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

摘要

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 Ammonis1，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(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TI加权成像(T1 weighted imaging，T1WI);继而腹腔注射Mncl2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Mncl2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Mncl2前后的两次TIWI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(p=0.0107，0.0684);5月龄5XFAD小鼠尾壳核(caudate-putamen，CPu)、压后皮层区(the retrosplenial cortex，RSC)、HIP和ERC的SI值明显增加(p=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。

目录

声明

摘要

缩略词

前言

文献综述1 磁共振弛豫时间T2在阿尔茨海默病中的研究进展

文献综述2 锰增强磁共振在神经精神疾病动物模型中的应用

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

研究背景

实验一 5XFAD小鼠早期情感与认知功能的评估

实验二 5XFAD小鼠早期脑组织微结构完整性的评估

实验三 5XFAD小鼠早期脑组织微结构完整性与空间认知功能的关系

讨论

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

研究背景

实验一 5XFAD小鼠早期情感与认知功能的评估

实验二 5XFAD小鼠早期脑神经元活性的评估

实验三 5XFAD小鼠早期脑神经元活性与空间认知功能的关系

讨论

总结与展望

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间科研成绩

致谢