XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

Болезнь Альцгеймера (БА) остается одной из основных проблем современной нейронауки и здравоохранения. Это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, характеризующееся когнитивными нарушениями, потерей памяти, изменениями личности и поведенческими расстройствами. На патоморфологическом уровне БА характеризуется наличием амилоидных бляшек, состоящих из бета-амилоида (Aβ), и нейрофибриллярных клубков (НФК), образованных гиперфосфорилированным тау-белком [9].

В связи со сложностью патогенеза БА, исследователи активно используют различные модельные системы для изучения молекулярных механизмов заболевания, разработки новых методов диагностики и поиска потенциальных терапевтических мишеней. Среди таких модельных систем особое место занимают трансгенные мыши, экспрессирующие мутации в генах, связанных с семейными формами БА, в частности, в генах белка-предшественника бета-амилоида (APP), пресенилина-1 (PSEN1) и пресенилина-2 (PSEN2) [5; 6]. Эти гены играют ключевую роль в метаболизме APP и образовании Aβ, что делает их перспективными мишенями для моделирования амилоидной патологии, лежащей в основе БА.

Модели, основанные на мутациях в гене APP

Первые трансгенные мышиные модели БА были созданы путем сверхэкспрессии мутантных форм гена APP человека. Эти модели позволили воспроизвести ключевой патологический признак БА – образование амилоидных бляшек в головном мозге. Одной из наиболее известных моделей является Tg2576, которая экспрессирует шведскую мутацию (K670N/M671L) в гене APP человека под контролем промотора PrP [5]. У этих мышей наблюдается накопление Aβ в головном мозге, образование амилоидных бляшек и нарушение когнитивных функций.

Другой распространенной моделью является PDAPP, которая экспрессирует мутацию V717F в гене APP человека под контролем промотора PDGF-β [5]. Эти мыши также демонстрируют образование амилоидных бляшек и когнитивные нарушения, однако, в отличие от Tg2576, у них наблюдается более ранняя манифестация патологии.

Модели на основе APP, такие как App NL-F и App NL-GF, избегают проблем, связанных с трансгенезом и являются перспективными моделями для изучения ранних стадий БА, а также влияния различных факторов риска [1].

Тем не менее, модели, основанные только на мутациях в гене APP, имеют ряд ограничений. В частности, они не полностью воспроизводят другие патологические признаки БА, такие как образование нейрофибриллярных клубков и выраженную потерю нейронов. Кроме того, сверхэкспрессия гена APP может приводить к нефизиологическим уровням белка APP и Aβ, что может искажать результаты исследований.

Модели, основанные на мутациях в генах PSEN1 и PSEN2

Гены PSEN1 и PSEN2 кодируют компоненты γ-секретазы, ферментного комплекса, который участвует в расщеплении APP и образовании Aβ [6]. Мутации в этих генах также связаны с ранней семейной БА и приводят к повышенной продукции Aβ42 – наиболее агрессивной формы Aβ. Для моделирования патологии БА были созданы трансгенные мыши, экспрессирующие мутантные формы генов PSEN1 и PSEN2.

Одной из наиболее распространенных моделей является APPswe/PS1ΔE9 (APP/PS1), которая экспрессирует шведскую мутацию в гене APP и делецию в гене PSEN1 [7]. У этих мышей наблюдается раннее и выраженное накопление Aβ в головном мозге, образование амилоидных бляшек, нарушение синаптической передачи и когнитивные нарушения. Однако, исследование Shepherd A. et al. (2021) показало, что мыши APP/PS1 в возрасте 9-11 месяцев проявляют нормальное внимание, что говорит о том, что данная модель не подходит для изучения ранних нарушений внимания, связанных с накоплением амилоида [7].

Еще одной распространенной моделью является 5xFAD, которая экспрессирует пять мутаций в генах APP и PSEN1 [9]. Эти мыши демонстрируют агрессивный фенотип, характеризующийся ранним началом амилоидной патологии, выраженной потерей нейронов и когнитивными нарушениями. Однако, из-за быстрого прогрессирования патологии, модель 5xFAD может быть не оптимальной для изучения ранних стадий заболевания и разработки профилактических стратегий.

Модель мышей APP/BIN1/COPS5 3xTg-AD демонстрирует патологию Aβ и тау, повышенный уровень тревожности и дефицит синаптической пластичности, что позволяет изучать эпигенетические изменения, связанные с БА [4].

Комбинированные модели

Для более полного воспроизведения патологии БА были созданы комбинированные модели, экспрессирующие мутации в нескольких генах, связанных с заболеванием. Одной из таких моделей является 3xTg-AD, которая экспрессирует мутации в генах APP, PSEN1 и тау [5]. У этих мышей наблюдается последовательное развитие амилоидной патологии и таупатии, а также когнитивные нарушения.

Особый интерес представляет модель 6xTg, полученная путем скрещивания мышей 5xFAD и JNPL3 [9]. Эта модель характеризуется ранним началом когнитивного дефицита и развитием как амилоидных бляшек, так и нейрофибриллярных клубков. Исследование Tag S.H. et al. (2022) показало, что у мышей 6xTg в возрасте 9-11 месяцев обнаруживаются амилоидные бляшки, потеря нейронов, активация астроцитов и аномальное фосфорилирование тау в гиппокампе и энторинальной коре, а также дефицит памяти и социального распознавания, гиперлокомоция, тревожно- и депрессивно-подобное поведение, и сенсомоторная дисфункция [9]. Преимуществом данной модели является более раннее начало когнитивного дефицита и нейропатологических признаков, что делает ее перспективной для изучения ранних стадий БА. Однако, необходимо учитывать, что множественные генные мутации могут приводить к аддитивным и интерактивным эффектам, которые могут искажать результаты исследований.

Новые подходы к моделированию БА

Помимо традиционных трансгенных моделей, разрабатываются новые подходы к моделированию БА, направленные на более точное воспроизведение генетических и патологических особенностей заболевания. Одним из таких подходов является использование моделей с заменой генов (GR), в которых мышиные гены полностью заменяются человеческими ортологами, включая некодирующие РНК [2]. Данный подход позволяет изучить молекулярные воздействия функциональных вариантов в контексте человеческой геномной последовательности и обеспечивает гибкость для объединения нескольких аллелей GR-AD у одного и того же животного.

Консорциум MODEL-AD разрабатывает новые гуманизированные модели, такие как линии с нокаутом мышиного APP и человеческим MAPT, чтобы устранить ограничения современных трансгенных линий и улучшить трансляцию доклинических данных в клинические исследования [6].

Заключение

Мышиные модели, экспрессирующие мутации в генах APP, PSEN1 и PSEN2, являются ценным инструментом для изучения патогенеза БА и разработки новых методов диагностики и лечения. Каждая из моделей имеет свои преимущества и ограничения, и выбор конкретной модели зависит от целей исследования. Дальнейшее развитие модельных систем, направленное на более точное воспроизведение генетических и патологических особенностей БА, позволит приблизиться к пониманию механизмов заболевания и разработке эффективных терапевтических стратегий. В частности, важно учитывать роль различных факторов, таких как внутринейрональное накопление Aβ [11], нейровоспаление [4; 8], синаптическая дисфункция [10] и нарушения кишечной микробиоты [3], в развитии и прогрессировании БА. Необходимо так же отметить, что для будущих исследований важны мышиные модели, отражающие спорадическую форму БА, и исследования факторов риска, таких как APOE ε4 и TREM2 [11].

Список литературы

1. Benitez D. P., Jiang S., Wood J., et al. Knock-in models related to Alzheimer's disease: synaptic transmission, plaques and the role of microglia // Mol Neurodegener. – 2021. – Vol.16. – № 1. – P.47. – doi:10.1186/s13024-021-00457-0.

2. Benzow K., Karanjeet K., Oblak A. L., Carter G. W., Sasner M., Koob M. D. Gene replacement-Alzheimer's disease (GR-AD): Modeling the genetics of human dementias in mice // Alzheimers Dement. – 2024. – Vol.20. – № 4. – P.3080-3087. – doi:10.1002/alz.13730.

3. Liu G., Yu Q., Zhu H., et al. Amyloid-β mediates intestinal dysfunction and enteric neurons loss in Alzheimer's disease transgenic mouse // Cell Mol Life Sci. – 2023. – Vol.80. – № 12. – P.351. – doi:10.1007/s00018-023-04948-9.

4. Martínez-Iglesias O., Naidoo V., Carrera I., et al. Epigenetic Studies in the Male APP/BIN1/COPS5 Triple-Transgenic Mouse Model of Alzheimer's Disease // Int J Mol Sci. – 2022. – Vol.23. – № 5. – P.2446. – doi:10.3390/ijms23052446.

5. Nakai T., Yamada K., Mizoguchi H. Alzheimer's Disease Animal Models: Elucidation of Biomarkers and Therapeutic Approaches for Cognitive Impairment // Int J Mol Sci. – 2021. – Vol.22. – № 11. – P.5549. – doi:10.3390/ijms22115549.

6. Sanchez-Varo R., Mejias-Ortega M., Fernandez-Valenzuela J. J., et al. Transgenic Mouse Models of Alzheimer's Disease: An Integrative Analysis // Int J Mol Sci. – 2022. – Vol.23. – № 10. – P.5404. – doi:10.3390/ijms23105404.

7. Shepherd A., May C., Churilov L., et al. Evaluation of attention in APP/PS1 mice shows impulsive and compulsive behaviours // Genes Brain Behav. – 2021. – Vol.20. – № 1. – P.e12594. – doi:10.1111/gbb.1259.

8. Srinivasan S., Kancheva D., De Ren S., et al. Inflammasome signaling is dispensable for ß-amyloid-induced neuropathology in preclinical models of Alzheimer's disease // Front Immunol. – 2024. – Vol.15. – P.1323409. – doi:10.3389/fimmu.2024.1323409.

9. Tag S. H., Kim B., Bae J., et al. Neuropathological and behavioral features of an APP/PS1/MAPT (6xTg) transgenic model of Alzheimer's disease // Mol Brain. – 2022. – Vol.15. – № 1. – P.51. – doi:10.1186/s13041-022-00933-8.

10. Viana da Silva S., Haberl M. G., Gaur K., et al. Localized APP expression results in progressive network dysfunction by disorganizing spike timing // Neuron. – 2024. – Vol.112. – № 1. – P.124-140.e6. – doi:10.1016/j.neuron.2023.10.001.

11. Wirths O., Zampar S. Neuron Loss in Alzheimer's Disease: Translation in Transgenic Mouse Models // Int J Mol Sci. – 2020. – Vol.21. – № 21. – P.8144. – doi:10.3390/ijms21218144.