阿尔茨海默病5XFAD小鼠模型早期多模态7.0T磁共振成像研究

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研究背景阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD),又称老年性痴呆,是最常见的老年期痴呆。目前AD病因不清,发病机制不明,起病隐匿,缺乏明确的诊断标志物,尚无有效根治措施。早期诊断与及时干预是延缓AD疾病进展的关键措施。AD的诊断标准开始于1984年,近年来不断修订,2011年至今新修订的AD诊断标准采用“情节记忆功能受损”结合“AD生物标志物异常”的新诊断模式,将AD定义为一个包含临床前期(preclinicalAD)、轻度认知障碍期(mild cognitive impairment due to AD)与阿尔茨海默病痴呆期(dementia due to AD)的延续疾病谱。然而,目前现有的生物标志物检测在AD早期阶段的临床可行性较低。因此,寻找AD早期阶段新的生物标志物,为AD治疗打开关键的时间窗是AD研究的热点。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)具有无创伤、可重复性、时间/空间分辨率高、成像快速、成本相对较低等优点,已成为目前探讨AD生物标志物的核心工具之一。研究发现的可辅助AD诊断的MRI生物标记物主要分为结构和功能两大类,如以海马为主的内侧颞叶结构萎缩和后扣带功能代谢改变。然而,以AD患者为对象的研究通常始于疾病的中晚期,对于AD发病早期不能进行深入地研究。因此转基因AD实验动物为AD疾病早期的研究提供了理想的模型。此外,近年来随着高场强动物磁共振(micro-MRI)的出现,进一步提高了早期AD诊断的敏感性,并可进一步探讨AD行为学改变、MRI特征与病理改变之间的关系。因此,本研究选择携带5个家族性基因突变的APP/PS1转基因模型小鼠(transgenic mice with five familial AD,5XFAD)和正常野生型 C57BL/6 小鼠为研究对象,采用多维度动物行为学测试评估其情感和认知功能,继而,结合7.0T高场强动物多模态MRI (T2加权结构成像、T2map成像和锰增强磁共振成像)进行纵向随访研究,主要探讨(1) 5XFAD小鼠疾病早期是否存在脑组织微结构完整性改变?脑组织微结构改变是否随着疾病进展加重?脑组织微结构改变是否与情感和/或认知障碍相关?(2)5XFAD小鼠疾病早期是否存在神经元活性改变?脑功能改变是否随着疾病进展加重?脑功能改变是否与情感和/或认知障碍相关?最终,希望通过以上两部分研究加深我们对AD早期情感和/或认知功能损害的神经网络机制的了解,为寻找AD早期阶段MRI生物标记物提供动物层面的依据。第一部分5XFAD小鼠早期脑组织微结构完整性及其对空间认知功能影响的研究目的:探讨5XFAD小鼠早期脑组织微结构完整性损害模式及其与空间认知功能的关系。方法:(1)本研究采用1、2、3和5月龄四个时间点的5XFAD模型小鼠和野生型C57BL/6小鼠,采用蔗糖水偏爱实验、旷场实验、高架十字迷宫实验和Morris水迷宫实验对动物进行行为学评估。(2)用7.0Tmicro-MRI完成每个时间点两组小鼠的多模态脑成像(T2加权和T2map)。分别采用基于体素的分析方法(voxel-based analysis,VBA)和感兴趣区分析方法(region of interest,ROI)对比分析各时间点5XFAD小鼠和野生型小鼠灰质脑区的T2弛豫时间值(T2 relaxation time,T2)差异。此外,利用ROI进一步分析海马各亚区:背侧海马角/安蒙角1区(cornu Ammonisl,CA1)、背侧海马角3区(CA3)、背侧齿状回(dentate gyrus, DG)、腹侧CA1、腹侧CA3和腹侧DG)的T2值和体积。(3)通过相关分析评价海马各亚区的T2值与认知评分之间的相关性。结果:(1)行为学结果:1、2、3和5月龄的5XFAD小鼠和野生型小鼠在蔗糖水偏爱实验、旷场实验和高架十字迷宫实验中的行为学表现无明显差异。Morris水迷宫结果:与同月龄野生型小鼠相比,1月龄5XFAD小鼠前5天学习训练期的潜伏期时间无明显差异,第6天记忆检测过程中目标象限停留时间明显减少(p = 0.0365) ; 2和3月龄5XFAD小鼠学习训练期第3天至站台的潜伏期时间延长(p= 0.0024, 0.0300),记忆检测过程中目标象限停留时间明显减少(P < 0.001, = 0.011) : 5月龄5XFAD小鼠学习训练期第3、4和5天至站台的潜伏期时间延长(p = 0.0154, 0.0154, 0.0011),记忆检测过程中目标象限停留时间明显减少(= 0.034)。(2) MRI结果:与同月龄野生型小鼠相比,1月龄5XFAD小鼠各脑区的T2值无明显差异;VBA和ROI两种方法都显示2、3和5月龄的5XFAD小鼠海马区(hippocampus,Hip) T2值明显降低(p=0.0420,0.0182,< 0.0001),此外,VBA还显示5月龄的5XFAD小鼠的前扣带皮层(the cingulate cortex,cg)和杏仁核(amygdala,Amy)的 T2值降低(p< 0.05)。海马各亚区ROI分析显示:2和3月龄的5XFAD小鼠的背侧CA1、CA3、DG和腹侧CA1的 T2 值明显降低(2 月龄:p = 0.0214, 0.0030, 0.0369,0.0369; 3 月龄:p = 0.0119,0.0031,0.0119, 0.0119),5月龄的 5XFAD小鼠的背腹侧 CA1、CA3、和 DG的 T2值均明显降低(p = 0.0045, <0.001,0.0036,0.0007,<0.0001,0.0045)。1、2、3和 5月龄的5XFAD小鼠海马各亚区体积与野生型小鼠相比无明显差异。(3)相关分析结果:3和5月龄的5XFAD小鼠背侧CA1及5月龄5XFAD小鼠背侧DG区的T2值与水迷宫实验的第5天潜伏期负相关(r = -0.6188, -0.5190,-0.5240),2、3和5月龄的5XFAD小鼠背侧CA1的T2值与水迷宫实验的目标象限停留时间正相关(r = 0.6144,0.6645, 0.5629);腹侧海马各亚区的T2值均没有发现与这两者相关。结论:5XFAD小鼠早期存在海马区组织微结构完整性受损,并随疾病进展加重。背侧海马区组织微结构完整性损害与其空间认知功能状态相关。本研究从动物模型在体影像的层面证实了海马在AD早期的重要作用,且背侧海马的T2值可能成为辅助AD早期诊断及监测AD进展的生物标记物之一。第二部分5XFAD小鼠早期脑神经元活性及其对空间认知功能影响的研究目的:探讨5XFAD小鼠早期脑神经元活性改变模式及其与空间认知功能的关系。方法:(1)本研究采用1、2、3和5月龄四个时间点的5XFAD模型小鼠和野生型C57BL/6小鼠,采用蔗糖水偏爱实验、旷场实验、高架十字迷宫实验和Morris水迷宫实验对动物进行(基线期)行为学评估。(2)利用7.0Tmicro-MRI完成每个时间点两组小鼠的基线期T1加权成像(T1 weighted imaging,T1WI);继而腹腔注射Mnc12溶液,间隔24小时,共注射4次(每次13.95 mg/kg),最后一次注射后24小时进行锰强磁共振成像(manganese-enhanced magnetic resonance imaging,MEMRI)。(3) MEMRI 成像后每天观察两组小鼠日常行为状态,并于首次注射MJncl2溶液后12天再次完成旷场实验和Morris水迷宫实验。(4)利用ROI对比分析各时间点5XFAD小鼠和野生型小鼠灰质脑区的信号强度值(signal intensity,SI)差异,其中同一只小鼠注射Mnc12前后的两次T1WI的平均信号强度差值[SI=100% × (SI注射锰后- SI基线期)/SI基线期] 作为反映MR2+聚集浓度的指标。(5)通过相关分析评价ROI的信号强度值与认知评分之间的相关性。结果:(1)行为学结果:1、2、3和5月龄的5XFAD小鼠和野生型小鼠在蔗糖水偏爱实验、旷场实验和高架十字迷宫实验的行为学表现无明显差异。Morris水迷宫结果:与野生型小鼠相比,1月龄5XFAD小鼠前5天的学习训练期的潜伏期时间无明显差异,第6天记忆检测过程中目标象限停留时间明显减少(p=0.0365) ; 2和3月龄5XFAD小鼠学习训练期第3天至站台的潜伏期时间延长(p=0.0024 , 0.0300),记忆检测过程中目标象限停留时间明显减少(p< 0.001,= 0.011) ; 5月龄5XFAD小鼠学习训练期第3、4和5天至站台的潜伏期时间延长(p = 0.0154,0.0154,0.0011),记忆检测过程中目标象限停留时间明显减少(p = 0.034)。(2) MRI结果:与同月龄野生型小鼠相比,1月龄5XFAD小鼠各脑区的SI值无明显差异;2月龄5XFAD小鼠海马区(Hip)SI值明显增加(p = 0.0167); 3月龄5XFAD小鼠海马区和内嗅皮层区(entorhinal cortex,ERC) SI 值明显增加(= 0.0107,0.0684); 5 月龄 5XFAD 小鼠尾壳核(caudate-putamen,CPu)、压后皮层区(theretrosplenial cortex, RSC)、HIP 和 ERC 的 SI 值明显增加(= 0.0228,0.0795,0.0167, 0.0684)。(3)相关分析结果:5 月龄 5XFAD 小鼠Hip的SI值与水迷宫实验的第5天潜伏期正相关(r = 0.8668)。3和5月龄的5XFAD小鼠Hip的SI值与水迷宫实验的目标象限停留时间负相关(r = -0.8269,-0.8364) ; 2、3和5月龄的5XFAD小鼠ERC的SI值与目标象限停留时间负相关(r = -0.9204, -0.8576, -0.8386)。各月龄的野生型小鼠Hip和ERC的SI值均没有发现与这两者相关。结论:5XFAD小鼠早期存在认知相关脑区(特别是海马和内嗅皮层)的神经元活性增加,并随疾病进展明显加重。海马和内嗅皮层的神经元活性与其空间认知功能状态相关。本研究从动物模型在体影像的层面证实了海马和内嗅皮层在AD早期阶段的重要作用,且早期神经元活性可能成为辅助AD早期诊断的生物标记物之一。
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