動物模型賦能罕見代謝疾病研究：戊二酸血癥模型——Gcdh KO小鼠

       戊二酸血癥I型（GA1），又稱戊二酸尿癥I型，是一種常染色體隱性遺傳的代謝性疾病。2018年，該疾病被列入國家衛(wèi)健委等五部門聯(lián)合制定的《第一批罕見病目錄》。GA1由L-賴氨酸、L-羥基賴氨酸和L-色氨酸的分解代謝缺陷引起，導致代謝產(chǎn)物戊二酸（GA）、3-羥基戊二酸（3-OH-GA）及戊二酰肉堿（C5DC）在體內異常蓄積，進而造成代謝紊亂，主要影響神經(jīng)系統(tǒng)。GA1的全球發(fā)病率約為1/100,000（兒童發(fā)病率約為1/30,000至1/100,000）^[1]，具有種族和地域差異，國內報道約為1/60,000。GA1患兒在正常發(fā)育階段后，可能因感染、疫苗接種或手術等誘因觸發(fā)急性腦病，導致不可逆的紋狀體損傷，具有較高的致死致殘率。

圖1  GA1疾病中腦部損傷的機制 ^[2]

1.戊二酸血癥I型的發(fā)病機制

       戊二酰輔酶A脫氫酶（GCDH）是一種線粒體酶，屬于脫氫酶/脫羧酶酶類家族，主要分布于肝臟、腎臟及腦部等代謝活躍組織的線粒體中。GCDH的主要功能是催化戊二酰輔酶A（Glutaryl-CoA, GA-CoA）氧化生成戊烯二酰輔酶A（Glutaconyl-CoA），隨后進一步脫羧為巴豆酰輔酶A（Crotonyl-CoA）。這一過程是賴氨酸、羥基賴氨酸及色氨酸分解代謝的關鍵步驟。由于這些氨基酸是必需氨基酸，其代謝路徑中的中間產(chǎn)物需及時清除，避免在體內蓄積造成毒性。此外，GCDH的功能缺陷會導致某些代謝途徑中斷，影響能量供給，對大腦等高度依賴能量組織的影響尤為明顯。在GCDH缺乏的情況下，戊二酰輔酶A無法正常代謝，導致其轉化為戊二酸（GA）、3-羥基戊二酸（3-OH-GA）及戊二酰肉堿（C5DC）等毒性代謝物。這些代謝物對中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有高度毒性，特別是在紋狀體區(qū)域，可能引發(fā)神經(jīng)元損傷、神經(jīng)元空泡化及炎癥反應 ^[3-5]。臨床表現(xiàn)包括巨腦癥、進行性肌張力障礙和運動障礙，嚴重者可能致命。

圖2 GA1中的賴氨酸和色氨酸代謝紊亂 ^[5]

2.Gcdh KO小鼠模型的研究價值

       研究表明，Gcdh基因敲除小鼠（Gcdh KO小鼠）展現(xiàn)出與人類GA1疾病高度相似的生化表型，其尿液和腦組織中GA及3-OH-GA水平顯著升高，血清中C5DC含量亦顯著增加，與患者體內水平一致。此外，Gcdh KO小鼠在高蛋白飲食條件下會出現(xiàn)腦病風險、腦空泡形成，并于4～5天內死亡 ^[7]。高賴氨酸飲食（HLD）進一步加重表型，表現(xiàn)為代謝物積累、紋狀體神經(jīng)變性和年齡相關腦損傷，斷奶時喂食HLD的小鼠致死率顯著升高。存活至成年期的KO小鼠常伴有嚴重的神經(jīng)病理學改變，包括神經(jīng)元缺失、空泡化及腦室內出血 ^[8-9]。因此，Gcdh KO小鼠被廣泛用于GA1疾病機制研究、治療藥物開發(fā)及藥效評估 ^[10-13]。

圖3  Gcdh KO小鼠用于腺相關病毒（AAV）介導補充療法的臨床前藥效評估 ^[10] 

3.賽業(yè)生物Gcdh KO小鼠模型

       賽業(yè)生物通過敲除Gcdh基因構建了Gcdh KO小鼠（產(chǎn)品編號：C001594）。該模型在血漿、腦部和肝臟組織中均累積了大量的戊二酸（GA），與野生型小鼠相比，呈現(xiàn)出典型的戊二酸血癥I型（GA1）疾病生化表型。該模型是研究GA1發(fā)病機制的理想工具，可用于藥物研發(fā)、氨基酸代謝及GCDH功能研究。

圖4  野生型小鼠（WT）與Gcdh KO小鼠體內GA水平對比

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