生理学报Acta Physiologica Sinica, August
研究论文
用不同实验小鼠品系建立精神分裂症的动物模型
吴金华, 邹洪,
于军, 周雪东, 谢青莲,
金玫蕾*
中国科学院上海生命科学研究院生物工程研究中心, 上海 200233
摘要:基于精神分裂症的谷氨酸功能紊乱假说, 实验用N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)非竞争性受体拮抗剂MK801
(5-甲基二氢二苯并环庚稀亚氨马来酸或地卓西平马来酸盐)作用于实验小鼠, 观察到类似精神分裂症的症状: 移动加快(hyperlocomotion)和刻板性动作(stereotypy), 建立了可用仪器测定的两项量化指标。根据作用于近交系BALB/c小鼠的MK801的剂量优化结果,
用0.6 mg/kg体重的MK801剂量初步建立了精神分裂症小鼠模型, 并用近交系C57BL/6小鼠成功重复了上述实验。进一步用系列剂量的MK801作用于远交群ICR小鼠,
同样也诱发了类似精神分裂症的症状。用目前临床上常用的抗精神分裂症药物利培酮作用于已建立的BALB/c小鼠和C57BL/6小鼠的精神分裂症模型,
结果表明利培酮能显著地抑制两品系模型小鼠的类似精神分裂症的症状。实验结果证明: 用MK801作用于实验小鼠建立精神分裂症动物模型是可行的。
关键词:精神分裂症; 动物模型;
MK801; 移动加快; 刻板性动作; 利培酮
中图分类号: Q749; Q189
Animal
models of schizophrenia using different laboratory mouse strains
WU Jin-Hua, ZOU Hong, YU Jun, ZHOU Xue-Dong, XIE Qing-Lian, JIN Mei-Lei*
Shanghai Research Center of
Biotechnology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of
Sciences, Shanghai 200233
Abstract:
Based on the glutamate dysfunction
hypothesis for the pathophysiology of schizophrenia, MK801, a noncompetitive
antagonist for the NMDA-type of glutamate receptors, was administered to mice
by i.p. injection. We observed hyperlocomotion and stereotypy, two behavioral
signs indicative of schizophrenic symptoms in human. Aided with automated
movement measuring of locomotion and videotaping for off-line scoring of
stereotypy, these two schizophrenia-like behaviors were readily evaluated.
According to the result of dose-response measurements of serial MK801 dosages
in the BALB/c inbred mice, 0.6 mg/kg MK801 was determined as the optimum dosage
for these behaviors. Furthermore, the same experiments were performed in
another inbred strain C57BL/6 and the outbred stock ICR, and similar results
were obtained. These results show that MK801 induces schizophrenia-like
symptoms in both inbred and outbred mice. Risperidone, an atypical
antipsychotic drug for treating schizophrenia in human, was used in the
schizophrenia models using BALB/c and C57BL/6 mice. The results indicated that
risperidone dose-dependently inhibited the MK801-induced schizophrenia-like
symptoms in BALB/c and C57BL/6 mice. Thus, our results indicate that the
MK801-induced behaviors may serve as useful mouse models of schizophrenia.
Key
words:
schizophrenia; animal model; MK801; hyperlocomotion; stereotypy; risperidone
随着人类社会经济的发展及人们生活水平的提高, 精神和心理健康问题显得越来越重要。医学专家认为: 人类已经从“传染病时代”、 “躯体疾病时代”步入了“精神疾病时代”, 精神卫生事业面临着新的挑战。精神分裂症是世界上十大致残或使人丧失劳动能力的疾病之一, 也是各种精神疾病中患病率最高的一种。精神分裂症作为影响脑神经高级思维功能的病变, 是对人的思维及工作能力最具威胁力的一种疾病, 也是一个严重的社会问题, 因此精神分裂症被描述为最严重的影响人类的疾病[1]。
精神分裂症的病因未明, 具有感知、 思维、 情感、 行为等多方面的障碍和精神活动的不协调以及精神活动与环境不协调的症状。据美国精神病协会编辑的精神病的诊断与统计手册(第三版)的描述,
精神分裂症患者的常见症状为: 思维紊乱、 幻觉、 错觉、 社交退缩和紧张状的行为[2]。
随着社会竞争压力的增加, 精神分裂症的患病率有日益升高的趋势, 但由于目前对其发病机制和分子细胞生物学基础缺乏了解, 在临床诊断上只能依靠其精神症状而缺乏生物学检验指标。当前世界上迫切需要开拓一条在研究方法学上有突破的新路, 用以研究精神分裂症的发病原因, 生物学机制以及相关药物的开发。
动物模型的建立是精神分裂症及其药物研究首要的关键问题。虽然长期以来研究者们也试图通过干扰动物生存环境如噪声刺激、 强光刺激、 破坏生物节律等方法建立一些动物模型用于精神疾病的研究, 但由于这些模型的分散性和局限性以及缺乏一定的理论基础, 而使这方面的研究难以解释精神分裂症的发病机制并推进相关药物的开发。近来随着神经科学的发展和临床研究的日趋细致, 使精神病动物模型的建立有了一定的理论基础, 建立方法也开始从单一的环境干扰法向多样化发展, 其中药物诱发是目前比较有发展前途的方法之一。例如, 大鼠及小鼠经过药物诱发出现的类似精神分裂症的症状, 如表现为明显增加了移动加快(hyperlocomotion)及单调的刻板性动作(stereotypy)、
社交退缩(social withdrawal)和情感淡漠(flat affect)[3]。
多年来, 国内外科学界对精神分裂症进行了广泛的探索, 尤其在近一二十年里, 人类对精神分裂症的认识有了明显的提高, 提出了各种在一定范围内有效的假说。比较流行的是多巴胺功能亢进假说和5-羟色胺能假说[4], 并在此基础上设计了相应的药物。但这些药物并不能根本解决问题, 而且干扰中枢神经系统的基础调节系统大多产生较为严重的锥体外系副作用[5], 因此还可能有其它的系统参与。近年来, 精神分裂症的谷氨酸功能紊乱假说[6]渐渐被人们所接受, 并正在被越来越多的实验所证实。
基于精神分裂症的谷氨酸功能紊乱假说, 作者利用N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)非竞争性受体拮抗剂MK801(5-甲基二氢二苯并环庚稀亚氨马来酸, 地卓西平马来酸盐)作用于具有不同遗传背景的3个实验小鼠品系,
初步建立了精神分裂症动物模型, 并采用目前临床上常用的抗精神分裂症药物利培酮作用于模型小鼠, 发现利培酮能显著地抑制模型小鼠的类似精神分裂症的症状。这一研究为证实动物模型与精神分裂症的相关性, 进一步寻找精神分裂症相关因素, 以及为筛选新药打下了基础。
1材料和方法
1.1
试剂和溶液的配制
地卓西平马来酸盐(简称MK801, 美国TOCRIS公司生产)和利培酮(美国JANSSEN制药公司生产)分别溶解于含0.9% NaCl的生理盐水中,
用逐步稀释法配制各个剂量的溶液。
1.2
实验动物
近交系BALB/c小鼠, 近交系C57BL/6小鼠和远交群ICR小鼠,
均为雄性, 体重(20±2
g), SPF级, 购自中国科学院上海实验动物中心。合格证号: 中科沪动管第99-003号。
1.3
仪器
旷场跑动行为红外线检测系统(Flex Field System), 美国 San Diego Instruments公司产品; 松下摄像系统;
Hamilton 微量注射器(250 μl)等。
1.4
旷场跑动行为红外线检测系统对小鼠移动行为(locomotion activity)的检测
用不同剂量的MK801溶液对实验小鼠进行腹腔注射, 随即将小鼠放置于
48 cm×24 cm×20 cm顶部开口的长方形实验盒内,
盒上覆盖玻璃。实验盒底部虚拟划分为8个大小相同的区域, 旷场跑动行为红外线检测系统以小鼠是否阻断红外线来自动检测记录每单位时间(如15
s)内小鼠进入各个区域的次数, 分别作出整个检测期间(如4
h)移动行为的剂量效应曲线和各个剂量的时间效应曲线。
1.5
小鼠刻板性动作(stereotypy)的评定与记录
用系列剂量MK801作用于小鼠, 能产生类似精神分裂症的刻板性动作症状, 与对照组相比有明显增强的呆板和非自主的刻板性动作, 如反复摇头、 转圈、 小范围内不停的无规则运动等。对给药后的实验小鼠摄像
数小时, 然后由2－3名技术人员评定记录小鼠在每5 min的第1
min内呆板和非自主刻板性动作的累积时间, 分别作出整个检测期间呆板和非自主刻板性动作的剂量效应曲线和各个剂量的时间效应曲线。本实验的技术人员在正式实验前进行统一标准的训练。
1.6
利培酮对精神分裂症模型小鼠症状的作用
用0.6 mg/kg剂量的MK801溶液腹腔注射实验小鼠,
30 min后同侧腹腔注射系列剂量的利培酮, 随即检测记录其移动行为和摄像数小时, 并如前所述统计刻板动作(stereotypy)的时间。
1.7
统计学分析
将实验组的行为学数据与对照组比较, 并以t检验法进行生物学统计分析[7]。
2
结果
2.1
MK801诱发近交系BALB/c小鼠产生类似精神分裂症的症状最佳剂量的优化
选用近交系BALB/c小鼠作为建立精神分裂症模型的首选实验动物。作者设计了生理盐水(saline, 简称sal)对照组和浓度分别为0.15、 0.3、
0.6、 1.0、 2.0 和10
mg/kg 6个剂量组的MK801溶液, 每个剂量组采用10只小鼠, 分别以100
μl/20 g小鼠体重的注射量于左侧腹腔注射, 然后用旷场跑动行为红外线检测系统实时检测、
记录其移动行为, 并同步摄录小鼠的活动情况, 记录小鼠的刻板性动作,
分别比较MK801各个剂量组在两项量化指标方面的差异。
2.1.1
MK801诱发移动行为的变化
从图1A和B可以看出,
在给药后的2.5 h中, 低剂量组0.15
mg/kg的MK801对小鼠的移动行为无明显的影响; 中等剂量组0.3、 0.6、
1.0 mg/kg 的MK801 能明显增加小鼠的活动, 2 mg/kg 的
MK801对小鼠的移动在前半期有所抑制而后半期有所增加(图1A),因此累积移动行为效应无明显影响(图1B)。更需要指出的是: 该剂量组的移动方式与生理盐水对照组有着本质的区别, 该组的方式主要是呆板、
单调和非自主的刻板性动作; 高剂量组10 mg/kg 的MK801
明显使小鼠的移动减少。总体看来, MK801对移动的剂量效应呈钟形效应(图1B)。
另一方面, 从图1A看,
中等剂量组0.3、
0.6、 1.0和2 mg/kg MK801的移动效应的峰值时间点的迁移呈剂量依赖性变化, 即剂量越高其峰值效应出现时间越迟。
2.1.2
MK801诱发刻板性动作
从图1C和D可看出,
对照组和低剂量组0.15 mg/kg的MK801没有诱发小鼠产生精神分裂症的典型症状, 即呆板、 单调和非自主的刻板性动作;
而中等剂量组0.3、 0.6、
1.0和2.0 mg/kg的 MK801呈剂量依赖性诱发出刻板性动作; 在给药后的2.5 h内, 高剂量组10
mg/kg的MK801诱发的症状效应趋于饱和的效应状态。
图1.BALB/c小鼠MK801实验组与生理盐水对照组的移动行为及刻板性动作实验结果的比较
Fig.
1.MK801 dosage effect on BALB/c mouse locomotion and stereotypy behaviors
compared with saline control group.
A:
Time course of MK801 locomotion effect.
B:
MK801 vs cumulative locomotion effect in 2.5 h.
C:
Time course of MK801 stereotypy effect.
D:
MK801 vs cumulative stereotypy effect in 2.5 h.
*P<0.05
and ***P<0.001, as compared with saline control group. Data are presented as
mean±SEM (n=10).
从药物起效应的时间来看, MK801中等剂量组中的0.3 mg/kg组起效应的时间稍晚,
给药后约10 min才诱发出类似精神分裂症的症状, 而MK801高于0.3 mg/kg的剂量起效时间都在5
min左右。
2.1.3
建立精神分裂症小鼠模型的药物MK801的量效曲线图
作者绘出小鼠腹腔注射MK801后0.5－1
h的关于类似精神分裂症的症状的量效曲线图。从图2A和2B可以看出,
在给药后的0.5－1 h内,
小鼠的移动行为效应随剂量的增加而呈峰形变化; 而精神分裂症的另一症状: 刻板性动作,
则随剂量的变化呈典型的S形变化。
MK801诱发小鼠产生类似精神分裂症的症状效应达到50%即E50时的状况为:
移动效应达到饱和效应的50%时, MK801的剂量大约在0.6－1.0 mg/kg的范围与0.15
mg/kg附近; 刻板性动作效应达到饱和效应的50%时,
MK801的剂量在0.6 mg/kg附近。总的来说, MK801的剂量在0.6
mg/kg时, 两种效应都在E50附近。
建立精神分裂症小鼠模型的意义之一在于用此模型来研究抗精神分裂症药物和恶化精神分裂症症状的药物, 因此作者选择了一个适中效应的剂量0.6 mg/kg的MK801来建立精神分裂症小鼠模型。
图2.MK801诱发BALB/c小鼠产生类似精神分裂症的症状的量效关系
Fig.
2.Dosage-response of schizophrenic symptoms induced by a series of MK801
dosages in BALB/c mice between 30 and 60 min after drug administration.
A: Dosage-response curves of locomotion
and stereotypy in linear scale.
B: Dosage-response curves in
half-logarithm scale. Data are presented as mean±SEM
(n=10).
2.2
新型的多巴胺类及5-羟色胺类临床抗精神分裂症治疗药物利培酮对0.6 mg/kg MK801致BALB/c小鼠精神分裂症模型的作用
利培酮(risperidone简称ris)的药物起效时间要晚于MK801,
因此作者在对BALB/c小鼠腹腔注射MK801(简称MK)
前0.5 h (剂量: 0.6 mg/kg, 注射量: 100 μl/20
g体重), 先对不同组的受试小鼠分别注射生理盐水0.05、 0.1、
0.25、 0.5和5 mg/kg 5个剂量的利培酮,
对精神分裂症模型组先行注射生理盐水, 并设立了在注射生理盐水0.5 h后再次注射生理盐水的无药物对照组。然后记录, 观察和分析抗精神分裂症药物利培酮对0.6 mg/kg MK801致BALB/c小鼠精神分裂症模型的作用。
2.2.1
利培酮对BALB/c小鼠精神分裂症模型移动行为的作用
从图3A和B看,
0.05和0.1 mg/kg 利培酮能明显地抑制精神分裂症模型组小鼠的移动能力; 0.25、 0.5和5
mg/kg利培酮几乎使精神分裂症模型组小鼠完全处于不动状态。
2.2.2
利培酮对BALB/c小鼠精神分裂症模型的刻板性动作的作用
从图3C和D看,
0.05、 0.1、 0.25、
0.5和5 mg/kg利培酮对模型小鼠的刻板性动作的抑制程度随剂量的增加而逐渐增强, 直到模型小鼠处于完全不动状态。
总而言之, 利培酮对BALB/c品系模型小鼠的类似精神分裂症症状有明显的抑制作用。0.05和0.1
mg/kg的利培酮使精神分裂症模型小鼠的移动能力恢复到接近正常水平; 而0.25和0.5
mg/kg的利培酮能明显抑制精神分裂症模型小鼠的刻板性动
作, 使小鼠处于静止状态。
图3.利培酮对BALB/c小鼠精神分裂症模型症状的抑制作用
Fig.
3.
Risperidone
inhibition of schizophrenic symptoms in BALB/c mice.
A:
Time course of risperidone inhibition of locomotion.
B: Risperidone dosage vs cumulative locomotion in 2.5 h.
C: Time course of risperidone inhibition
of stereotypy.
D: Risperidone dosage vs cumulative
stereotypy in 2.5 h.
*P<0.05,
**P<0.01
and ***P<0.001, as compared
with MK801-only control group. Data are presented as mean±SEM
(n=10).
2.3
新型的多巴胺类及5-羟色胺类临床抗精神分裂症药物利培酮对0.6 mg/kg MK801致C57BL/6小鼠精神分裂症模型的作用
用近交系C57BL/6小鼠重复了BALB/c小鼠的上述实验,
观察到同样能产生类似精神分裂症的症状, 并用利培酮验证了对C57BL/6小鼠精神分裂症模型的作用。结果表明: 利培酮对C57BL/6品系模型小鼠的类似精神分裂症的症状同样具有明显的抑制作用。尤其是0.25和0.5 mg/kg的利培酮既能抑制类似精神分裂症的症状, 又能使精神分裂症模型小鼠的移动能力恢复到接近正常水平(图略)。
2.4 MK801诱发远交群ICR小鼠产生类似精神分裂症的症状
作者进一步将远交群ICR小鼠作为建立精神分裂症模型的实验动物, 设计了对照组和浓度分别为0.15、
0.3、 0.6、 1.0和2.0
mg/kg 5个剂量组的MK801溶液, 每个剂量组用10只小鼠, 同样分别以100
μl/20 g体重的注射量注射于小鼠左侧腹腔, 用旷场跑动行为活动检测系统同步检测记录其移动行为, 并同步摄录小鼠的活动情况,
用以分析统计小鼠刻板性动作。然后, 统计比较MK801各个剂量组在两项精神分裂症量化指标上的差异。
2.4.1
MK801诱发移动行为的变化
从图4A和B可以看出,
在给药后的4 h内, MK801 0.15－0.6 mg/kg的3个剂量导致小鼠产生的移动亢进累积效应, 明显地呈剂量依赖性增强; 而MK801
0.6－2 mg/kg的3个剂量则导致小鼠产生的移动亢进累积效应趋于饱和。
另一方面, 从图4A看,
0.3、 0.6、 1.0和2
mg/kg剂量的MK801诱发ICR小鼠产生移动加快效应的峰值时间明显呈剂量依赖性迁移。
2.4.2
MK801诱发刻板性动作
从图4C和D可以看出,
在给药后的4 h内, 对照组和低剂量0.15
mg/kg 的MK801没有诱发小鼠产生精神分裂症的典型症状的刻板性动作; 而中等剂量组0.3、
0.6、 1.0和2.0 mg/kg的
MK801呈剂量依赖性诱发了刻板性动作。
