BMC Med︱代方银团队利用家蚕构建帕金森综合征模型及进行药效评价取得重要进展

Original 宋江波逻辑神经科学 2023-03-10

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撰文︱宋江波

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王如华

帕金森综合征（Parkinson’s disease，PD）是中老年人群中除阿尔兹海默症之外最常见的神经退行性疾病，PD的病理特征是黑质多巴胺能神经元的变性和死亡，以及多巴胺含量的显著减少[1, 2]，诱发大量的运动障碍（如四肢无力、僵硬、肌动过速和姿势不稳）和非运动障碍（如自身免疫性疾病）[3, 4]。PD患者神经系统通常表现出较高的氧化损伤，已知自由基的过度积累导致内源性大分子的氧化损伤，从而诱发一系列细胞死亡事件[5]。有研究表明到2040年预计将有超过1200万人被诊断出患有PD[6,7]。而到目前为止，PD的发病机制尚未完全阐释，在临床上也无根治方法，新的动物模型创建和治疗药物筛选，有助于加速推动PD致病机理的阐明和有效治疗策略的发现。

2022年10月28日，西南大学代方银教授团队在《BMC医学》（BMC Medicine）上发表了题为“Lycium barbarum polysaccharide improves dopamine metabolism and symptoms in an MPTP-induced model of Parkinson’s disease”的研究论文，用家蚕构建帕金森综合征模型并进行了治疗药物的效用评价。青年教师宋江波副教授、硕士生刘莲和丹麦哥本哈根大学李知泉博士为论文共同第一作者，代方银教授为论文通讯作者。在此项研究中，作者通过添食1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP）诱导创建PD家蚕模型，该模型表现出诸多与人类散发性PD典型病理特征类似的症状，如运动能力受损、多巴胺含量降低、多巴胺能神经元受损和氧化应激水平升高。利用临床治疗人类PD的药物左旋多巴对该病理模型进行了系统性评价，并经筛选发现了一种对PD具有良好效用的中药活性成分枸杞多糖（Lycium barbarum polysaccharide，LBP）。

以往有许多研究表明MPTP能够诱导帕金森综合征动物模型[8, 9]。为了探索MPTP在家蚕中能否建立PD模型以及建模所需的最适浓度，研究者给家蚕喂食了不同浓度的MPTP，发现MPTP给药剂量与个体存活率之间呈负相关，与250μm和500 μm相比，添食125 μm MPTP组存活率更高（图1A），蚕体生长发育无明显异常（图1B）。相比于对照组，平均体重也无显著性差异（图1C）。通过对125μm MPTP组运动（抓握、翻转、腹部弯曲）能力和自主运动轨迹及速率测定，发现其抓握持续时间更短（图1D），完成一次完整的翻转和腹部弯曲复原所需要的时间更久（图1E, F），自由运动的范围和速率均显著减小（图1G, H）。大脑中神经递质多巴胺含量的显著减少是PD的一个重要临床诊断标志物。通过荧光定量、免疫荧光和酶活力测定调查诱导组中多巴胺代谢过程，研究者发现125μm MPTP组脑部多巴胺含量显著减少（图1I）。多巴胺合成过程中需要的关键酶类酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）的mRNA和蛋白含量以及催化活力均显著降低（图1J-L），多巴代谢的另一种关键酶类多巴脱羧酶（DOPA decarboxylase, DDC）的转录水平也发生了显著降低（图1M），具有多巴胺能神经元和氧化应激保护作用的PRKN基因的表达水平也被显著降低（图1N），总抗氧化能力显著减弱，氧化产物显著增多（图1O, P）。以上证据表明MPTP诱导的家蚕模型能够较为完整地重现人类PD的病理特征。

图1 MPTP诱导PD家蚕模型能够重现人类PD的多种病理特征

（图源：Song JB, et al., BMC Medicine, 2022）

为了进一步论证这种新创建的帕金森综合征家蚕模型的可用性，作者对帕金森综合征动物模型添食临床治疗人类PD的药物左旋多巴（Levodopa, LD）和卡比多巴（Carbidopa, CD）混合液，而后测定动物模型的反应，发现当用LD和CD混合溶液添食MPTP诱导的PD动物模型时，PD蚕的运动活性得到了显著恢复，显著提高了抓握能力，并且在翻转和腹部弯曲测试中耗时更少（图2A–C）。同时，多巴胺含量测定表明，LD-CD显著恢复了PD蚕脑内多巴胺含量（图2D）。此外，通过对脑组织切片的免疫荧光分析发现，TH蛋白水平的降低得到显著缓解，但TH活性并未发生显著变化（图2E, F）。为了进一步研究LD-CD混合液对多巴胺代谢的恢复作用，作者发现在补充了LD-CD的PD模型中，DDC的表达水平显著增加（图2G）。类似地，PRKN表达水平也得到显著提升（图2H），而抗氧化能力未见明显提升（图2I）。

图2 PD临床治疗药物LD-CD混合液对MPTP诱导PD家蚕模型具有较好的治疗作用

（图源：Song JB, et al., BMC Medicine, 2022）

已有研究显示LBP具有氧化应激防御和视神经保护作用[10, 11]，也能够保护PC12细胞免受鱼藤酮和6羟基多巴胺诱导的细胞凋亡[12，13]。因此，作者推测LBP可能对减轻帕金森病家蚕多巴胺能神经元的病变具有类似的生物学作用。通过研究发现，LBP增强了5龄幼虫的抓握能力，并显著缩短了PD蚕翻身和腹部弯曲恢复所需的时间（图3A–C）。有趣的是，通过UPLC测定PD蚕脑中多巴胺含量，发现LBP治疗组PD蚕脑中的多巴胺含量被显著提升；ELISA结果显示，饲喂LBP后PD蚕的TH酶活力被显著提高；脑组织中TH蛋白水平的免疫荧光定量结果进一步证实了这一发现（图3D-F）。同时，LBP恢复了PD蚕脑部中多巴代谢调控的关键基因DDC和PRKN的转录水平（图3G, H）。此外，家蚕大脑中的总抗氧化能力增加，氧化产物MDA的含量降低（图3I, J）。这些结果表明，与LD和CD组合相似，LBP显著改善了MPTP诱导的PD家蚕的病理症状，甚至在恢复TH酶活力和氧化损伤修复方面具有更为突出的效果。

图3 LBP对MPTP诱导PD家蚕模型具有良好的治疗效用

（图源：Song JB, et al., BMC Medicine, 2022）

图4 工作总结示意图：用家蚕构建帕金森综合征模型及进行药效评价

（图源：Song JB, et al., BMC Medicine, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，作者通过口服神经毒素MPTP在家蚕中创建了一种新的PD模型。该模型呈现出与人类PD病理特征一致的运动功能受损，多巴胺含量降低，氧化应激增加等特征。多巴胺的直接前体LD可以通过促进氨基酸转运的机制转移到大脑中[14]。由于其疗效和成本效益，口服LD是治疗PD最常用和有效的方法。除了多巴胺缺乏外，帕金森病的治疗重点是保护多巴胺能神经元以及受损运动功能的逆转。有趣的是，作者通过筛选发现一种新的天然分子LBP，该分子使PD样症状和分子改变正常化，其在恢复运动能力和保护多巴胺能神经元方面具有突出的治疗作用，特别是多巴胺代谢和氧化还原稳态（图4）。将来，该模型可用于进一步研究PD的病因，特别是多巴胺代谢过程，并发挥其用于靶向PD的初级药物筛选的高通量和低成本的先天优势。总体来看，在以家蚕为模式开发疾病动物模型方面，该研究首次贯通了人类疾病动物模型构建、治疗药物评价和新药筛选，不仅为PD致病机理的研究提供了新的动物模型，也为新的治疗药物的研发提供了一定指向。

原文链接：https://bmcmedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12916-022-02621-9#citeas

代方银教授为论文的通讯作者，青年教师宋江波副教授为该论文的第一作者，硕士生刘莲和丹麦哥本哈根大学李知泉博士为共同第一作者，本研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

第一作者：宋江波（左一）、刘莲（左二）、 李知泉（右二）；通讯作者：代方银（右一）

（照片提供自：家蚕基因组生物学国家重点实验室）

通讯作者简介（上下滑动阅读）

代方银教授现为西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室主任、蚕桑纺织与生物质科学学院院长，国家蚕桑产业技术体系首席科学家，中国蚕学会理事长。从事家蚕遗传资源保护与发掘利用、功能基因组和分子改良等研究。主持国家自然科学基金重点项目、863课题、现代农业产业体系岗位科学家项目等；以第一或通讯作者在包括Nat Commun、PLoS Genet、Genetics、JBC、BMC medicine、Aging Dis等在内的国内外期刊发表论文200多篇，获重庆市自然科学奖一等奖等，先后入选多个国家级人才计划。