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Perspective
Why non-human primates are needed in stroke preclinical research
Xiya Long, Jinsheng Zeng
doi: 10.1136/svn-2024-003504
Stroke & Vascular Neurology（SVN）新近上线文章“Why non-human primates are needed in stroke preclinical research”，来自中山大学附属第一医院曾进胜教授团队。
摘 要
大量在啮齿动物模型中被验证为似有前景的脑保护剂几乎全部在卒中临床试验中失败。临床转化的失败凸显了在卒中研究中采用更理想的动物模型的必要性。与最常使用的啮齿动物卒中模型相较，非人灵长类动物（non-human primates, NHPs）在脑解剖、功能和病理特征方面与人类更加相似。本文旨在总结NHPs卒中模型相较于啮齿动物模型的优势，探讨目前NHPs模型的局限性，并展望NHPs在卒中临床前研究中的未来发展。
引 言
截至2006年，已有超过1000种在细胞和啮齿动物中验证安全有效的神经保护剂被研究，1 但几乎全部在临床试验中失败。2009年，卒中治疗学术产业圆桌会议（Stroke Therapy Academic Industry Roundtable, STAIR）建议神经保护疗法需要在具有脑回的非人灵长类动物（NHPs）中进一步测试。2 后续的STAIR XI仍然表达了对NHPs模型的关注，指出在NHPs中验证疗效可能有助于预测临床疗效。3 值得注意的是，近年来已有几种在NHPs中验证的有前景的脑细胞保护剂被提出。2012年，Cook等4 成功验证了PSD95抑制剂Tat-NR2B9c在NHPs脑梗死模型中的脑保护作用。随后，Hill等5 报道了ESCAPE-NA1的III期临床试验，显示PSD95抑制剂NA-1可能对卒中患者有益，尽管该疗效的最佳时间窗仍在评估中。此外，Jia等6 发现DL-3-正丁基苯酞（DL-3-n-butylphthalide）改善了皮层下脑梗死患者的认知和总体功能。最近，作者团队在食蟹猴中成功验证了DL-3-正丁基苯酞（DL-3-n-butylphthalide）对卒中后认知功能障碍（post-stroke cognitive impairments, PSCI）的改善作用，并揭示了其可能的机制。7 这些研究均凸显了NHPs，特别是具有脑回的灵长类动物在卒中临床前研究中的极高价值。NHPs的脑解剖结构与人类高度相似。首先，NHPs拥有与人类类似的完整的Willis环及侧支动脉，并且其大脑中动脉（middle cerebral arteries, MCAs）的分布和分支与人类大致相似。8 NHPs的MCA M1段闭塞引起的梗死与卒中患者的非常相似。其次，NHPs的皮层中有多条复杂的沟回，以及复杂的脑叶和脑区分布。NHPs的大脑比啮齿动物更大，进化程度也更高，尤其是前额叶皮层更为发达。9 此外，NHPs拥有与人类相似的灰白质比例和丰富的白质纤维，10 使其成为缺血性白质损伤的理想模型。由于NHPs与人类在脑解剖结构上的高度相似，诸如磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）和PET/MRI等神经影像学技术可以完全应用于NHPs。与对场强要求较高的啮齿动物不同，临床上常用的3.0Tesla MRI可以直接应用于NHPs。此外，学者们已经建立了NHPs神经影像学的公共数据平台，以促进数据交换和更好的协作。11 尽管PET技术通常更多用于帕金森病和阿尔茨海默病等与特定蛋白质异常积累相关的疾病中，12 但它在脑血管疾病中也起到了关键作用。15O-water PET被认为是量化脑血流（cerebral blood flow, CBF）绝对单位的金标准，这对于卒中的评估是至关重要的。13 此外，PET，尤其是PET/MRI联合系统，不仅可以直接检测卒中后脑内代谢物的异常沉积，如脑内β-淀粉样蛋白（Aβ），14,15 还能够通过成像和量化纳米颗粒的转运速率来监测血脑屏障的通透性，16 并通过匹配的大脑区域表观扩散系数（ADC）的下降，评估脑部炎症的时空演变，17 从而加深我们对神经病理学基础的理解，并为临床结局评估提供不可或缺的数据支持。在高级认知、运动行为、睡眠周期和神经可塑性方面，NHPs与人类高度相似。NHPs具有人类接近的高级认知能力，经过训练后可以执行多种复杂的认知任务，这为更好地评估卒中后认知功能障碍（PSCI）提供了理想的模型。已经建立了多种适用于NHPs的认知评估方法，并得到了广泛应用。18 此外，NHPs的情感比啮齿动物更为复杂，其面部表情、肢体动作和社交行为的表达丰富多样，对于解析卒中后情感障碍具有重要价值。19对于卒中患者而言，精细运动能力显著影响生活质量，尤其是手部的功能，而在啮齿动物中，无法精确评估这类功能。NHPs拥有与人类相似的广泛皮质脊髓投射，神经支配模式与人类类似，20 因此可以精确控制单个手指的独立运动，实现灵长类特有的“钳夹式抓握”动作。此外，NHPs能够短距离双足行走，极大地接近人类的运动模式。21 这些优势使NHPs在探索卒中后精细运动功能缺失方面不可替代。NHPs的睡眠特征与人类相似，包括睡眠-觉醒周期、睡眠时长和稳定性。NHPs在睡眠中的特征性脑电波可以被轻松区分，并显示出与人类类似的周期性变化。22 相比之下，啮齿动物是昼伏夜出的多相睡眠者，拥有多个短暂的小睡周期，其快速眼动和非快速眼动睡眠周期明显较短。此外，NHPs的睡眠监测系统已建立，包括脑电图、肌电图、眼电图、身体运动记录仪以及视频录制后的人工分析，使NHPs成为研究卒中后睡眠障碍的理想模型。尽管啮齿动物具有较强的神经可塑性，但其在卒中后仅表现出暂时性偏瘫和自发神经功能恢复，容易导致无效疗法被误判为有效，出现假阳性结果。相比之下，NHPs的神经可塑性和卒中模型的效应更接近人类，23 有助于更准确地评估治疗的真实效果。除了前述的生理状态相似性外，NHPs的卒中模型在病理特征上也与卒中患者高度一致，例如脑内Aβ沉积。最早的尸检研究可追溯到1990年代，报告了卒中患者的大脑Aβ沉积。24 然而，近期一项更大样本量的尸检研究发现，卒中患者与健康对照组在脑Aβ沉积方面无显著差异。25 此外，几项近期的临床PET影像学研究未能证实卒中后Aβ沉积的神经毒性作用。14,15 总体而言，临床研究的证据对卒中后Aβ沉积的病理机制似乎得出了负面结论。
关于Aβ病理学的实验研究也很多。大量研究已确认，啮齿动物在卒中后缺血区外的大脑区域出现Aβ沉积，提示Aβ病理学可能在远隔脑区损伤及卒中后认知功能障碍（PSCI）中起到一定作用。26 相比之下，作者团队在使用食蟹猴开展的研究中发现，卒中12个月后远隔脑区出现了明显损伤，但未见脑内Aβ沉积，也未发现血液和脑脊液中Aβ水平的显著变化。27 另一项使用狨猴的研究在卒中后45天也报告了类似的Aβ病理学阴性结果。28 迄今为止，仅有的这两项NHPs研究与临床研究结果高度一致。值得注意的是，人类、NHPs与啮齿动物之间脑Aβ沉积的差异强烈表明，NHPs可以更好地模拟卒中后的病理情况。
此外，NHPs模型与人类共享相似的重要病理生理参数。半暗带（penumbra）的概念首次在NHPs中提出，并通过对大脑中动脉（MCA）闭塞狒狒的氢清除技术进行评估。29 Jones等人首次阐明了闭塞时间和局部脑血流量（CBF）的重要性，定义了清醒灵长类可逆性MCA闭塞模型中瘫痪和梗死的阈值。30 在这一生理监测过程中得出的概念为诸如静脉溶栓和血管内取栓等革命性卒中疗法的提出奠定了关键基础，同时也强调了治疗的时间窗口。
结论与展望
总而言之，NHPs在卒中研究中相较于啮齿动物具有不可替代的优势，是推动基础研究和转化研究取得重大突破的极其重要工具。然而，不可否认的是，现有的NHPs模型仍然存在一些局限性。首先，NHPs资源稀缺，购买和饲养成本高，实验周期较长，这使得难以开展大规模实验。其次，NHPs个体间的异质性比啮齿动物更大。此外，关于NHPs的生理、生化、免疫等基本参数的详细信息仍然不足，抗体、靶向药物、生化试剂、行为评估系统、影像设备和基因编辑技术等研究工具也尚未如啮齿动物那样成熟。最后，虽然NHPs是神经科学研究的理想动物模型，但其伦理审查更加严格。因此，在使用NHPs时，应始终贯彻“减少、替代、优化”（Reduce, Replace, Refinement）的“3R”原则，以严格保障动物福利。
自2018年第一只成功存活的克隆NHPs诞生以来，Liao等31 通过体细胞核移植技术-滋养层细胞置换策略，首次成功培育出成年克隆恒河猴，31 这为获得大量遗传均一的NHPs带来了希望。2022年，由中国学者主导并联合多国学者完成的首部NHPs全身器官细胞图谱问世。32 随后，通过时空基因组学技术和单细胞核转录组测序技术，定义了迄今为止最全面的灵长类大脑皮层细胞类型、空间分布和分子特征。33 这些研究为深入分析与人类相关的脑功能和疾病奠定了坚实基础。此外，转基因和基因编辑技术的快速发展使得建立更多NHPs疾病模型和开发更有前景的治疗方案成为可能。34
更多内容详见文章原文：https://svn.bmj.com/content/early/2024/08/28/svn-2024-003504，或点击文末“阅读原文”。
参考文献（略，详见文章原文）
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