摘要：世界卫生组织宣布神经系统紊乱是当今世界上最大的公共卫生风险之一。尽管人们越来越关注这些问题，但支持这些条件的机制仍知之甚少。由于人类神经系统的复杂性、明显的选择性区域脆弱性和不同的退行性进展，阐明机械调节的努力也可能受到阻碍。阐明这些因素的关键是确定区域的分子级联反应，发生于疾病发展的早期到晚期。虽然在人类的尸检分析中，在疾病的末期捕获了大量的分子数据，但疾病的早期阶段往往明显无症状，从“受影响”患者和“控制”的多个脑区重复取样是不道德的，也不可能。因此，模型系统成为阐明这些复杂神经退行性疾病机制的基础。然而，找到一个精确模拟人类状况的模型是极具挑战性和昂贵的。虽然在神经退行性研究中经常使用细胞和无脊椎动物模型，而且无疑产生了许多有用的数据，但这些系统的相对简单化的性质使我们从这种独立模式中得到的见解在转译时受到限制。鉴于基因编辑技术的最新进展，高阶物种新模式生成的选择为该领域开辟了新的和令人兴奋的可能性。

 

为什么我们需要动物来研究神经系统的状况？有必要提高我们对人类神经系统疾病的认识，尽管这些疾病的范围和发病率仍知之甚少。为了阐明由神经退行性病变所引起的分子级联，以及它们如何在整个疾病发展过程中发生变化，我们必须研究模型系统中重复的样本，这些样本至少在生理上代表了三个关键因素：首先，人类神经系统的复杂性；第二，明显的选择性区域脆弱性。第三，人类神经退行性病变的退行性进展。目前，我们不能仅仅通过使用硅片或体外研究来实现这些目标。因此迫切需要可靠的动物模型，从基因型到表型到区域病理生理学完全模拟神经疾病。使用动物进行科学研究是经常引起争议的问题。然而，如果没有动物研究，很可能无法支持复杂的神经退行性疾病的机制，无法设计新的干预措施，无法对药物治疗进行安全试验。在科学研究中使用动物的理由被广泛认为是通过研究疾病或检测药物或疫苗效力的方法来改善人类健康的一种手段。但糟糕的转译也引起了对有效利用动物的伦理关注。一个悬而未决的问题仍然是：使动物研究更准确地解释人类神经系统状况的最好方法是什么？

 

人类疾病的动物模型：虽然啮齿类动物模型有许多优点，但在啮齿类动物与人类的比较中却存在一些不足之处，包括大小、解剖结构和对感染的免疫反应等。此外，由于神经网络发展/维护/复杂性的差异，啮齿类动物在某些神经功能紊乱（如运动障碍）等关键特征方面的相关性也值得怀疑。

人类和大型动物中自然发生的神经系统疾病：当试图模拟人类进步的神经系统状况时，曾经理想的啮齿类动物的短生命周期变得有问题，而近亲繁殖模型不能真实地模拟任何人类种群的多样性。绵羊和猪的模型成为一个有吸引力的替代品，因为它们相对封闭，也许是一个更为社会接受的研究物种。有趣的是，这些动物体内已经存在一些紊乱。

 

神经元蜡样脂褐质沉积症：神经元蜡样脂褐质沉积症（NCLs）即Batten病，是一种罕见由溶酶体形式和功能相关基因突变引起的儿童致命性遗传疾病.目前，已经发现了14种突变，每种突变都产生了微妙的不同形式的紊乱，所有这些都与病理和临床特征有关，但不同于表型发病期和病程。共同的表型性状包括失明、认知和运动障碍，癫痫发作，所有会大大降低生命寿命。在一个自然发生的绵羊模型确定Batten病有几个引人注目的发现，包括建立所谓的“脂褐素”存储材料和相关区域的皮质萎缩性炎症。绵羊模型密切模仿人类的疾病，因此，任何潜在的分子靶点和治疗策略，可能对人类的多种遗传变异有益。

 

朊病毒病：Scrapie，绵羊自然发生的疾病，克雅氏病（CJD）的原型与人类的许多表型相似，包括共济失调、抑郁、厌食。共享的典型病理特征包括空泡变性、抗蛋白酶的形式的错误折叠的朊蛋白的积累以及神经元损失。研究人员已经成功地将几株菌株移植到繁殖小鼠模型中，使其更易于使用和需要较少的资金。这些模型已被用来描述和阐明有助于控制疾病进展的分子和致病机制，但它们也有其局限性。在这个大型哺乳动物模型的整个过程中多次取样导致了重大发现。不仅是在疾病的不同阶段血液传染，各种血液成分也有传染性。

 

Duchenne型肌营养不良症：Duchenne型肌营养不良症（DMD）是由肌营养不良蛋白基因突变与破坏性的下游效应导致，包括肌纤维损伤和身体残疾和亡在20岁左右过早死忘。这种无法治愈的疾病会影响男性患者产生认知障碍，表现为智商较低以及记忆和语言缺陷。DMD的一个自然模型发生在犬科动物身上，并且在目前使用的基因工程小鼠模型的开发前50年已经有了很好的记录。迄今为止，大约有20只犬品种被证明患有DMD，但只有其中的一对已经被很好地描述为实验模型，很可能是因为它们是一种伴侣动物。DMD的临床表型和病理犬模仿人类疾病几乎相同，例如，预期寿命降低到25%，这两个物种都有广泛和渐进的前肢纤维化，而在啮齿动物模型中只有部分重演。尽管如此，大多数研究使用啮齿类动物模型，但治疗方法尚未出台。

 

人免疫缺陷症病毒：有一系列与人类免疫缺陷病毒（HIV）相关的神经系统疾病，它可以表现出轻微的临床症状，如无症状的神经认知障碍和严重的痴呆。与成人相比，儿童更容易受到认知功能障碍的影响。虽然由于联合抗逆转录病毒疗法的引入，这些损伤的发生率已经降低，但更温和的形式仍然存在，并与年龄相关的中枢神经系统退行性疾病的风险增加有关。猴免疫缺陷病毒（SIV）是艾滋病病毒的原型，产生同样的HIV感染人典型的病理改变。使用SIV感染猴模型的一个警告是，只有25%的自然产生脑炎，经过不规则的潜伏期，导致了获得性免疫缺陷综合症（AIDS）的发展。

 

基因工程的大型动物模型：二十世纪，众多科技进步的出现，使大型动物研究取得了里程碑式的突破，成功克隆了多利羊，进而克隆了20多种不同的物种。在过去的十年中，基因编辑技术的进步使生产转基因大动物模型更精确，在某些情况下，更能的“充分”概括人类疾病。

 

单基因遗传病：疾病模型比单基因遗传病在技术上更容易产生。然而，这种条件的遗传基础有所简化。我们将描述两种转基因大动物模型：共济失调毛细血管扩张症（AT）和亨廷顿氏病（HD）。

 

共济失调毛细血管扩张症：遗传性疾病是由ATM基因突变引起的遗传性多系统疾病。患者患有浦肯野细胞丢失引起的运动障碍，而继发性免疫系统疾病通常会导致预期大约20 - 30年的寿命缩短。利用体细胞核移植（克隆）技术，在猪身上产生了具有ATM基因同源突变的一个极好的大型动物模型。这些在猪身上不仅表现出特征性的运动障碍，而且在小脑也有浦肯野细胞的丢失，这是啮齿类动物上从未观察到的人类疾病的特征。目前尚不清楚为什么小脑是ATM基因突变的目标；然而，该模型允许研究人员第一次发现浦肯野细胞数量在出生时就减少了。这一新发现尚未在人类患者身上观察到，这是由于疾病终末期样本采集的性质，因此进一步强调需要投资于大型动物模型来试图阐明疾病早期阶段的级联和机制。

 

亨廷顿氏病：常染色体显性遗传性，一段扩张的亨廷顿（HTT）蛋白，是致死性疾病亨廷顿氏病（HD）的病因，包括严重的认知障碍、人格改变等。迄今为止，已经有25多种转基因啮齿动物模型，但还没有一种能够准确地模拟人类在这种情况下所看到的神经退行性病变。有早期迹象表明，非人类的灵长类动物，羊和猪的模型表达突变Htt（小N端片段），这个表达式的神经毒性作用比转基因啮齿类动物更敏感，导致产后早期死亡，通常在出生后2至3天，取决于片段的表达。尽管他们过早死亡，但这些模型已显示出表型和病理特征，如大脑中的肌张力障碍和凋亡细胞，在较小的动物模型中没有观察到。虽然这些研究尚处于早期阶段，但这些HD转基因大动物模型的初步结果表明，它们更适合精确测定药物给药对HD特异性神经退行性疾病的治疗效果。

 

多基因遗传病：阿尔茨海默病（AD）：APP，PSEN1，PSEN2众多的基因密切关联是许多研究的重点，由于AD发病后期的异常处理和清除。许多转基因小鼠模型都是针对一个基因突变而产生的，其成功率各不相同，但这些啮齿类动物的短寿命周期是有问题的，因为年龄是AD模型的最大风险因素之一。考虑到这一点，猪成为一个有吸引力的选择建模疾病不仅是由于解剖的好处，其同源性也是同人类最高的。

 

帕金森病：年龄是发展帕金森氏病（PD）的最大危险因素之一，英国500人中大约有1人会发展这种进行性神经系统疾病。这一运动和认知障碍有许多病理特点包括神经细胞内蛋白质的夹杂物的形成，Lewy小体和黑质致密部多巴胺能神经元的损失。通过静脉输注多巴胺毒素四氢吡啶（MPTP），已在非人类的灵长类动物，绵羊、猪和猫等模型实验诱导帕金森样态。MPTP是亲脂性的，容易穿过血脑屏障，到目前为止，它一直是帕金森喜欢的动物模型的症状和病理的最佳诱导剂，对大多数灵长类动物和哥廷根小型猪其效果是短暂的。除黑质多巴胺能神经元缺损外，只有灵长类动物模型显示出Lewy小体的表达。由于没有一个单一的基因突变完全归因于PD，在单基因模型的许多啮齿动物/编辑显示变量在PD重演成功。没有成功的单基因的大动物模型编辑产生帕金森表型或病理学。

 

结论：为了更好地了解疾病的发病机制和发展更为复杂的治疗方法，人类条件的动物模型是必须的。这在考虑神经系统疾病的复杂性时尤其重要。我们强调了使用啮齿类动物来模拟神经疾病的许多潜在的局限性。这些包括但不限于进化距离，解剖异质性、寿命不同，近亲繁殖和生理异常，并能限制我们推断人类条件的能力，特别是当考虑一个多基因性疾病。然而，重要的是要注意，啮齿类动物模型在处理特定问题时能够而且确实导致重大发现。任何疾病，特别是神经系统疾病的适当模式选择是一个不可低估的复杂过程。从这些模型得出的数据，将导致更有效地利用动物在神经退行性研究，更多的生理相关的数据生成和治疗的见解增加翻译的可能性。许多人类神经系统疾病在大动物体内自然存在，使它们成为研究早期/有症状的事件的有用工具，可作为疾病的生物标记物和/或可能的治疗干预的目标。我们强调天然CLN5绵羊模型Batten病作为一个优秀的例子，一个大的动物不仅可以用于新型疾病的影响因素的识别，而且用于潜在疗法的发展。然而，自发模式是相对有限的。直到最近，转基因模型的构建在啮齿类动物才实现随着TALEN和CRISPR技术等先进技术的发展，大型转基因动物模型是可实现的。虽然这种模型的生产还处于起步阶段，但已经有了重大进展，猪模型的产生已经取得了新的进展。大型动物模型通常比啮齿类动物在表型和病理学方面更接近人类的神经紊乱，为啮齿类动物和人类之间的转译提供了一种选择。