遗传与药理学靶向Hsp72过表达/诱导对兼具淀粉样蛋白和tau病理的阿尔茨海默病小鼠模型的影响

《Journal of Neuroscience Research》：Genetic and Pharmacological Targeting of Hsp72 Overexpression/Induction in an Alzheimer's Disease Mouse Model With Combined Amyloid and Tau Pathology

　　

摘要 热休克蛋白72（Heat shock protein 72, Hsp72），作为Hsp70家族中一种应激诱导型成员，已被认为能够减轻淀粉样蛋白-β（amyloid-beta, Aβ）和tau病理的致病效应，这两者均是阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）发生与发展的关键因素。然而，目前尚无体内研究探讨当Aβ和tau病理同时存在时，Hsp72能否发挥保护作用。本研究旨在采用遗传学方法（转基因过表达）和药理学验证方法（BGP-15）来提高表现出Aβ和tau病理的小鼠（5xFADxTg30模型）中Hsp72的表达水平。研究人员的发现表明，在该模型中，遗传性Hsp72过表达并未显著改变Aβ或tau负荷、运动功能缺陷或身体成分的改变，但略微提高了存活率（主要由雄性小鼠的结果驱动）并改变了焦虑样行为（主要由雌性小鼠的结果驱动）。同样，BGP-15治疗也无法挽救行为特征、运动缺陷、身体成分或减轻Aβ或tau的积累，尽管该治疗也显示出提高存活率的趋势（再次出现在雄性小鼠中）并改变了焦虑样行为（特别是在雌性小鼠中）。虽然与野生型（WT）小鼠相比，5xFADxTg30小鼠表现出癫痫易感性，但BGP-15无法缓解这一特征。这些发现与BGP-15治疗后大脑中Hsp72丰度的任何可测量增加无关。总之，这些结果表明，在这个兼具Aβ和tau病理的模型中，遗传过表达和药理学靶向Hsp72蛋白丰度的影响有限，但注意到了一些性别特异性差异。

论文解读文章

研究背景

阿尔茨海默病是一种多因素疾病，其核心病理特征包括淀粉样蛋白-β斑块的积聚和由过度磷酸化的tau蛋白组成的神经原纤维缠结。近年来，虽然已有多种靶向相关通路的药物获得批准用于AD患者，但这些治疗效果远非理想。热休克蛋白70家族的应激诱导型成员Hsp72被认为是一种分子伴侣，在维持细胞蛋白质稳态中发挥重要作用。体外和临床前研究表明，Hsp72能够抑制Aβ早期阶段的聚集，降低tau水平并选择性减少过度磷酸化的tau种类。然而，先前的研究多在单一病理模型中进行，缺乏在同时存在Aβ和tau病理的更贴近人类病理状态的模型中的评估。此外，BGP-15作为一种已知能在特定病理条件下诱导Hsp72表达的多靶点候选药物，还具有抑制PARP-1、减轻内质网应激、减少氧化应激等多种与AD相关的潜在有益特性。因此，研究人员开展此项研究，旨在在一个同时展现Aβ和tau病理的临床前模型中，系统评估遗传性升高Hsp72表达以及通过BGP-15进行药理学干预的效果。

研究方法

研究人员采用了两种策略来提升Hsp72水平。一是遗传学方法，将5xFADxTg30双转基因小鼠与Hsp72Tg转基因小鼠杂交，创建在三重转基因模型5xFADxTg30xHsp72Tg。二是药理学方法，给5xFADxTg30小鼠及其野生型同窝对照小鼠长期口服BGP-15。所有小鼠均基于C57BL/6J遗传背景。研究终点设定为10月龄。研究使用了多种行为学测试，如用于评估空间记忆的Cheeseboard迷宫和水迷宫、用于评估短期记忆的Y迷宫、用于评估焦虑样行为的高架十字迷宫等。运动功能通过转棒实验、悬挂线实验和步态分析进行评估。代谢表型通过身体成分分析和口服葡萄糖耐量试验进行表征。癫痫易感性通过杏仁核电点燃模型进行评估。分子层面，利用Western blotting技术检测脑组织中Hsp72、总tau、磷酸化tau以及Aβ的蛋白水平。

研究结果

遗传模型

1. 1.
   模型验证与基础表型：Western blotting证实，在5xFADxTg30xHsp72Tg小鼠的海马和小脑中，Hsp72蛋白表达显著上调。Hsp72过表达未能逆转5xFADxTg30小鼠表现出的体重、瘦体重和脂肪质量下降的表型，仅在7月龄时对脂肪丢失有部分挽救。Hsp72过表达对肌肉重量也无改善作用。生存曲线分析显示，Hsp72过表达对生存率有轻微的保护趋势，该效应几乎完全由雄性小鼠驱动。
2. 2.
   行为学测试：在Cheeseboard迷宫、Y迷宫和新物体识别测试中，未观察到Hsp72过表达能改善5xFADxTg30小鼠的空间或非空间记忆缺陷。在高架十字迷宫中，5xFADxTg30小鼠表现出更多的冒险行为，而Hsp72过表达有使其行为趋于正常化的趋势，该保护效应主要由雌性小鼠驱动。
3. 3.
   运动与代谢功能：Hsp72过表达未能挽救5xFADxTg30小鼠在转棒实验和悬挂线实验中表现出的运动协调性和肌力缺陷。在葡萄糖耐量方面，也未观察到Hsp72过表达的改善作用。
4. 4.
   病理学标志物：Western blotting结果显示，Hsp72过表达并未改变海马中磷酸化tau、总tau或Aβ的水平。

药理学模型

1. 1.
   药物暴露与Hsp72表达：在终点检测到血浆和脑组织中含有BGP-15，但其浓度在两组间无显著差异。更重要的是，长期BGP-15给药并未导致海马或小脑中Hsp72蛋白丰度的增加。
2. 2.
   身体组成与生存率：BGP-15治疗未改变身体组成或肌肉重量。与遗传模型类似，BGP-15治疗也显示出提高5xFADxTg30小鼠生存率的趋势，该效应同样主要由雄性小鼠驱动。
3. 3.
   行为学测试：水迷宫测试显示，5xFADxTg30小鼠存在空间记忆障碍，但BGP-15无效。Y迷宫测试中，5xFADxTg30小鼠在新异臂停留时间更短，BGP-15也无改善。高架十字迷宫测试中，5xFADxTg30小鼠表现出异常的风险偏好行为，BGP-15仅在雌性小鼠中表现出减少开放臂探索时间的趋势。
4. 4.
   运动与代谢功能：BGP-15未能改善5xFADxTg30小鼠的活动水平下降、转棒和悬挂线性能缺陷。步态分析发现，5xFADxTg30小鼠在所有四肢均表现出摆动和推进持续时间缩短、步频增加，提示肌无力，BGP-15治疗无效。BGP-15也未能改变异常的葡萄糖耐量。
5. 5.
   癫痫易感性与病理学：电点燃模型证实5xFADxTg30小鼠存在显著的癫痫易感性，但BGP-15不能缓解。最终，BGP-15治疗也未能降低脑内磷酸化tau、总tau或Aβ的水平。

结论与讨论

本研究表明，无论是通过遗传手段还是药理学方法靶向Hsp72，均未能在同时具有Aβ和tau病理的5xFADxTg30小鼠模型中有效减轻这两种蛋白的负荷或改善大部分生理和行为参数。尽管在体外和单一病理模型中Hsp72显示出潜力，但在更复杂的联合病理模型中的失败，强调了在更具代表性的疾病模型中进行验证的重要性。研究观察到的两个一致的性别特异性现象值得关注：一是遗传和药理干预均倾向于提高雄性小鼠的生存率，二是两者均在雌性小鼠中影响了焦虑样行为。这暗示两种干预可能共享一个共同的生物学机制，并以性别依赖性方式发挥作用。此外，研究首次详细描述了该模型的步态异常和癫痫易感性，为其作为研究Aβ和tau协同致病机制的模型提供了新的价值。研究人员的结论是，单独靶向Hsp72表达水平不太可能成为有效的AD治疗策略，但所发现的性别特异性差异值得进一步深入研究。