神经管畸形动物模型的研究进展

神经管畸形动物模型的研究进展 神经管畸形动物模型的研究进展王秀伟综述王建华牛勃审校首都儿科研究所北京 100020摘要:神经管畸形neuraltubedefectsNTDs是一类常见的发病率高且后果严重的 出生缺陷为影响我国出生人口素质的重要问题。目前其大部分研究内容依靠动物模 型来完成。神经管畸形动物模型的建立对研究其发病机制及其防治起着重要作用。 本文从物理和化学两方面因素对神经管畸形动物模型诱导方法及其机制作一综述。 关键词:神经管畸形动物模型机制中图分类号:R33文献标识码:A文章编 号:10069534201102000403AreviewontheneuraltubedefectsanimalmodelWANGXiuweiWANGJianghuaNIUBoDepartmentofBiotechnolo-gyCapitalInstituteofPediatricsBeijing100020ChinaAbstract:NeuraltubedefectsNTDsisoneofthecommonhighincidenceseriousconsequencesbirthdefectsItisanim-portantproblemtoaffectthequalityofourcountrypopulationNowthemostcontentoftheresearcharefinisheddependingonanimalmodelResearchonanneuraltubedefectsanimalmodelplaysanimportantroleinstudyingthedevelopmentofpathogenesispreven-tionandtreatmentThisarticlereviewsthemethodsofNTDsinductionanditsmechanismfromthetwofactorsofphysicalandchemi-calKeywords:NeuraltubedefectsAnimalmodelMechanism神经管畸形NTDs是一种常见的出生缺陷属于多基因遗传病是在胚胎发育早期 神经管闭合时出现异常导致神经管闭合不全而引起一系列先天性畸形。一旦发生不 可逆转多在孕期或出生后很短的时间内死亡。神经管的发生和分化是通过细胞的形 态变化、增殖、凋亡、分化等过程而实现的在此期间所有能阻碍和干扰神经管正常 发育的因素包括遗传及环境因素均可导致神经管闭合障碍从而引起NTDs出现无脑、 露脑、脑膨出、脊柱裂等畸形但其发生机制并不清楚这给针对性预防和治疗NTDs 带来了很大的困难。实验性神经管动物模型是指通过物理、化学等致病因素人工诱 发出的具有NTDs特征的动物模型从而有助于对其发病机理进行研究以达到预防及 治疗的目的。本文对NTDs的模型建立及相关机制研究进行综述。一、物理因素所致 的神经管畸形动物模型1高温导致神经管畸形动物模型高温是一类常见的物理致畸 因子。1967年Edwards1首次揭示在怀孕早期高温可以引起胚胎NTDs随后不少学者对 其发生机理进行研究。动物实验明高温可抑制神经上皮细胞及其周围间充质细胞 的增殖干扰上皮细胞的位置移动和形态变化使细胞凋亡增加细胞数目减少两侧神经 褶不能正常闭合从而导致了神经管的形成、分化异常最终形成NTDs。马金龙等利用 黄金地鼠于孕8天置42?水浴20min并证实该条件下鼠胚NTDs发生率最高、致死率最 低而对照组不做任何处理来探讨高温致畸中细胞凋亡的发生与层粘连蛋白LN及生 长抑素SS的相关性结果表明高温可促进胚胎SS的表达、短暂抑制LN的合成从而诱 导神经上皮和周围间充质细胞凋亡的发生引起NTDs。近年来人们从细胞、亚细胞和 分子水平对高温导致NTDs的机理进行了大量动物实验及细胞培养研究观察了高温 对细胞增殖、凋亡、分化、粘着、组织诱导和器官发生等方面的影响。发现在神经 管形成、分化过程中某一或某些相关基因的特异性表达或特异性不表达、上调表达 如bax或下调表达如bcl2都会导致神经管发育异常引发NTDs。Qing2等利用抑制性消 减杂交的方法发现了高温致NTDs下调表达的基因并根据这些基因编码蛋白的功能 将其分为四类:1核糖体蛋白类如核糖体蛋白S42参与代谢的酶类如Obub13翻译及转 录相关因子类如真核启动因子2AEif2a4其他另外还发现磷酸甘油酸酯激酶1pkg1的 上调表达与高温致NTDs有关。也有文献报道高温致NTDs中细胞凋亡的发生与癌基 因的异常表达有关。如p53、p21的表达具有抑制高温导致出生缺陷3核磷蛋白1Npm14 通过P53途径抑制神经干细胞增殖、减少其凋亡提示其具有抗凋亡作用对神经系统 的正常发育具有重要的调节作用。Barrier5等利用转基因小鼠研究结果表明热休克蛋白Hspa1a和Hspa1b基因在高温致出生缺陷过程中起着重要的保护作用其机制可能是其降低了高温诱导的细胞凋亡。2高糖导致神经管畸形动物模型流行病学及动物实验证明妊娠期糖尿病及孕期持续性高血糖均可引起NTDs68但其发生机理至今不是很清楚国内外学者研究发现高血糖可使胚胎发育中的神经上皮过度凋亡进而导致神经管不能闭合而产生畸形。近年来有研究显示妊娠期糖尿、糖尿病妊娠及高血糖引起胚胎细胞氧化应激而导致神经上皮过度凋亡密切相关9为高糖致畸机理的研究提供了新思路但其具体的机制尚不清楚。高青等通过动物实验研究表明高血糖致畸作用是通过抑制神经上皮干细胞的增殖和代谢、促进神经上皮干细胞的凋亡而实现的。贾德永等研究发现高糖培养可引起神经前体细胞过度凋亡45mM的葡萄糖致神经前体细胞凋亡作用最理想从而确认该浓度是研究高糖诱导神经前体细胞凋亡机理的最佳细胞模型浓度与此同时阐明了cAbl基因的高表达在高糖致神经前体细胞凋亡中有明显的促进作用为高血糖致神?4?中国优生与遗传杂志2011年第19卷第2期经管畸形在基因水平上的机理和防治研究提供了重要的理论的支持。此外也有研究发现饮食导致的高升胰岛素指数行为可增加胎儿患NTDs的风险10进一步证实高血糖是NTDs发生的重要因素。二、化学因素所致的神经管畸形动物模型1环磷酰胺导致神经管畸形的动物模型环磷酰胺CP是双功能烷化剂及细胞周期非特异性药物为临床上常用的抗肿瘤药物和免疫抑制剂。已有报道指出其具有致畸作用11也有实验表明畸形的 及细胞过度凋亡有关1617。赵海峰等研究结果显示利用环发生可能与氧化应激1215 磷酰胺制备大鼠NTDs模型以125mg/kg的剂量效果最佳致畸率高且致死率低且畸形的发生与孕鼠机体抗氧化能力降低及胚胎神经管细胞凋亡有关。此外国内学者先后报道环磷酰胺导致NTDs的可能机制:1CP可抑制神经上皮细胞增殖诱导细胞凋亡导致增殖凋亡比例失衡2CP可使βtubulin、NeuN的表达降低干扰神经上皮细胞向神经元方向分化3CP可引起线粒体等细胞超微结构的破坏损伤神经管周围的间充质。有文献报道含有多酚类物质的食物有一定的神经保护性18而大豆异黄酮结构中含有酚羟基其与叶酸配伍降低NTDs发生率的效果明显优于两个因素单独干预二者联合作用使Bcl2上调及Bax、P53蛋白下调从而减少神经细胞过度凋亡和DNA的损伤19。二者配伍也可以对抗β淀粉样蛋白140诱导的神经毒性20。另外国内也有文献报道大豆异黄酮联合叶酸降低NTDs的发生率与两者配伍参与调控胎鼠脑细胞Pax和Cx43基因表达有关。2维甲酸导致神经管畸形动物模型维甲酸是维生素A在体内的自然活性代谢物也是胚胎发育过程中不可缺少的因素已有研究资料提示维甲酸在机体发育及维持机体正常生理功能方面均有重要作用过多过少均可引起神经系统发育的畸形。利用维甲酸诱导形成的NTDs模型在科学研究中已得到广泛应用但其具体的致畸机理并不清楚。有研究表明利用维甲酸诱导昆明小鼠的露脑畸形发生率随药物剂量的加大而增高随胎龄的增加而降低。于孕775天E775灌服30mg/kg维甲酸可诱导94E105/769E169胚胎露脑畸形发生率是其实验确定最佳致畸动物模型。而利用Swiss小鼠于E8腹膜内注射70mg/kg维甲酸可导致不同类型的出生缺陷且致畸率最佳21。Liu22等利用全反式维甲酸橄榄油混悬液按120mg/kg在BALB/C小鼠怀孕第95天E95B组或E105C组灌胃A组仅用橄榄油灌胃。取不同时期胎鼠进行Van-gl1及Vangl2基因表达量及时空表达的检测结果显示正常情况下Vangll及Vangl2基因在整个神经胚形成过程中都有强表达。而B组胎鼠从脑到后神经孔Vangl1及Vangl2基因表达显 著下调。C组较复杂二基因表达在全胚胎从E115到E135及神经管脊柱区从E155到E195显著下调并维持低表达但在神经管的颅区E155到E195仅中度下调。结果表明维甲酸诱导的NTDs的发生与Vangl1及Van-gl2基因转录子下调有关。维甲酸可以干扰神经发育影响神经脊细胞的迁移导致脊柱裂、脊髓裂开和神经结构瘤的发生23。李红丽等研究发现胚胎早期神经干细胞的数目减少及神经细胞增殖受抑制与维甲酸致NTD的发生有密切关系观察了维甲酸诱导的NTDs小鼠在胚胎、新生及成年期神经组织的细胞周期的变化发现在胚胎期G0/G1期细胞数百分比明显高于正常组S期细胞数百分比明显低于正常组表明NTDs发生时维甲酸诱导了早期发育阶段的神经细胞G1期阻滞并降低了S期细胞的百分数提示维甲酸改变了神经管腹侧神经细胞的增殖速度使细胞的分裂受到抑制而增殖失去平衡。有学者认为维甲酸致畸作用可能与其在时间和空间上不适当激活或抑制了其下游形态发生相关调控基因有关。如Smad信号的分布24及microRNAs25均与维甲酸诱导的NTDs有关。一般认为过量的维甲酸可能通过调节RARα和RARβ的表达影响下游与发育相关基因的正常调控从而干扰神经管闭合过程导致NTDs发生。但有研究发现Wnt信号通路参与小鼠胚胎神经系统正常发育过量维甲酸可干扰Wnt信号通路分子Dishevelled1/2/3、βcatenin及Vangl2基因在神经管组织中的正常表达继而干扰Wnt通路的信号转导导致NTDs的发生。3丙戊酸导致的神经管畸形动物模型临床上随着丙戊酸的普遍使用目前已公认丙戊酸对人和动物的胚胎具有致畸性尤其可导致多种NTDs在妊娠早期使用丙戊酸其胎儿出 倍。很多学者用丙戊酸使小鼠、恒河猴等胚胎出现NTDs的发生率比正常人群高1020 现了各种NTDs。并且发现小鼠和恒河猴出现NTDs的病理改变和人NTDs极其相似。但其确切机制并不清楚李勇等将受孕Wistar大鼠随机分成不同剂量组分别在孕9天的9am和4pm皮下注射丙戊酸钠溶液两次于孕20天取出胚胎观察结果发现对照组无畸形发生实验组出现不同程度的隐性脊柱裂其中以500mg/kg丙戊酸钠组发生率最高为100。从而证明丙戊酸能够诱导胎鼠发生隐性脊柱裂畸形且以腰骶段脊柱对丙戊酸比较敏感。其机制为丙戊酸钠抑制软骨细胞增生影响椎体的软骨发生使锥弓不能闭合导致胎鼠隐性脊柱裂的发生。也有研究表明丙戊酸致畸作用可能是其特异性抑制组蛋白脱乙酰基酶改变基因表达也可能与氧化应激有关28。Zhang26等研究发现丙戊酸通过改变胚胎抗氧化能力及抑制Hoxa2基因表达来发挥其致畸作用的而抗坏血酸能够保护胚胎避免丙戊酸诱导的氧化应激作用。有文献报道在亚甲基四氢叶酸还原酶缺陷的情况下维甲酸可以上调亚甲基四氢叶酸还原酶的表达降低其致畸作用27。此外国内外一些学者研究表明NTDs的发生率与伏马菌素B1暴露呈剂量反应关系同型半胱氨酸乙烯硫脲邻苯二甲酸等可导致NTDs的发生均有报道。三、结论综上所述NTDs作为一种多基因遗传病是多种机制相互作用的结果NTDs动物模型的研究方法在近20年中有了长足的进步其病因与细胞凋亡、细胞间信息传递障碍氧化应激等因素有关但其机制仍尚无定论有待进一步研究。如何在动物、药物和给药途径等选择中找到较适合的结合?5?中国优生与遗传杂志2011年第19卷第2期点较全面地反映NTDs病因、发病机理及病理特点是建立理想动物模型的关键。随着对NTDs发病机理的逐步阐明越来越多的接近人类NTDs动物模型的出现促进了对NTDs的深入研究及其防治药物的开发。参考文献 1EdwardsMJCongenitaldefectsinguineapig:followinginducedhy-perthermiaduringgestrati onJArchPathol196784:42482QingYYingmaoGShaolingLIdentificationandvalidationofdif -ferentiallyexpressedgenesinneuraltubedefectsofgoldenhamsterinducedbyhyperthermiausingsuppressionsubtractivehybridizationJIntJNeurosci20071178:119312083HosakoHetalTherolesofp53andp21innormaldevelopmentandhyperthermiainducedmalformationsJBirthDefectsResBDevReprodToxicol2009861:40474QingYYingmaoGLujunBetalRoleofNpm1inproliferationapoptosisanddifferentiationofneuralstemcellsJJNeurolSci200826612:1311375BarrierMDixDJMirkesPEInducible70kDaheatshockproteinsprotectembryosfromteratogeninducedexencephaly:AnalysisusingHspa1a/a1bknockoutmiceJBirthDefectsResAClinMolTera-tol2009858:7327406DheenSTTaySSBoranJetalRecentstudiesonneuraltubede-fectsinembryosofdiabeticpregnancy:anoverviewJCurrMedChem20091618:234523547HillDSWlodarczykBJMitchellLEetalArsenateinducedma-ternalglucoseintoleranceandneuraltubedefectsinamousemodelJToxicolApplPharmacol20092391:29368SugimuraYMuraseTOyamaKetalPreventionofneuraltubede-fectsbylossoffunctionofinduciblenitricoxidesynthaseinfetusesofamousemodelofstreptozotocininduceddiabetesJDiabetologia2009525:9629719GarcíaGDGarcíaDRRecentadvancesinthepathogenesisofdia-beticembryopathyJRevMedChil200913712:1627163510YazdyMMLiuSMitchellAAetalMaternaldietaryglycemicin-takeandtheriskofneuraltubedefectsJAmJEpidemiol20101714:40741411HalesBFetalIncreasedpostimplantationlossandmalformationsamongtheF2progenyofmaleratschronicallytreatedwithcyclophos-phamideJTeratology1992456:67167812LewénAMatzPChanPHFreeradicalpathwaysinCNSinjuryJJNeurotrauma20001710:87189013VouldoukisISivanVVozeninMCetalFcreceptormediatedintracellulardeliveryofCu/ZnsuperoxidedismutaseSOD1pro-tectsagainstredoxinducedapoptosisthroughanitricoxidedepend-entmechanismJMolMed2000612:1042105314PittmanTetalEthyleneoxideallergyinchildrenwithspinabifidaJJAllergyClinImmunol1995964:4864488815KotchLEChenSYSulikKKEthanolinducedteratogenesis:freeradicaldamageasapossiblemechanismJTeratology1995523:12813616TorchinskyASavionSGorivodskyMetalCyclophosphamideinducedteratogenesisinICRmice:theroleofapoptosisJTeratogCarcinogMutagen1995154:17919017NomuraMSuzukiMSuzukiYetalCyclophosphamideinducedapoptosisinducesphocomeliainthemouseJArchToxicol19967010:67267718LorenDJSeeramNPSchulmanRNetalMaternaldietarysupple-mentationwithpomegranatejuiceisneuroprotectiveinananimalmod-elofneonatalhypoxicischemicbraininjuryJPediatrRes2005576:85886419ZhaoHLiangJLiXetalFolicacidandsoybeanisoflavonecom-binedsupplementationprotectsthepostneuraltubeclosuredefectsofrodentsinducedbycyclophosphamideinvivoandinvitroJNeurotoxicology2010312:18018720MaWWetalNeuroprotectionofsoyabeanisoflavonecoadminis-trationwithfolicacidagainstbetaamyloid140inducedneuro-toxicityinratsJBrJNutr20091024:50250521QuemeloPRLourencoCMPeresLCTeratogeniceffectofretinoicacidinswissmiceJActaCirBras2007226:45145622LiuJetalEffectsofRetinoicAcidontheExpressionsofVangl1andVangl2inMouseFetusesJJNeurogenet200815:11223CaiWZhaoHGuoJetalRetinoicacidinducedlumbosacralneuraltubedefects:myeloschisisandhamartomaJChildsNervSyst2007235:54955424ZhangJLiRHeQetalAlltransretinoicacidaltersSmadsexpressioninembryonicneuraltissueofmiceJJApplToxicol2009294:36436625ZhaoJJSunDGWangJetalRetinoicaciddownregulatesmi-croRNAstoinduceabnormaldevelopmentofspinalcordinspinabifi-daratmodelJChildsNervSyst2008244:48549226ZhangBetalAscorbicacidreversesvalproicacidinducedinhi-bitionofhoxa2andmaintainsglutathionehomeostasisinmouseem-bryosincultureJCellMolNeurobiol2010301:13714827RoyMLeclercDWuQetalValproicacidincreasesexpressionofmethylenetetrahydrofolatereductaseMTHFRandinduceslowerter-atogenicityinMTHFRdeficiencyJJCellBiochem20081052:46747628OrnoyAValproicacidinpregnancy:howmuchareweendangeringtheembryoandfetusJReprodToxicol2009281 :110收稿日期:櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀 櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀20100521上接第24页 7SunYXWangJShelburneCEetalExpressionofCXCR4andCXCL12SDF1inhumanprostatecancersPCainvivoJJCellBiochem2003893:4624738LiFZhuHSHanZQetalEffectsofchemokinereceptoranditsligandonmigrationofovariancancercellsJChinJCancer2005241:2327收 稿日期:20100604?6?中国优生与遗传杂志2011年第19卷第2期