随着生物医学光子学的发展,高分辨全方位成像和实时在体检测技术逐渐应用于生物样品的立体观测和活体生物追踪,以精细、动态地记录疾病的病理发展过程,研究药物作用效果和动态变化情况。组织光学透明技术与显微光学成像技术的结合,得以对完整样品进行高分辨、深层次、多角度、全方位的精细结构成像。双光子在体显微成像技术则能够对活体动物脑中神经元的生长变化进行动态成像,跟踪记录神经元动态变化过程。而18F-氟代脱氧葡萄糖-正电子发射断层扫描（18F-FDG-PET）则可以实时动态监测活体动物各个组织器官的葡糖糖摄取及代谢变化,以整体评估机体及精细组织结构的功能。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种在老年人群中常见的神经退行性疾病。AD的病理学特征主要表现在脑内β-淀粉样蛋白（Aβ）大量沉积形成老年斑、tau蛋白过度磷酸化形成神经纤维（NFT）和神经元丢失。AD患者的临床症状主要表现为记忆力缺失、认知功能障碍、生活自理能力低下等。随着世界老龄化人口的不断增多,AD患者数量也在不断的增加,但至今缺乏有效的治疗药物。因此,抗AD药物的研发是该领域的热点课题。钒是一种人体所需微量元素,主要存在于脑、肝脏、骨骼等器官中,对维持身体免疫系统功能的正常发挥起着极其重要的作用。乙基麦芽酚氧钒（BEOV）已报道在啮齿动物模型中具有类胰岛素的降糖作用,但它对AD的作用尚无任何报道。研究方法:本研究将三转基因AD模型小鼠3×Tg-AD与荧光小鼠YFP进行交配,筛选出同时具有AD致病基因和YFP荧光蛋白基因的AD-YFP小鼠,饲养到6月龄,给予0.2 mol/L和1.0 mol/L两个剂量的BEOV治疗32周后,采用组织光学透明技术对AD-YFP小鼠脑部进行透明化处理,采用光学投影层析成像和激光共聚焦显微成像技术,对小鼠脑部神经元、Aβ斑块和星型胶质细胞三维立体成像。选用同样的2.5月龄AD-YFP小鼠,采用颅窗技术,结合双光子显微活体成像,实时动态观察活体小鼠脑部神经元树突棘。本研究还对6月龄APP/PS1和3×Tg-AD小鼠,分别给予浓度为0.2 mol/L和1.0mol/L两个剂量的BEOV治疗13周。对上述AD模型小鼠采用透射电镜检测小鼠海马和皮层区神经元的突触形态结构变化,采用18F-FDG-PET动态扫描检测小鼠脑部葡萄糖的摄取和代谢变化。采用多种行为学测试方法（包括Morris水迷宫、旷场实验和电跳台等手段）检测小鼠的学习认知和记忆能力。采用免疫印迹（Western-blot）、免疫荧光染色等生物化学与分子生物学手段,检测小鼠脑内炎症、Aβ病理通路、Tau通路、内质网应激、胰岛素信号转导通路的变化及BEOV的调控作用。研究结果:本论文探索将组织光学透明技术与光学成像技术相结合,高分辨、全方位检测BEOV对AD的精细作用效果;探索将小鼠颅窗技术与双光子活体显微成像技术结合,实时在体监测BEOV对AD的作用效果。在此基础上,进一步研究了BEOV对AD作用的分子机制。（1）研究建立多种新型光学成像技术并籍此发现BEOV对AD具有显著治疗效果。采用组织光学透明技术制备透明鼠脑,应用光学投影层析成像和激光共聚焦显微成像技术,分别对YFP-AD荧光小鼠脑片进行三维成像,影像结果显示:AD-YFP小鼠与YFP小鼠相比较,海马和皮层中Aβ斑块明显增多、神经细胞数量减少、神经炎症相关的星形胶质细胞增多。BEOV治疗的AD-YFP小鼠,Aβ斑块明显减少、神经元丢失被抑制、脑内炎症水平降低。采用颅窗技术,在双光子显微镜下活体记录2.5月龄AD-YFP小鼠脑部树突及树突棘随月龄的动态变化、以及BEOV治疗后AD-YFP鼠脑内神经元树突棘的数量及形态变化。发现BEOV能明显抑制AD鼠脑神经元树突棘的减少。在bregma前0-2mm,左右0-2mm的位置,对3×Tg-AD小鼠注射GCaMP6病毒监测皮层中钙信号的活动,发现BEOV有效调控AD小鼠神经元胞体钙信号。采用透射电镜观察AD小鼠脑部海马与皮层的突触结构和数量,发现BEOV能显著抑制AD小鼠突触损伤和数量减少。（2）研究确定BEOV对AD防治作用的分子机制。BEOV治疗13周后,两种AD模型小鼠APP/PS1和3×Tg-AD的行为学检测实验表明:BEOV显著改善小鼠的学习记忆能力和探索能力。18F-FDG-PET扫描显示:BEOV明显提高AD小鼠脑部葡萄糖摄取量和代谢水平。BEOV能显著减少AD鼠脑海马与皮层中Aβ淀粉样斑块、降低原代神经元中Aβ水平,抑制Aβ通路中的关键蛋白APP、sAPPβ、BACE1等的表达,同时提高PPARγ、IDE等与Aβ代谢相关的蛋白的表达。BEOV还能显著抑制PTP1B和tau蛋白的磷酸化水平、增加IR和AKT的活性、减少GSK3β活性。分子机制研究表明:BEOV对AD为多靶点作用机制。1)通过够激活PPARγ,达到抑制BACE1表达、促进IDE表达、减少Aβ的聚集。2)通过抑制PTP1B表达,抑制JAK2/STAT3/SOCS1通路、增加胰岛素信号传导,调控AKT/GSK3β信号通路,减少tau蛋白的过度磷酸化。3)通过激活PPARγ,抑制AD鼠脑内海马和皮层中Aβ引起的内质网应激,减少神经元凋亡。4)BEOV还能显著抑制AD小鼠嗅球中出现的Aβ级联反应与斑块形成、抑制Tau过度磷酸化通路和神经纤维缠结,改善小鼠嗅球的功能。结论:本研究成功建立了多种AD鼠脑离体和在体光学成像技术,并将其应用于BEOV的药效研究。首次多角度、全方位、高分辨成像记录了BEOV对AD病变过程中Aβ斑块的抑制和对神经细胞的保护,首次活体监测到BEOV对AD小鼠脑皮层神经元树突棘的保护以及对钙信号的调控。实时动态跟踪记录了BEOV改善AD鼠脑糖代谢的过程。在此基础上,本研究进一步揭示了BEOV防治AD的多靶点分子机制,首次实验证明了BEOV通过激活PPARγ抑制A?级联反应,降低Aβ引起的内质网应激,减少神经元凋亡的数量,减缓AD病理进程。通过抑制JAK2/STAT3/SOCS1信号通路,改善AD脑内的胰岛素抵抗。揭示了BEOV通过抑制PTP1B表达,增加胰岛素受体的敏感性,调控AKT/GSK3β信号通路,减少tau蛋白的过度磷酸化,从而抑制AD小鼠海马、皮层和嗅球中出现的各种病变,改善小鼠学习认知记忆能力和嗅球功能。上述结果为BEOV成为预防及治疗AD的多靶点有效药物提供了坚实的理论基础及实验依据。