阿尔茨海默病5xFAD小鼠模型中的精细运动功能缺陷

《Behavioural Brain Research》：Fine Motor Function Deficits in the 5xFAD Mouse Model of Alzheimer’s Disease

阿尔茨海默病5xFAD小鼠模型3和9月龄运动功能评估显示，9月龄组在精细运动（平衡木 traversal time增加23.5%，单 pellet 抓取成功率降低至野生型50%）及协调性（转轮仪 latency延长1.8倍，speed下降0.3 rad/s）方面均显著受损，提示病理蛋白聚集通过皮质脊髓束传导影响远端精细运动控制。

　　

斯蒂利亚诺斯·瓦利亚尼斯（Stylianos Valiantis）|尼古拉斯·佩伦托斯（Nikolas Perentos）|安德烈亚斯·M·库帕里斯（Andreas M. Koupparis）|阿维吉斯·哈吉帕帕斯（Avgis Hadjipapas）|萨瓦斯·S·帕帕科斯塔斯（Savvas S. Papacostas）|伊奥安娜·库西阿帕（Ioanna Kousiappa）

塞浦路斯神经病学与遗传学研究所神经生理学系，伊鲁恩大道6号，2371尼科西亚，塞浦路斯

摘要

阿尔茨海默病（AD）不仅会导致记忆和认知能力逐渐下降，还会引发运动障碍，包括平衡能力受损、活动水平降低以及步态功能障碍。我们使用一系列行为测试，研究了3至9个月大的阿尔茨海默病小鼠模型（5xFAD转基因小鼠）的精细运动技能随年龄的变化。这些测试包括用于评估运动协调性和平衡能力的旋转棒测试（rotarod test）、用于评估精细运动精确性和协调性的平衡木测试（balance beam test），以及用于评估前肢灵巧性的单颗粒抓取测试（single-pellet reaching test）。结果显示，9个月大的5xFAD小鼠表现出轻微的运动协调能力缺陷，它们在旋转棒上停留的时间较短，跌倒的速度也比9个月大的野生型（WT）小鼠慢。在平衡木测试中，9个月大的5xFAD小鼠通过平衡木的时间明显更长，并且经常出现脚部滑动和拖拽行为，尤其是在较窄的平衡木上。单颗粒抓取测试表明，9个月大的5xFAD小鼠的精细肢体运动能力受损，成功率和速度均低于其他组别。这项研究表明，5xFAD小鼠在所有测试中的表现都最差，且这种表现与年龄呈正相关，这表明与阿尔茨海默病相关的病理变化会影响到运动功能，甚至精细运动技能。

引言

阿尔茨海默病（AD）是一种慢性、进行性的神经退行性疾病[1]，会显著影响患者的生活质量，增加护理者的负担，并提高医疗系统的成本[2]。它是导致痴呆最常见的原因[3]，其主要特征是β-淀粉样蛋白（Αβ）以老年斑的形式在细胞外积累，以及过度磷酸化的tau蛋白（p-tau）以神经纤维缠结的形式在神经元内沉积[4][5]。据信，蛋白质聚集、突触丧失和炎症在疾病临床症状出现前至少20年就开始了[6]，早期阶段表现为记忆障碍和认知能力下降[7]。

阿尔茨海默病临床表现中一个常被忽视的方面是运动障碍[8]，这些障碍通常与老年人和阿尔茨海默病患者的认知衰退同时存在[9][10][11][12]。运动功能障碍是阿尔茨海默病的主要致死原因，主要是由于跌倒和吞咽困难导致吸入性肺炎[13][14]。运动障碍包括步态速度减慢、平衡能力下降、灵巧性降低以及肌肉力量和体积减少[15]。有趣的是，越来越多的证据表明阿尔茨海默病患者存在运动功能障碍[16][17][18][19]。一些研究指出，阿尔茨海默病患者的运动变化通常在记忆障碍出现之后才显现[20][21]；然而，其他研究则表明，非认知症状（如运动障碍）可以在阿尔茨海默病的早期阶段就被检测到，甚至早在轻度认知障碍（MCI）的早期迹象之前[22]。早期的运动障碍通常表现为精细运动功能的轻微困难，这些困难会随着年龄的增长而恶化，进而影响粗大运动功能[23][24]。因此，与年龄相关的运动能力下降可能是阿尔茨海默病的特征之一[15][25]，而运动变化的早期出现可能作为临床前阿尔茨海默病的表型标志[26][27][28][29][30]。

迫切需要全面了解阿尔茨海默病相关的各种表型，以便基于更全面的模型开发干预措施，而不仅仅是针对认知衰退。这些非认知症状还包括神经精神和感觉运动方面的问题，它们也会促进疾病的进展[31][32]。改善阿尔茨海默病的症状可以帮助患者完成日常生活活动（ADLs），从而提高他们的生活质量[33][34][35][36]。较低的ADL表现水平与广泛的神经退行性变、更严重的认知功能障碍、身体虚弱以及独立生活能力下降有关[34]，最终可能导致患者需要机构化护理和预期寿命缩短[39][40]。

阿尔茨海默病小鼠模型是研究其表型及其潜在神经生物学机制的宝贵工具[41][42][43]。在这些模型中的行为评估通常侧重于研究与阿尔茨海默病相关的认知功能缺陷，如学习和记忆能力[44][45][46][47]，这些缺陷与海马体、新皮质和边缘系统的突触丧失有关[49]。然而，许多阿尔茨海默病小鼠模型还表现出与年龄相关的运动障碍，表现为活动减少和饲养频率降低[50][51][52]。运动变化与大脑中负责运动功能的区域（包括初级运动皮层、纹状体和黑质）的病理变化有关[15][53]。有多种测试可用于评估小鼠的运动功能，包括力量、协调性和平衡能力[50][54][55]。

尽管已经开发出多种基因改造的小鼠模型来研究阿尔茨海默病的病理机制[56]，但由于5xFAD模型在早期就表现出阿尔茨海默病的病理变化和临床症状[57][58][59]，因此被广泛用于相关研究。这些小鼠表现出与年龄相关的运动功能下降[51][52][57][60]，这与神经元内的Aβ蛋白聚集和细胞外斑块形成导致的脊髓病理变化有关[57]。5xFAD小鼠还表现出认知能力下降，包括与年龄相关的工作记忆缺陷、恐惧条件反射的学习障碍以及识别记忆困难[61][62]。

在这里，我们通过让5xFAD小鼠接受行为测试来研究其与阿尔茨海默病相关的精细运动功能障碍，以评估其粗大和精细运动技能、平衡能力和力量。

部分内容摘要

旋转棒上的运动协调性和平衡能力

通过旋转棒测试评估小鼠的平衡能力和运动协调性，具体指标为跌倒潜伏期（LTF）和跌倒时的旋转速度（RSF）。双向方差分析（two-way ANCOVA）显示，年龄对LTF（F(1, 41) = 4.71, p = 0.0559）和RSF（F(1, 41) = 3.87, p = 0.0561）有轻微影响，调整体重后，3个月大的5xFAD小鼠和3个月大的野生型小鼠的运动协调性略优于9个月大的5xFAD小鼠。体重在两项分析中都不是显著的协变量（LTF: F(1, 41) = 1.58, p = ……）

讨论

本研究通过一系列行为测试（旋转棒测试、平衡木测试和单颗粒抓取测试）了解了5xFAD小鼠的粗大和精细运动功能。结果显示，9个月大的5xFAD小鼠在所有运动行为测试中的表现均低于同龄的野生型小鼠以及更年轻的5xFAD小鼠和野生型小鼠，这表明老年转基因小鼠在多个运动功能方面存在进行性损伤。我们的观察结果支持了先前的研究结论

研究对象

本研究测试了3个月和9个月大的5xFAD雄性和雌性小鼠以及野生型（WT）小鼠（3个月和9个月）。5xFAD转基因小鼠过度表达了人类APP基因的突变（瑞典（K670N, M671L）、佛罗里达（I716V）和伦敦（V717I）家族性阿尔茨海默病（FAD）突变，以及PSEN1基因的两个突变（M146L和L286V）。小鼠的Thy1启动子调控这两个基因在大脑中的过度表达[58]。5xFAD转基因阿尔茨海默病模型购自……

结论

本研究调查了3个月和9个月大的5xFAD小鼠的运动变化。行为测试（旋转棒测试、平衡木测试和单颗粒抓取测试）显示，精细运动能力随年龄增长而下降。粗大运动功能在9个月大之前相对未受影响，仅观察到轻微的损伤。相比之下，精细运动缺陷——尤其是在平衡木测试和单颗粒抓取测试中——主要出现在9个月大的5xFAD小鼠中

作者声明

所有作者均确认已阅读并批准了修订后的手稿。

该手稿是原创的，此前未发表过，也未被其他机构考虑发表。

所有作者同意手稿中列出的作者顺序。

所有列出的作者均符合作者资格要求，没有其他人员应被包括在内。

在修订过程中作者名单没有发生变化。

利益冲突声明

作者声明与本研究、作者身份及/或文章的发表没有潜在的利益冲突。

作者贡献声明

萨瓦斯·S·帕帕科斯塔斯（Savvas S. Papacostas）：撰写 – 审稿与编辑。安德烈亚斯·M·库帕里斯（Andreas M. Koupparis）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金筹集、概念构思。阿维吉斯·哈吉帕帕斯（Avgis Hadjipapas）：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。斯蒂利亚诺斯·瓦利亚尼斯（Stylianos Valiantis）：撰写 – 初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、研究实施、数据分析。尼古拉斯·佩伦托斯（Nikolas Perentos）：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、概念构思。伊奥安娜·库西阿帕（Ioanna Kousiappa）：撰写 – 审稿

致谢

本研究得到了塞浦路斯神经病学与遗传学研究所的支持（资助编号F2022，授予A.M.K.）和尼科西亚大学医学院的种子基金（资助编号73272，授予A.H.）。我们非常感谢小鼠设施工作人员在动物饲养方面的协助，以及乔治·拉帕蒂蒂斯（George Lapathitis）博士在实验准备方面的帮助。