生物技术进展 ›› 2023, Vol. 13 ›› Issue (4): 509-523.DOI: 10.19586/j.2095-2341.2023.0014
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收稿日期:
2023-02-13
接受日期:
2023-04-17
出版日期:
2023-07-25
发布日期:
2023-08-03
通讯作者:
黄昆仑,仝涛
作者简介:
方靖靖 E-mail: fangjingjing@cau.edu.cn;
基金资助:
Jingjing FANG1(), Kunlun HUANG1,2,3(
), Tao TONG1,2,3(
)
Received:
2023-02-13
Accepted:
2023-04-17
Online:
2023-07-25
Published:
2023-08-03
Contact:
Kunlun HUANG,Tao TONG
摘要:
孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)是一种典型的由遗传或/和环境因素引起的异质性神经发育障碍。ASD患者的主要特征是社交沟通障碍、语言沟通障碍和刻板行为。目前,ASD的发病机制尚不明确,缺乏有效的治疗方法。综述了近年来用于ASD研究的细胞模型和动物模型,包括PC12细胞、SH-SY5Y细胞、人诱导多能干细胞、淋巴母细胞系和原代神经元,以及非哺乳动物模型、产前丙戊酸暴露模型、BTBR特发性小鼠模型、母体免疫激活模型、基于ASD易感基因构建的啮齿类动物模型和非人灵长类动物模型,总结了现有的ASD细胞模型和动物模型的关键信息,重点阐述了各模型的优势、局限性、构建方法和重要注意事项,以期为探索ASD的发病机制和开发新的诊疗方法奠定基础。
中图分类号:
方靖靖, 黄昆仑, 仝涛. 孤独症谱系障碍实验模型研究进展[J]. 生物技术进展, 2023, 13(4): 509-523.
Jingjing FANG, Kunlun HUANG, Tao TONG. Research Progress on Experimental Models of Autism Spectrum Disorders[J]. Current Biotechnology, 2023, 13(4): 509-523.
细胞模型 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
PC12细胞模型 | 探索ASD易感基因如NLGN-3和PTEN的功能[ | 研究神经发育的标准细胞模型 | 是一类肿瘤细胞,经过多次传代后其形态和特性都会发生变化 |
SH-SY5Y细胞模型 | 探索ASD易感基因如SHANK2的功能[ | 研究神经表型和神经变性疾病的良好细胞模型 | 不能观察神经发育过程;未分化细胞对神经毒素和神经保护剂的敏感性较低 |
hiPSCs细胞模型 | 探讨ASD易感基因如DSCAM的功能[ | 具有胚胎干细胞的形态和遗传特征;发展个体化医学 | 无法观察到典型的病理表型;必须严格控制致瘤风险 |
LCLs细胞模型 | 探索ASD与氧化应激的关系;研究线粒体功能障碍与ASD的关系;筛选防治ASD的候选药物 | 反映机体的免疫状态;协助疾病诊断 | 采集后难以保存,不能传代培养;患者的LCLs标本往往需要反复采集 |
原代神经元细胞模型 | 探索Wnt信号通路、内质网应激、NLGN表达与ASD的关系[ | 更接近神经元在人体内的状态 | 无法完全模拟体内环境 |
表1 细胞模型在ASD研究中的应用以及优缺点
Table 1 The application, advantages and disadvantages of cell models in ASD research
细胞模型 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
PC12细胞模型 | 探索ASD易感基因如NLGN-3和PTEN的功能[ | 研究神经发育的标准细胞模型 | 是一类肿瘤细胞,经过多次传代后其形态和特性都会发生变化 |
SH-SY5Y细胞模型 | 探索ASD易感基因如SHANK2的功能[ | 研究神经表型和神经变性疾病的良好细胞模型 | 不能观察神经发育过程;未分化细胞对神经毒素和神经保护剂的敏感性较低 |
hiPSCs细胞模型 | 探讨ASD易感基因如DSCAM的功能[ | 具有胚胎干细胞的形态和遗传特征;发展个体化医学 | 无法观察到典型的病理表型;必须严格控制致瘤风险 |
LCLs细胞模型 | 探索ASD与氧化应激的关系;研究线粒体功能障碍与ASD的关系;筛选防治ASD的候选药物 | 反映机体的免疫状态;协助疾病诊断 | 采集后难以保存,不能传代培养;患者的LCLs标本往往需要反复采集 |
原代神经元细胞模型 | 探索Wnt信号通路、内质网应激、NLGN表达与ASD的关系[ | 更接近神经元在人体内的状态 | 无法完全模拟体内环境 |
非哺乳动物模型 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
果蝇模型 | FMR1突变果蝇之间的互动较少,存在学习记忆缺陷[ | 阐明ASD的分子机制;筛查ASD风险基因和药物 | 生殖周期短、低成本,简单保守的基因组 | 生理、解剖和行为特征都与人类有较大差异 |
秀丽隐杆线虫模型 | NLGN-1基因R433C错义突变可导致社会功能障碍[ | 探索新的ASD易感基因及ASD的潜在治疗方法 | 保守且简单的神经元通路 | 大脑结构和生理特征与人类有较大差异 |
斑马鱼模型 | VPA处理可降低斑马鱼的细胞增殖和颜色偏好[ | 探讨ASD易感基因的功能;筛选ASD候选药物 | 繁殖快、药物使用方便且成本低;表现出明确定义的刻板样行为 | 低同源性;在解剖和行为特征上与人类存在巨大差异 |
鸣禽类动物模型 | 研究CNTNAP2等语言相关基因在鸣禽学习发声回路中的作用[ | 揭示ASD语言障碍的相关分子机制 | 模拟语言沟通障碍 | 大脑不发达 |
表2 非哺乳动物模型在ASD研究中的应用以及优缺点
Table 2 The application, advantages, and disadvantages of non-mammalian models in ASD study
非哺乳动物模型 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
果蝇模型 | FMR1突变果蝇之间的互动较少,存在学习记忆缺陷[ | 阐明ASD的分子机制;筛查ASD风险基因和药物 | 生殖周期短、低成本,简单保守的基因组 | 生理、解剖和行为特征都与人类有较大差异 |
秀丽隐杆线虫模型 | NLGN-1基因R433C错义突变可导致社会功能障碍[ | 探索新的ASD易感基因及ASD的潜在治疗方法 | 保守且简单的神经元通路 | 大脑结构和生理特征与人类有较大差异 |
斑马鱼模型 | VPA处理可降低斑马鱼的细胞增殖和颜色偏好[ | 探讨ASD易感基因的功能;筛选ASD候选药物 | 繁殖快、药物使用方便且成本低;表现出明确定义的刻板样行为 | 低同源性;在解剖和行为特征上与人类存在巨大差异 |
鸣禽类动物模型 | 研究CNTNAP2等语言相关基因在鸣禽学习发声回路中的作用[ | 揭示ASD语言障碍的相关分子机制 | 模拟语言沟通障碍 | 大脑不发达 |
啮齿类动物模型 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
产前丙戊酸暴露模型 | 社交能力受损;超声发声频率降低,持续时间缩短;呈现出理毛和挖掘等重复性行为增加的总体趋势;表现出与ASD患者相似的肠道菌群失调[ | 探究VPA诱导ASD分子机制;筛选候选药物,如白藜芦醇 | 可以模拟典型和核心ASD表型 | 目前尚无统一、标准化的模型构建方法 |
BTBR特发性小鼠模型 | 表现出明显的学习和认知障碍、社交障碍、发声能力异常;表现出增加的重复行为[ | 探索ASD的病理;筛选候选药物 | 表型和解剖学特征与ASD患者一致 | BTBR小鼠的异常行为主要由Kmo基因的3个单核苷酸多态性引起 |
MIA模型 | 表现为超声发声频率降低,社会偏好减少,刻板行为增多;胃肠道屏障缺陷,肠道微生物群紊乱 | 筛选ASD的潜在治疗方法,如脆弱拟杆菌 | 显示ASD的核心症状和常见的神经病理学改变 | Poly I:C诱导MIA模型的方法不统一,注射剂量、注射时间、注射次数不一 |
表3 常用的啮齿类动物模型在ASD研究中的应用以及优缺点
Table 3 The application, advantages and disadvantages of commonly used rodent models in ASD study
啮齿类动物模型 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
产前丙戊酸暴露模型 | 社交能力受损;超声发声频率降低,持续时间缩短;呈现出理毛和挖掘等重复性行为增加的总体趋势;表现出与ASD患者相似的肠道菌群失调[ | 探究VPA诱导ASD分子机制;筛选候选药物,如白藜芦醇 | 可以模拟典型和核心ASD表型 | 目前尚无统一、标准化的模型构建方法 |
BTBR特发性小鼠模型 | 表现出明显的学习和认知障碍、社交障碍、发声能力异常;表现出增加的重复行为[ | 探索ASD的病理;筛选候选药物 | 表型和解剖学特征与ASD患者一致 | BTBR小鼠的异常行为主要由Kmo基因的3个单核苷酸多态性引起 |
MIA模型 | 表现为超声发声频率降低,社会偏好减少,刻板行为增多;胃肠道屏障缺陷,肠道微生物群紊乱 | 筛选ASD的潜在治疗方法,如脆弱拟杆菌 | 显示ASD的核心症状和常见的神经病理学改变 | Poly I:C诱导MIA模型的方法不统一,注射剂量、注射时间、注射次数不一 |
ASD易感基因 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
NLGN家族 | NLGN-1基因敲除小鼠表现出空间学习记忆缺陷,刻板行为增多[ | 探索NLGN家族在ASD发病中的作用 | 靶基因以及NLGN家族的基因功能已经明确 | 局限于针对NLGN基因缺陷的ASD患者的研究;不同的突变模型表现出不同的表型特征 |
NRXN家族 | NRXN-1α和NRXN-2α基因敲除小鼠表现出社交障碍和焦虑相关行为缺陷[ | 探讨NRXN家族在ASD中的作用;利培酮等候选药物的筛选 | 靶基因以及NRXN家族的基因功能已经明确 | 研究针对NRXN基因缺陷的ASD患者;不同的突变模式表现出不同的表型 |
SHANK家族 | SHANK3α基因敲除小鼠对探索新事物的兴趣降低;SHANK3 PDZ敲除小鼠表现出增加的重复行为和社会互动障碍[ | 探索SAHNK家族在ASD中的作用 | SHANK家族的靶基因和功能已经明确;SHANK3是与ASD最相关的基因之一 | 仅限于具有SHANK缺陷的ASD;不同的突变模式表现出不同的表型 |
MECP2 | MECP2突变小鼠表现出社会行为下降,学习记忆能力异常,重复行为增加[ | 探索MECP2在ASD发生中的作用 | 靶基因和MECP2的功能已经明确 | 仅限于伴随MECP2基因缺陷的ASD |
FMR1 | FMR1基因敲除小鼠表现出增加的重复行为、焦虑和社交障碍[ | 探讨FMR1在ASD中的作用 | 建立关键疾病模型,探索ASD的病理生理学特征和分子机制 | 仅限于伴有FMR1缺陷和FXS的ASD;未能完全呈现FXS和ASD表型 |
TSC1/2 | 浦肯野细胞中TSC1和TSC2的缺失会导致小鼠的社交障碍、发声异常和重复行为增加[ | ASD的病理学研究;开发ASD潜在治疗方法,如mTOR抑制剂 | 靶基因和TSC1/2的功能已经明确 | 局限于伴有TSC1/2基因缺陷的ASD |
PTEN | 小脑浦肯野细胞中PTEN的缺失导致社交能力受损、重复行为增多[ | 了解PTEN在ASD中的作用;提示mTOR抑制剂作为治疗药物的潜力 | PTEN的功能已经明确;在多达20%的ASD儿童中发现了PTEN突变 | 局限于伴有PTEN基因缺陷的ASD |
UBE3A | 前额叶皮质中UBE3A的过表达使小鼠表现出重复性行为增加和社会交往缺陷 | 介绍ASD病因学的新展望;筛选治疗ASD候选药物,如维A酸 | 靶基因和UBE3A的功能已经明确 | 局限于存在UBE3A缺陷的ASD;一些突变模型没有表现出ASD样行为特征 |
表4 基于ASD易感基因构建的啮齿动物模型在ASD研究中的应用以及优缺点
Table 4 The application, advantages and disadvantages of rodent models based on ASD susceptibility genes in ASD study
ASD易感基因 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
NLGN家族 | NLGN-1基因敲除小鼠表现出空间学习记忆缺陷,刻板行为增多[ | 探索NLGN家族在ASD发病中的作用 | 靶基因以及NLGN家族的基因功能已经明确 | 局限于针对NLGN基因缺陷的ASD患者的研究;不同的突变模型表现出不同的表型特征 |
NRXN家族 | NRXN-1α和NRXN-2α基因敲除小鼠表现出社交障碍和焦虑相关行为缺陷[ | 探讨NRXN家族在ASD中的作用;利培酮等候选药物的筛选 | 靶基因以及NRXN家族的基因功能已经明确 | 研究针对NRXN基因缺陷的ASD患者;不同的突变模式表现出不同的表型 |
SHANK家族 | SHANK3α基因敲除小鼠对探索新事物的兴趣降低;SHANK3 PDZ敲除小鼠表现出增加的重复行为和社会互动障碍[ | 探索SAHNK家族在ASD中的作用 | SHANK家族的靶基因和功能已经明确;SHANK3是与ASD最相关的基因之一 | 仅限于具有SHANK缺陷的ASD;不同的突变模式表现出不同的表型 |
MECP2 | MECP2突变小鼠表现出社会行为下降,学习记忆能力异常,重复行为增加[ | 探索MECP2在ASD发生中的作用 | 靶基因和MECP2的功能已经明确 | 仅限于伴随MECP2基因缺陷的ASD |
FMR1 | FMR1基因敲除小鼠表现出增加的重复行为、焦虑和社交障碍[ | 探讨FMR1在ASD中的作用 | 建立关键疾病模型,探索ASD的病理生理学特征和分子机制 | 仅限于伴有FMR1缺陷和FXS的ASD;未能完全呈现FXS和ASD表型 |
TSC1/2 | 浦肯野细胞中TSC1和TSC2的缺失会导致小鼠的社交障碍、发声异常和重复行为增加[ | ASD的病理学研究;开发ASD潜在治疗方法,如mTOR抑制剂 | 靶基因和TSC1/2的功能已经明确 | 局限于伴有TSC1/2基因缺陷的ASD |
PTEN | 小脑浦肯野细胞中PTEN的缺失导致社交能力受损、重复行为增多[ | 了解PTEN在ASD中的作用;提示mTOR抑制剂作为治疗药物的潜力 | PTEN的功能已经明确;在多达20%的ASD儿童中发现了PTEN突变 | 局限于伴有PTEN基因缺陷的ASD |
UBE3A | 前额叶皮质中UBE3A的过表达使小鼠表现出重复性行为增加和社会交往缺陷 | 介绍ASD病因学的新展望;筛选治疗ASD候选药物,如维A酸 | 靶基因和UBE3A的功能已经明确 | 局限于存在UBE3A缺陷的ASD;一些突变模型没有表现出ASD样行为特征 |
非人灵长类动物模型 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
SHANK3突变食蟹猴 | 重复行为增加,社交和学习缺陷 | 对ASD神经机制具有重要的研究价值;开发潜在干预措施 | 与人类同源性最高;通过面部表情、肢体和声音进行社会交流;模拟ASD患者的行为缺陷;拥有参与社会行为的关键脑区;社会注意力缺陷可以通过眼动追踪技术进行评估 | 生命周期和研究周期长;维护费用昂贵;需要专门的设施;动物伦理制度严格 |
MECP2突变食蟹猴 | 焦虑增加、重复活动和社交缺陷 | |||
VPA暴露狨猴 | 缺乏社交动机和兴趣下降 | |||
Poly I:C恒河猴 | 重复行为增加和社会能力受损 | |||
X射线照射恒河猴 | 更多的刻板行为和认知行为障碍 | |||
母体抗体暴露恒河猴 | 一定的社交障碍和脑容量增加 |
表5 非人灵长类动物模型在ASD研究中的应用以及优缺点
Table 5 The application, advantages and disadvantages of non-human primate models in ASD study
非人灵长类动物模型 | 表型特征 | 潜在应用 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|---|
SHANK3突变食蟹猴 | 重复行为增加,社交和学习缺陷 | 对ASD神经机制具有重要的研究价值;开发潜在干预措施 | 与人类同源性最高;通过面部表情、肢体和声音进行社会交流;模拟ASD患者的行为缺陷;拥有参与社会行为的关键脑区;社会注意力缺陷可以通过眼动追踪技术进行评估 | 生命周期和研究周期长;维护费用昂贵;需要专门的设施;动物伦理制度严格 |
MECP2突变食蟹猴 | 焦虑增加、重复活动和社交缺陷 | |||
VPA暴露狨猴 | 缺乏社交动机和兴趣下降 | |||
Poly I:C恒河猴 | 重复行为增加和社会能力受损 | |||
X射线照射恒河猴 | 更多的刻板行为和认知行为障碍 | |||
母体抗体暴露恒河猴 | 一定的社交障碍和脑容量增加 |
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