达水平显著高于e3 和e4 小鼠;而e4 型小鼠视网膜下炎细胞浸润程度降低,这可能与ApoE e4 等位基因抑制ApoE 水平,减少先天免疫受体复合体(innate immunity receptor complex,IIRC)激活和炎症有关。这一不同在Wickremasinghe 等[70]的研究中也有提及。
ApoB100 是低密度脂蛋白(low-density lipo⁃protein,LDL)胆固醇中的主要载脂蛋白,在RPE 中高度表达。Fujihara 等[71]对人类ApoB转基因小鼠的研究发现,2 月龄转基因小鼠仅在急性蓝绿色激光照射时会形成基底层状沉积物,经高脂饲料喂养后,12月龄转基因小鼠视网膜出现色素丢失,在BM上可见层状沉积物,比喂食高脂饮食的野生型小鼠更厚。电镜表明,视网膜组织胞质内有大量空泡,RPE 出现明显萎缩。而喂食高脂饲料的小鼠表现出少量的细胞质空泡,基底层生理折叠减少,外胶原层沉积物和薄而均匀的基底层沉积物。
人类白细胞分化抗原36(cluster of differentia⁃tion 36,CD36)也被称为脂肪酸转位酶,是一种膜糖蛋白,负责识别和结合特定的氧化型LDL、氧化型磷脂和长链脂肪酸,然后转运至细胞内。在视网膜中,RPE 大量表达CD36,并参与氧化POS 的识别和吞噬。CD36 的表达调节RPE 中环氧合酶2和血管内皮生长因子的表达。CD36 缺乏会导致缓慢的、与年龄相关的脉络膜退化和轻度视网膜变性[46]。12 月龄CD36-/-小鼠氧化LDL 积累,导致BM 增厚、BM 脂质沉积和光感受器死亡[72]。而4 月龄转基因小鼠视网膜内检测到年龄依赖性沉积碎片。通过CD36 激动剂治疗,可显著降低血浆胆固醇水平,防止RPE沉积物的积累和BM增厚。
Yin 等[73]研究表明,7 d 持续iv给予LDL 可导致视网膜变性。模型大鼠表现出与AMD 相似的特征,如RPE 色素改变,BM 增厚,视网膜TUNEL 阳性细胞、炎细胞浸润和视网膜敏感性降低。暗适应ERG 显示a 波和b 波振幅显著降低,表明光感受器退化。该模型的性状改变与人类早期AMD 改变相似,适用于早期干性AMD 研究,而与人类AMD 不同,光感受器最先改变,且未观察到基底层沉积。
LDLR缺陷小鼠在摄入脂肪后会进一步增加BM中的脂质颗粒积累[74]。Bretillon 等[75]观察14 月龄LDLR-/-小鼠发现,小鼠的暗视和明视b 波幅度显著降低(在25 cd·s·m-2时为-60%),视网膜色素上皮细胞基底层积聚。喂食高脂饮食后,LDLR-/-小鼠表现出以BM 增厚和半透明物质沉积为特征的BM 异常,这可能是与AMD 患者中观察到的基底层状沉积物和玻璃疣类似。
理想的AMD 动物模型应能最大化模拟人类干性AMD 的临床表现、发展过程与病理改变。非人灵长类是目前较为理想的实验动物,其眼球解剖结构与人最为相似,且具备黄斑区,其实验数据具有重要临床价值,是最为理想的实验动物,适用于药物临床前毒理学、药效学和药理学的研究,但存在成本高、难以获取、个体差异大等限制。而啮齿类动物根据实验目的采用不同造模方法可模拟出晚期或早期人类疾病改变而被广泛使用,其造模周期短、繁殖快,其遗传背景明确,具备较为完整的基因信息和成熟的基因敲除技术,可帮助深入探索氧化损伤、脂代谢失调、炎症反应与干性AMD 的相互作用。但由于无黄斑区,病理表现与人存在一定差异等因素而限制其发展与使用。家兔适应性好,繁殖力强,来源广,兔眼较大,便于手术和观察。与啮齿类动物相比,兔眼更接近人的视网膜结构,但解剖结构无黄斑区即为其最大弊端。
环境性诱导通过改变动物饲养环境或饮食来诱导AMD 模型,如光诱导模型、高脂饲料诱导模型和CSE 诱导模型,具有周期短、成本低、发病机制与人类似等特点,适用于批量造模,能模拟人类早期病理改变,但维持时间短、不能体现年龄依赖性等缺陷限制其大范围使用。药物诱导通过玻璃体腔给药、视网膜下给药等方式,选择某一药物损伤视网膜来诱导AMD 模型,如NaIO3诱导模型、PEG 诱导模型和CEP 诱导模型,该类方法具有方法简单、可重复性高、成本低、成模率高、模型稳定等特点,但需重复给药,易破坏眼组织,对于施术者要求一定技术水平,可能造成眼内炎、视网膜脱落等不良反应。基因敲除性诱导,如ApoE-/-模型、CFH-/-模型和SOD-/-模型,病理表现与人极为相似,存在年龄依赖性,可用于观察AMD 病理改变的全过程,适用于研究AMD 的形成机制,但造模周期长,成本高,技术难度高。
综上所述,尽管造模方法众多,但每种模型存在不同的劣势与优点,而相对重现性好的模型也不免存在过程复杂、造价高昂、可靠性受到质疑等缺点。因此需要进一步研究,寻找更为理想的AMD模型,为未来AMD 发病机制研究和进一步优化非临床药物筛选提供新平台。