ロスト・イン・トランスレーション ：アルツハイマー病研究におけるマウスモデルの有用性に関する不都合な真実（論文の翻訳）
https://doi.org/10.7554/eLife.90633
【要旨】
最近、アルツハイマー病（AD）に対する抗体ベースの治療法が承認され、物議を醸している。この議論には、ADの理解を進める上での前臨床マウスモデルの限界についても批判的に見直す必要がある。われわれは動物モデルの限界について批判的に論じ、どのように実験を計画し、結果を解釈するかを慎重に検討する必要性を強調する。ヒト疾患の複雑性を再現するADモデルの欠点を明らかにする。これらの問題を、量的、質的、時間的、文脈依存的なレベルで分析する。これらのモデルは、ADのアミロイドカスケード仮説（ACH）によって提唱された単純化されすぎた仮定に基づいており、ADという疾患の多因子的な性質を説明できていないと主張する。この総説は、現在の実験ツールの制約に光を当てることで、より臨床的に適切なツールの開発と実装を促進することを目的としている。前臨床モデルの役割を否定するものではないが、別のアプローチを模索し、最も重要なこととして、ACHの再評価を行うことを求める。
【はじめに】
多くのAD臨床試験の失敗が積み重なっていること、そして最近FDA（米国食品医薬品局）がモノクローナル抗体を承認したことが大きな議論を呼んでいること（Høilund-Carlsenら, 2024; Keppら, 2023a）から、ADの分子決定因子、特にACHを再考する必要がある。
当初の定式では、ACHは、β-アミロイド（Aβ）の代謝異常とその老人プラークへの実質的沈着が、まだ不明ではあるが、過リン酸化タウ封入体の形成と最終的な神経細胞死をもたらす一連の分子事象の主要な原動力であるとされている（Hardy and Higgins, 1992）。Aβプラークと認知障害との間の非線形な関連は、プラークよりもむしろ可溶性の低分子量Aβオリゴマーが主要な神経毒性種であるという示唆（Clineら、2018；Lambertら、1998）を含む、ACHの改訂につながったが、これもまだ大いに議論の余地がある（Morrisら、2018；Morrisら、2014）。ACHはまた、ADに関する現在の「ATN研究フレームワーク」の基盤でもある。ATNは、AD連続体の構造化された偏りのない分類を提供するように設計されており、死後検査またはバイオマーカー（すなわち、アミロイド-「A」、タウ-「T」、神経変性-「N」Jack et al., 2018）によって特定された生物学的/分子的変化に基づいている。 ATNの構成が最適ではなく、不完全な発見的価値を提供すると考える十分な理由が引き続き存在する（Morris et al., 2018）。
疾患におけるアミロイドの役割を否定する科学者はほとんどいないが、ADにおけるAβの唯一の中心性については懐疑的な見方が強まっている。新しい仮説は、最近の臨床的、疫学的、薬理学的所見との不一致を踏まえて、その構成を再考している（Granzotto and Sensi, 2024; Herrup, 2022; Herrup, 2015; Kepp et al., 2023a; Kepp et al., 2023b; Kurkinen, 2023; Liu et al., 2023; Morris et al., 2018; Morris et al., 2014）。 これらの相違には、アミロイド病態を有する認知障害のない高齢者の割合が大きいこと、AD症例における混合神経病理の寄与に関する長年知られている証拠、Aβ低下抗体によってもたらされるささやかな利益［Høilund-Carlsenら、2023、Granzotto and Sensi、2024、およびGuoら、2024に総説あり］が含まれるが、これらに限定されない。このような状況の中、AD発症リスクのある認知機能に障害のない被験者におけるAβ受動免疫療法の効果を調査した2つの著名な研究が、ACHの妥当性を疑問視するものであった。Alzheimer's prevention initiative（API）Colombia試験では、AD発症の特別なリスクをもたらす変異（PSEN E280A）のキャリアが登録された（Alzforum、2022年）。A4（Anti-Amyloid Treatment in Asymptomatic Alzheimer's Disease）試験では、アミロイドPET画像によって評価されたAβの脳内濃度が高い被験者が登録された（Sperling et al.、2023）。両試験とも不成功に終わり、臨床的に適切な利益をもたらすことができなかったAβ標的介入の長いリストに加わった（Panzaら、2019）。いつものように、アミロイド支持者たちは、ACHの誤りによるものではないとし、これらの試験が失敗した他の理由を示唆している。しかし、これらの主張はますます議論されている。最近、Frisoniらは矛盾の調整を試み、ADの病因に対する確率的要素、例えば環境的／改変可能な因子や低リスク遺伝子の寄与を含む、より洗練されたACHの見解を提案した（Frisoniら、2022年）。しかし、改訂版では依然としてアミロイドが中心的な役割を担っている。アミロイドの役割を否定するものではありません。しかし、現在のすべてのエビデンスは、最終的にアルツハイマー型認知症を引き起こす複雑な様々な要因によって引き起こされる可能性の高い分子的・細胞的メカニズムを考慮した上で、モデルの再検討を開始することが緊急に必要であることを示している。
以上のような懸念から、ACHの再評価と新しい仮説の開発が急務である。ACHの再評価は、ADの表現型を再現するようにデザインされ、薬剤候補の初期の安全性／有効性試験や新規の薬剤標的の同定のためのツールとして頻繁に使用される前臨床モデルの再評価も包含すべきである（Ganesan et al, 2024; LaFerla and Green, 2012; Scearce-Levie et al, 2020）。トランスジェニック哺乳動物、特にマウスは、複雑なin vivo環境でAD関連メカニズムを研究するのに適した生物である。ADはまた、ショウジョウバエや線虫のような無脊椎動物でもモデル化されている。しかし、これらの系は哺乳類から系統学的に離れているため、認知症分野との関連性や全体的な意味合いには限界がある(Elder et al., 2010)。
これまでのところ、研究室においてADの臨床的特徴を再現するために210以上のげっ歯類モデルが作製されている。ADの分子機構を解明するために、モデル動物を作製し、その特徴を明らかにする努力が現在も続けられている（Alzforum, 2023a）。残念なことに、これらの努力の成果は、現在までのところ、あまり芳しくない。その理由の一つは、技術的・生物学的な限界と、場合によっては概念的な欠陥にあると考えられる。
遺伝的背景、導入遺伝子、繁殖および取り扱い戦略、飼育条件、表現型形質を定量化するためのプロトコル、さらに数え切れないほどの変数が異なるため、これらのモデルを通じて得られた情報を一貫性のある包括的な図式に組み入れることは、不可能ではないにせよ、困難である。このような問題のいくつかは、他の場所でも議論されている（Erington, 2024; Mullane and Williams, 2019; Padmanabhan and Götz, 2023; Reynolds, 2022）。ここでは、トランスジェニックマウスモデルがなぜACHを限定的に支持するのか、なぜ前臨床モデルとしての使用には注意が必要なのかという観点から、その欠点に焦点を当てることにする（表1）。
表1. アルツハイマー病（AD）の最も一般的な第一世代および第二世代のトランスジェニックモデル。
以下のセクションでは、ADの前臨床モデルにおける限界について、質的、量的、時間的、文脈依存的なレベルで、大まかな筆致で要約する。しかし、まだ未解決の科学的疑問を解決するためにマウスモデルが提供する機会についても述べる。
【質的】
【APPおよびPSEN変異マウス】
ほとんどの前臨床研究では、家族性AD（fAD）に関連するヒト遺伝子の変異をさまざまな程度で発現するトランスジェニックげっ歯類モデルが用いられている。PSEN1［プレセニリン1（PSEN1）をコードする］、PSEN2［プレセニリン2（PSEN2）をコードする］、および／またはAPP［アミロイド前駆体タンパク質（APP）をコードする］の変異は、APPプロセシングに影響を及ぼし、常染色体優性ADの発症に因果的に関与している（図1）。多くの場合、どのような表現型でも、マウスはそのような変異を複数発現している。しかし、fADの有病率は非常に低く、全症例の1％未満（Pavisicら、2020年）であるため、これらのモデルで得られた知見を広範な散発性AD症例（sAD）に一般化することは不可能であり、結果の誤解を招くような過大解釈の原因となっている。
図1. アルツハイマー病（AD）の前臨床マウスモデルの限界。
この図式は、アミロイドカスケード仮説（ACH）の左の柱を報告したものである。Karran et al., 2011から変更された。各ステップにおいて、カスケードの前臨床モデリングにおける重要な限界を特定することを目指した。これらの落とし穴は、アミロイド・コンストラクト・カスケード自体の矛盾とともに、これらのモデルの潜在的な翻訳的価値を決定的に低下させるものであると我々は考えている。
これらのモデルにおける神経病理学的および機能的変化の長期モニタリングにより、散発性sADの臨床的特徴としばしば相反する複合的シナリオが明らかになった（Drummond and Wisniewski, 2017）。ヒト疾患の臨床症状とは対照的なfADモデルに共通する2つの問題点は、タウ病態と脳の萎縮の欠如である。ほとんどのモデルは神経変性を示さない。神経変性が起こる場合、神経細胞の喪失がわずかに観察されるが、それは通常、個別の脳領域（大脳皮質の単層や海馬亜野など）に限られ、それでもアミロイド依存性ADモデルのごく一部でしか観察されない。注目すべきは、このような神経変性の軽微な徴候は、主にPSEN1変異の存在下でAPP変異が起こるトランスジェニックマウスで報告されていることで、病的表現型を引き起こすPSEN1の役割に対するAβの特異的な寄与について疑問が投げかけられている。実際、初期の研究では、カルシウム（Ca2+）シグナル伝達の調節障害、金属イオンのホメオスタシス異常、シナプス機能障害、成体神経新生の障害、細胞毒性刺激に対する神経細胞の脆弱性の増大など、ADに関連した神経機能障害の特徴の主要なドライバーであると考えられるのは、マウスモデルのPSEN変異であると指摘されている（Al Rahim et al、 2020; Corona et al., 2011; Duff et al., 1996; Hernandez-Sapiens et al., 2022; Mattson et al., 2000; Stutzmann et al., 2004）。 系統的な研究はされていないが、動物モデルにおけるPSEN1の影響は、Aβ病理とは独立した様式で起こるようである。APPとPSEN1のfAD変異を持つマウスは、PSEN1変異を除去するとその表現型を失うからである。逆に、単一のPsen1 KI変異体は機能的変化を示し続けた（Bombaら、2013；Stutzmannら、2006）。全体として、この証拠は、神経機能におけるPSENの重要な役割を示唆しており、「ADのプレセニリン仮説」（Shen and Kelleher, 2007; Yan et al.）で概念化されている構造である。 この仮説では、PSENの突然変異や機能障害が、fADにおける神経変性の主な原因であるとされている。重要なことに、プレセニリン仮説は、ACHとは逆に、Aβの蓄積を、それ自体がADの引き金になるのではなく、誤った酵素活性の副産物であると指摘するため、fADの病態に関する別の見方を提供する（Kelleher and Shen, 2017）。注目すべきことに、fADを引き起こすPSEN1変異の系統的解析から、認知症症例の75％において、変異によってAβ断片の産生が減少していることが示されており（Sun et al., 2017）、アミロイドが病気の原因ではないという考え方を支持している。 逆に、ヒトのADを引き起こすAPPの変異が、プレセニリン機能への影響を介してADに寄与している可能性もないわけではない。従って、PSEN（あるいはPSEN＋APP）変異を持つマウスモデルに価値があるとすれば、それはACHのモデルではなく、プレセニリン仮説のモデルかもしれない。
AβよりもむしろPSENの機能障害がAD発症の中心であるという考えは、γセクレターゼ阻害剤の臨床的失敗によってさらに支持されている。γセクレターゼは、PSENを含むいくつかのサブユニットから構成され、APPの切断以外にも、中枢神経系（CNS）において多くの役割を担っている。当然のことながら、APPの切断とアミロイド産生を制限するために開発されたγセクレターゼ阻害剤は、臨床試験において一貫して認知機能を悪化させることが判明している（Coricら、2015；Doodyら、2013）。この効果は、PSENs活性の阻害と、Notchシグナル伝達のような複数のシグナル伝達経路に対するその下流での負の影響に起因すると考えられる（Hur, 2022）。
これらのfADモデルのトポロジカルな分布と、ささやかではあるが神経細胞喪失のメカニズムは、ACH（Jankowsky and Zheng, 2017）とのさらなる矛盾を示している。これらのトランスジェニックマウスでは、神経細胞の死滅は多くの場合、老人斑近傍の壊死細胞死という形で起こる。この所見は、神経細胞機能不全の慢性的、段階的、制御されたプロセスの結果というよりは、むしろ神経細胞の完全性の「機械的」破壊に沿ったものである（Tanaka et al., 2020）。 もちろん、J20モデル（Wright et al., 2013）のような例外もある。
第一世代の過剰発現モデルがもたらす欠点を回避するため、研究者たちは、fAD変異を加えてApp遺伝子をヒト化した第二世代のノックイントランスジェニックマウスを開発した。これらのモデルは、APP過剰発現に伴う落とし穴なしに、微妙な認知障害、Aβ42の過剰産生、Aβ42/Aβ40比の増加、神経炎症に先行するAβ代謝の変化を示す。このアプローチは、第一世代マウスがもたらす限界を回避するものではあるが、重大な欠点や臨床観察との乖離は残っている。例えば、Aβ神経病理を発現させるためには、ノックインモデルではヒトには見られない複数のAPP変異が存在する必要がある。『病原性」スウェーデン変異のみを持つモデルであるAppNLマウスは、22ヵ月齢までアミロイド病理を発症しなかった（Saito et al., 2014）。 驚くべきことに、AppNLマウスは複数のAppノックイン系統のネガティブコントロールとして提案されている（Alzforum, 2023b; Saito et al., 2014）。 注目すべきことに、Appノックインマウスにおけるシナプス機能の評価では、シナプス前の変化のみが認められ、ヒトで見られるシナプス後の変化は認められなかった。このことは、Aβそれ自体の直接的な作用ではなく、プレセニリンや総体的な炎症のような他の要因が、ヒトのシナプス後機能障害や神経細胞喪失を引き起こしている可能性を再度示唆している（Benitezら、2021年）。同様に、新規AppノックインマウスモデルAppSAAは、Aβ病態を促進する複数の疾患原因変異（スウェーデン、北極、オーストリア）を保有している。驚くべきことに、AD患者とは対照的に、AppSAAマウスはAβ病態の進行に伴って脳代謝の亢進（FDG-PETで測定）を示す（Xiaら、2022）。第一世代モデルと同様に、ノックインマウスはタウ病態を発症せず、神経変性の明らかな徴候も生じない。
【タウ変異マウス】
AD患者で観察される過リン酸化タウの封入体を模倣するマウス系統がいくつか作製されており、APP系統のタウ病理の欠如を克服できる可能性がある。タウ病態は、ADに関連した神経変性の正確な相関因子と考えられている。タウ蓄積の程度とトポロジー的分布は、他のバイオマーカーよりも忠実に疾患の臨床経過を反映するからである（Knopmanら、2021）。これらはしばしばADのモデルマウスと考えられているが、ほとんどのタウモデルはヒトMAPT遺伝子を過剰発現しており、AD症例にはみられないが前頭側頭葉変性症（FTLD）に関連する変異を有している。APPモデルとは異なり、これらのマウスは、神経原線維変化（NFT）封入体、神経変性、認知障害など、ADの臨床的特徴の一部をよりよく表現する。しかし、明らかなタウ病態を示すためには遺伝的な強い駆動力が必要であることから、ADを含む散発性のタウ病態に適用した場合の知見の一般化可能性については疑問が残る。
もう一つの注意点は、タウアイソフォームがヒトとマウスで異なることである。ヒトでは、MAPT遺伝子のalternative splicingにより、長さ、N末端配列、微小管結合配列の3反復（3R）または4反復（4R）の有無の違いによって特徴づけられる6種類のタウアイソフォームが生じる（Hernández et al., 2020）。 ヒトのホモログと比較すると、ネズミのタウは反復配列の数（成体マウスではタウ3Rは存在しない）やN末端ドメインの配列（マウスでは11アミノ酸短い）が異なる（Hernández et al., 2020）。 これらの特徴は、タンパク質の生理学的および病理学的特性を形成する上で重要かもしれない。例えば、N末端ドメインは、神経機能に関与するタンパク質（NMDA受容体、シナプシン-1、シナプトタグミン-1など Hernández et al., 2020 ; Stefanoska et al., 2018）のタウ駆動変調に関連している。 3Rアイソフォームと4Rアイソフォームの間の比率の変化も、ADを含む神経変性タウオパチーで見られるものとは異なる（Bowlesら、2022；Cherryら、2021；Ginsbergら、2006）。したがって、タウとその結合パートナーが大きく異なる実験環境であるマウスで、ヒト型のタウを大幅に過剰発現させると、アーチファクトや翻訳価値の低い所見が生じる可能性がある。注目すべきは、動物モデルにおける免疫介在性神経変性に関する最近の知見から、ヒトのタウオパチーにおける変性の新たなメカニズムが示唆されていることである（Chen et al., 2023）。 エビデンスが積み重なれば、タウマウスの免疫機能障害は、少なくともタウオパチーの疾患モデルとなり、追求する価値があるかもしれない。
【複数の遺伝子を導入したマウス】
加齢に伴うAβの蓄積は、ヒト以外の多くの種（霊長類、イヌ、ヒツジなど）に共通する。しかし、これが動物の認知に影響を及ぼすかどうかは依然として不明であり、ADの神経病理学的特徴はほとんどヒトの問題である。Aβ病理、NFT封入体、グルコース代謝異常、神経変性の共存を示すヒト以外の動物は、おそらくオクトドン・デグス（Steffen et al., 2016）以外にはいない。より強固な表現型を生み出すために、3xTg-ADやTauPS2APPのように、APPやPSEN、MAPT遺伝子に変異を持つトランスジェニックモデルが開発されている（Grueningerら、2010；Oddoら、2003）。これらの例は、ADの重要な特徴のいくつかを包含するモデルを作成するためには、極端な手段が必要であることを示している。これは、AD症例の大多数がこれらの遺伝子変異を伴わずに発症するヒトとは対照的である。
APP変異体がヒトのタウ変異のない疾患を再現できなかったことは、少なくとも、Aβとタウのクロストークの重要性を示唆しているかもしれない。APPトランスジェニックモデルと交配したMaptノックアウトマウスは、野生型Mapt遺伝子を持つマウスと比較して、神経細胞の欠損が減少し、記憶能力が改善した。これらの結果は、タウがAβに毒性を与え、その逆ではないことを示唆している（Robersonら、2007；Ittnerら、2010；Sasaguriら、2017）。加えて、最近作製された6つのヒトMAPTアイソフォームすべてとヒト化AppNL-F遺伝子を保有するダブルノックインマウスが特徴づけられた。注目すべきことに、マウスタウ遺伝子のヒト化は、Aβの存在とは無関係に病的タウの伝播を促進するのに十分であることが判明した（Saito et al., 2019） 。これらの観察から、ADにつながる事象のカスケードにおいて、実際にはタウがAβの上位に位置する可能性が示唆される。
【量的】
In vitroおよびin vivoでの研究は、主にAβ濃度が生理的範囲を数桁上回る環境で行われている（図1）。さまざまな長さや風味の合成Aβ付加体の神経毒性を実証するために計画されたin vitroの証拠は、ナノモル濃度の低分子量オリゴマー型ペプチドに曝露した培養神経細胞に基づいている。この濃度は、通常ピコモルの範囲にある生体内の濃度よりも1000倍も高い（Kepp et al., 2023a）。 このような高濃度のAβの生理学的妥当性は疑わしい。生理的なAβ濃度は、シナプス形成、神経細胞の生存、成長、分化に神経栄養学的な作用を及ぼすことを示唆する証拠が増えている（Giuffridaら、2009；Yanknerら、1990；Zhouら、2022）。この二律背反的な挙動（低濃度が高濃度とは逆の効果をもたらす）は、例えば、proBDNFと成熟BDNFレベルのバランスが神経変性-可塑性スペクトラムの反対側に作用するニューロトロフィンのように、多くの分子に共通している（Brem and Sensi, 2018）。
Aβオリゴマーを用いたin vitroおよびin vivo研究において、さらにしばしば無視される問題は、Aβの凝集状態を制御できないことである。in vitroおよびin vivoの細胞外環境には、Aβのコンフォメーションに影響を及ぼすことが知られている分子やイオン（すなわち、タンパク質、酸化剤および還元剤、金属イオン、および細胞から放出されるAβ切断酵素）が様々な量で含まれている。最後に、2つの独立した研究が、アミロイド駆動性毒性の中心種と長い間考えられてきたAβ二量体は、SDSベースのサンプル処理によって引き起こされるアーチファクトである可能性があると報告している（Pujol-Pinaら、2015；Wattら、2013）。
その他の定量的な落とし穴は、ADのin vivo遺伝子モデルに関連している。3つの重要なアミノ酸置換により、マウスAβはヒトAβに比べて凝集しにくくなっている。この問題を克服するために、第一世代のトランスジェニックモデルでは、ADに関連するさまざまな変異を持つAPP遺伝子のコピー数を変化させて過剰発現させた（図1）。このアプローチにより、トランスジェニックモデルの脳内にAβ濃縮プラークを生成することに成功した。しかし、ヒトのADとの関連については、いくつかの限界や疑問が残っている：
1. マウスとは異なり、ADはAPP遺伝子全体の過剰発現を伴わないようであり（Harrisonら、1996；Matsuiら、2007）、それ自体が神経細胞機能に害を及ぼし、最終的には細胞毒性をもたらす可能性がある（Bartleyら、2012；Benitezら、2021；Bolognesi and Lehner、2018）。
2. APPの過剰発現にはAβ以外の断片も含まれるが、その役割はまだほとんど解明されていない。APPの他の断片が毒性を引き起こす可能性はまだ残っている。実際、APPのC99フラグメントの発現の変化がfADの神経変性の根底にあることは、ジョン・ハーディ（John Hardy）がfADの代替メカニズムとしてACHに関する最初の論文で最初に指摘したように、決して否定されていない（Hardy and Higgins, 1992）。
3. fADに関連するすべてのAPP変異が一貫してAβの過剰産生と関連しているわけではない。スウェーデン変異（K670N/M671L）、フランドル変異（A692G）、ロンドン変異（V717I）のようにAβ産生を増加させる「病原性」変異がある一方で、イタリア変異（E693K）、オランダ変異（E693Q）、北極変異（E693G）、大阪変異（E693Δ）のようにAβ断片のレベルに変化がないか、あるいは減少さえする変異もある（De Jonghe et al、 1998; Nilsberth et al., 2001; Tiwari and Kepp, 2016）。
4. 脳内Aβ沈着のバイオマーカーとして広く用いられているAβ42/Aβ40比の生物学的意義については議論がある（Imbimboら、2023；Keppら、2023b）。
5. 過剰発現は、導入遺伝子の挿入部位の近傍にある他の遺伝子を破壊することによって、あるいは細胞のプロテオスタシスを巻き込むことによって、それ自体が毒性を持つかもしれない（Alzforum, 2023c; Saito et al.,2014）。
6. 第一世代のADモデルで観察された表現型のいくつかは、「ADのプレセニリン仮説」に照らして批判的に再考することもできる。過剰発現したAPPを代謝するためにPSENの仕事量が増加すると、神経細胞の機能に必要な他の多くの生理学的に関連する基質の切断活性から酵素が逸脱する可能性があるからである（Haapasalo and Kovacs, 2011）。
上記のように、トランスジェニック動物モデルは非常に高レベルのAPP産生を促し、高濃度のAβが生成される。他のアプローチとしては、Aβオリゴマーを齧歯類の脳に直接注入する方法がある。どちらの方法でも、シナプスの消失など、この疾患の重要な影響の一部をモデル化することができる。しかし、高濃度の非天然モノマーやオリゴマーが、それ自体アミロイドに依存しない形で障害を引き起こす炎症反応の活性化など、さらなる反応を引き起こす可能性もある。
「定量的」懸念はADのタウモデルにも当てはまる。AD患者では高レベルの総タウが報告されているが、ADにおいてタウの過剰発現が起こるというコンセンサスは得られていない（Hierら、2022）。PS19とrTg4510は、ADのタウ病態モデルとして最も広く用いられている2つのモデルである。これらはそれぞれ、P301S変異とP301L変異を持つヒト4Rタウを保有している。しかし、これらのモデルは、内在性のマウスタウよりも5倍（PS19の場合）から13倍（rTg4510の場合）高い発現レベルを生成する（Jankowsky and Zheng, 2017）。その結果、タウのリン酸化亢進、NFT形成、神経変性、明らかな認知・運動障害、早期致死などの初期症状が見られる（Lewisら、2000年）。しかし、同様の形質は野生型ネズミタウを過剰発現したマウスでも報告されている。これらの知見から、マウスではタウの過剰発現は、タウの遺伝子型とは無関係に神経毒性を促進するのに十分であることが示された(Adams et al., 2009)。
【時間的】
数十年にわたる研究努力にもかかわらず、加齢は依然としてADの主要な危険因子である（Herrup, 2010; Mattson and Arumugam, 2018）。加齢は、複数の分子決定因子が脳に大混乱をもたらす可能性のある理想的な戦場である。この側面は、疾患の前臨床モデリングや結果の重要な解釈において、補因子として十分に考慮されてこなかった（Padmanabhan and Götz, 2023）。時間依存的な生理的体力の喪失は、酸化ストレス、ミトコンドリア機能障害、DNA修復障害、細胞代謝の変化、イオン恒常性異常、神経細胞ネットワーク機能の異常、神経炎症、血管疾患、老化、幹細胞の疲弊など、AD発症に関連するメカニズムとまったく同じメカニズムの多くに影響を及ぼす（López-Otín et al.）。 その要点は、加齢に伴う細胞死がAβとタウの調節異常によって加速されるのか、それとも副産物としてミスフォールドタンパク質の蓄積をもたらす、生理的加齢の軌跡の未確認の摂動なのか、ということである。
ADの前臨床モデルで観察されるアミロイドやタウ病理の早期かつ積極的な発現は、この重大な問題の解決には役立たない（図2）。5xFADのような一般的に使用されているADマウスモデルは、生後2-4ヵ月からアミロイド沈着を示す（Oblakら、2021年）。J20マウスは、炎症発症後、少し遅れてアミロイド病態を発症するが、それでも比較的若齢で発症する（Wright et al., 2013）。限界はあるが、この早期蓄積は、4～8歳のヒトでAβ沈着が起こることに置き換えることができ、これはsADはおろかfADの最も進行した症例でさえ見られないシナリオである。また、fADの症例でさえ、病気が定着するには数十年を必要とし、通常、APPやPSEN変異の保因者が40歳代や50歳代であることも注目に値する（Frisoniら、2022年）。これらの観察結果は、(1)ヒトの脳は遺伝的なAβの蓄積に何十年も対応できること、および/または、(2)疾患の発症には加齢に関連した要因がさらに必要であることを示唆している。しかし、動物モデルの目的は病態を加速させて病気を研究することであり、ヒトのADをモデル化するためには攻撃的な表現型が必要であるという議論は認める。
図2. アルツハイマー病（AD）病態の軌跡におけるヒトと前臨床モデルとの不整合。
(A）散発型ADにおけるβアミロイド（Aβ）（赤）とタウ（青）の病態の動態と認知症状の軌跡（緑）を示すピクトグラム（Frisoni et al., 2022から修正）。 家族性AD（fAD）やAPOEε4関連ADの場合、病態は同様の経過をたどるが、早期に急峻な軌跡をたどることに注意されたい（Frisoni et al., 2022）。 (B）ピクトグラムは、最も広く使われているADマウスモデルで観察されるADの主要な特徴の動態を推定したものである。ヒトで観察されるのとは異なり、これらの前臨床環境では、認知障害は通常Aβ病態の出現を先取りする。タウ封入体や明らかな神経変性の徴候は見られない。(C）このピクトグラムは、ADの第二世代ノックインマウスモデルで観察されるADの主要な特徴の動態を推定している。この実験環境では、Aβ病理は微妙な認知機能低下の発現を予期している（Sakakibara et al., 2018）。 第一世代の過剰発現モデルと同様に、タウのもつれや脳の萎縮は見られない。BとCの軌跡は、表1に示したマウスモデルを用いた論文から抽出したデータを採用し、各病態学的特徴について正規化することで推定した。可能な限り元の報告の時間経過を用いたが、代わりにこれらのモデルの表現型の時間依存的変化を研究した初期の研究を調査した。
第一世代および第二世代のfADモデルがタウ病態と脳萎縮を発症しないという事実を裏付けるために、時間的な説明も必要とされている。げっ歯類の寿命が短いため、ヒトで観察されるAβ駆動性のタウ病変や神経変性の発症が妨げられ、NFTの欠如と明白な神経細胞損失がAD時間経過に依存するというケースが頻繁になされている。しかし、これらの議論は、ヒト以外の霊長類からの観察結果とは一致しない（Walker and Jucker, 2017）。これらの哺乳類は、ヒトと比較してより急峻な老化の軌跡を示し、寿命に比例した年齢で、タウ病態や明白な認知症の徴候がないにもかかわらず、広範な脳Aβ沈着が起こる（Finch and Sapolsky, 1999; Walker and Jucker, 2017）。
【文脈】
蓄積された臨床的エビデンスによると、異なる効力を持ついくつかの遺伝因子と環境因子がADの一因であると認められている（Frisoniら、2022；Knopmanら、2021；Livingstonら、2020）。
このような状況において、分子遺伝学的解析はADの複雑な病因に関する貴重な情報を提供してくれる。APP、PSEN1、PSEN2遺伝子のまれな変異が実質的に100％の浸透率を示すことに加え、リンケージおよびゲノムワイド関連研究（GWAS）により、さらに20以上の遺伝的リスク遺伝子座が同定されている（Andrewsら、2023）。各関連遺伝子の寄与は、Aβ病態やタウ病態との関連で解釈されることが多かったが、これらの遺伝子が、コレステロール・脂質代謝、免疫系・炎症反応、エンドソーム小胞循環という3つの主要な経路に属していることは注目に値する（Van Cauwenberghe et al., 2016）。
この中で、APOEの寄与は活発に研究されている分野である（Chenら、2021；Ganesanら、2024）。この重要なタンパク質は、コレステロールを含む脂肪代謝に関与している。ヒトでは、3つの主要な対立遺伝子変異体が存在する： APOEε2、ε3、ε4である（Huebbe and Rimbach, 2017）。各遺伝子型は後期発症型の発症リスクの違いと強く関連しており、ε4アイソフォームは発症リスクを高め、ε2は予防的である。最も一般的なε3対立遺伝子は中立と考えられている（Serrano-Pozoら、2021年）。コレステロール代謝とADにおいてAPOEが果たす中心的役割を考えると、前臨床モデルの結果を解釈する際には注意が必要である。
というのも、この非常に特殊な経路には、種間で実質的な相違点が存在するからである。
第一に、重要な相違点はAPOEそのものに関するものである。単一のマウスAPOEアイソフォーム（mAPOE）は、ヒトAPOEアイソフォームと70％しか相同性がない。299アミノ酸からなる3つのヒトAPOEアイソフォームが、わずか2残基しか互いに異なっていないことを考えると、これは重大な赤信号である（Frieden and Garai, 2012）。これと一致して、ヒトアイソフォームとmAPOEのAβ沈着に対する効果を比較した初期の研究では、mAPOEはヒト化ホモログと比較してプラーク形成を有意に促進することが明らかになった（Faganら、2002年）。さらに、脳内ステロールプールの1日あたりの回転率は、ヒトよりもマウスの方が1桁以上高い（それぞれ1日あたり0.4％対0.03％）(Dietschy and Turley, 2004)。これらの所見は、ADトランスジェニックモデルにおいて、病態負荷に影響を及ぼすと思われる異なる合成、輸送、クリアランスの必要性を示している(Granzotto et al., 2011)。同様に、ADの他の危険因子関連遺伝子も、マウスでは遺伝子構造やプロセッシングが全く異なることが多い。
また、ADには代謝の変化も深く関わっている。疫学的証拠は、代謝の変化がAD発症に強く関与していることを示しており、肥満と糖尿病は、認知症患者の約40％を占める12の修正可能な危険因子のリストに含まれている（Livingston et al.）。 脳では、インスリンは強力な神経栄養因子として働き、シナプス可塑性や認知機能のような重要な活動を調節する（Arnoldら、2018）。重要なことに、中枢性のインスリン抵抗性とインスリンシグナル伝達の欠陥は、ヒトの死後研究で一貫して観察されており、ADは「3型糖尿病」であるという仮説につながっている（Steenら、2005）。糖尿病の危険因子である肥満もまた、ADの活性因子として認識されつつある。肥満に伴う慢性炎症は神経炎症に寄与し、脂肪組織から分泌される生理活性分子であるアディポカインは神経炎症および神経変性作用を有する可能性がある（Bombaら、2019；Kotredesら、2023；Mooldijkら、2022）。この文脈では、マウスとヒトの基礎代謝量を比較すると、マウスでは基礎代謝量が7倍高くなると推定される（Terpstra, 2001）。この差は、病態の進行に影響するかもしれないし、他の場面で実証されているように、疾患修飾介入の有効性に影響するかもしれない（Gordon-Larsen et al., 2021; Terpstra, 2001）。
脳の炎症はADの中心的な特徴として浮かび上がってきている。ここ数年、炎症過程がADの病態をどのように変調させるかについての理解が大きく進展している（Kinneyら、2018；Morrisら、2018；Morrisら、2014；Paolicelliら、2022）。AD感受性と骨髄細胞によって特異的に発現される遺伝子に関連する遺伝子変異との間に強固な関連が同定された。これらには、CD33、CLU、MS4A4AおよびMS4A6A、PLCG2、SORL1、TREM2が含まれる（Andrewsら、2023；McQuade and Blurton-Jones、2019）。機能的には、これらの遺伝子は、ADにおける中心的で治療可能なプロセスである食作用（貪食）に関与するタンパク質を主にコードしている（Andrewsら、2023）。これと並行して、新しい研究ツールにより、さらに複合的なシナリオが開示されている（Hasselmann and Blurton-Jones, 2020; Paolicelli et al., 2022）。 ヒトとマウスのシングルセル比較解析から、2種の脳細胞は生理的環境では類似したトランスクリプトーム・プロファイルを示すが、病的状態になると顕著な変化が起こることが示された（Zhou et al., 2020） 。その影響は、脳の免疫細胞であるミクログリアにおいて特に顕著である（Zhou et al., 2020） 。二重の解釈が引き出される。前臨床の疾患モデルがヒトのADとは異なるか、あるいはAD病態に対する反応が文脈や種に大きく依存するかである。
さらに、適応免疫系の細胞や末梢-中枢免疫のクロストークがADの病態生理に重要な役割を果たしていることが次第に認識されるようになり（Andrewsら、2023；Bettcherら、2021；Haage and De Jager、2022を参照）、脳は免疫に恵まれた臓器であるという見方が、エビデンスの増加によって大きく見直されるようになった（Louveauら、2015）。
ADモデリングにおけるさらなる文脈依存的な問題は、集団レベルでは、高齢者の認知症に寄与する神経病理学の異質なセットによってもたらされる（Boyleら、2018；Brenowitzら、2017）。死後のデータから、ほとんどの高齢者の脳は、混合神経病理学（すなわち、AD、脳アミロイド血管症、TDP-43、レビー小体、アテローム性動脈硬化症など）の標的であることが明らかになっている（Boyleら、2018）。一方で、老人斑やNFTの孤立した存在は、認知症症例のごく一部にしか認められない（Boyleら、2021；Boyleら、2018；Brenowitzら、2017；Morrisら、2018）。1000例以上の認知症症例の死後検査では、230以上の異なる神経病理学的組み合わせが同定され（Boyle et al., 2018)、ほとんど人固有の病理学的徴候と疾病の軌跡を示している。この複雑性は前臨床では再現できない。
ADを掘り下げる際には、性因子を考慮することが重要である。ADの発症リスクは女性ではほぼ2倍であり、この差は女性の平均寿命の長さでは十分に説明できない（Reed-Geaghan, 2022）。多くの研究が前臨床モデルにおける性差を調査しているが、結果の解釈には注意が必要である。実際、生物学的な違いによって結果が偏る可能性がある。とりわけ、雌マウスには、女性の寿命の少なくとも3分の1を特徴付け、認知症の初期徴候の発現に最も重要な時間枠に入る、閉経や生殖後の延長期間を含む生殖老化の特徴がない（Moir and Tanzi, 2019）。これと一致して、ADに対する女性の高い脆弱性を説明する上で、性ホルモンの調節異常が原因となる役割が提唱されている（Carrollら、2007；Ratnakumarら、2019；Xiongら、2022）。
前臨床モデルに関することでは、ADのモデル化、介入策の試験、データの解釈を行う際に、ヒトとマウスの基礎となる生物学におけるさらなる違いをより注意深く考慮する必要がある。例えば、夜行性のげっ歯類はヒトと比較して概日リズムが正反対である。ほとんどの実験手順はげっ歯類の活動休止期に行われるため、最近の知見では、概日リズムがトランスレーショナル研究に影響を与え、偏りを与える可能性が示唆されている（Esposito et al., 2020）。 Aβやタウのように、覚醒／活動サイクルの間に蓄積されたタンパク質や溶質から脳間質液がクリアランスされるためには、非活動期（すなわち睡眠時間）が重要であることを考慮すると、これはADの文脈でも生じる可能性がある（Holth et al., 2019; Roh et al., 2012）。 我々はこの点を包括的に提起しているが、それが動物モデルの主要な限界であるとは示唆していない。
最後に、実験動物が通常飼育されている実験条件では、豊かな環境、社会的関与、身体活動、自然の病原体や汚染物質など、実世界のシナリオで観察される重要な要素がADの発症と進行に及ぼす重大な影響が見落とされがちである（de Sousaら、2023；Dhanaら、2024；Kivipeltoら、2018）。これらの環境要素は、認知の健康を維持し、神経変性の影響を緩和するために不可欠な因子である神経栄養シグナル伝達経路や生体エネルギーシグナル伝達経路の活性化のように、加齢に関連した障害に対する脳の回復力を促進する分子メカニズムに影響を与える上で中核的な役割を果たす（Cotman and Berchtold, 2002; Mattson and Arumugam, 2018）。AD病態に対するライフスタイル要素の全体的な影響を捉え、より実用的な治療戦略を開発するためには、実験モデル内にこれらの環境的特徴を組み込むことが不可欠である。
【ACHへの示唆】
第一世代のAPP（またはタウ）過剰発現マウスモデルは、依然としてAD研究の主要なツールである（表1）。
これらのマウスや類似のADモデルマウスで得られた当初の知見は、ACHを強く支持するものと考えられていた。今にして思えば、生まれたときから脳に外来タンパク質を過剰に投与すると表現型が生じるが、そのタンパク質を除去するとその後何らかの効果があることを示す研究は、ACHを支持するものとして過剰に解釈されていたのかもしれない。この解釈は、ここで論じたようなモデルの質的、量的、時間的、文脈的限界だけでなく、広範なタンパク質過負荷に対する適切な対照がないため、問題がある。
このデータは、Aβやタウが認知症に関与している可能性を否定するものではないが、さらなる危険因子関連遺伝子（例えば、TREM2、MS4A、CLUなど）や環境的な手がかりを豊富な前臨床試験で検証する必要がある。ADの分子メカニズムの複雑さを受け入れることは、この疾患の理解を大きく前進させ、治療戦略に役立つであろう。
【全ては失われたのか？】
認知症について純粋にAβ中心の見方はもはや通用しないが（Granzotto and Sensi, 2024; Herrup, 2015; Kepp et al., 2023a; Morris et al., 2014）、前臨床マウスモデルは、主に3つの点で、疾患に関連する疑問に対する答えを提供する可能性がある。
第一に、マウスは、細胞間相互作用の摂動が脳機能障害につながる基本的なメカニズムを調べる上で貴重である。具体的には、J20マウス（Mucke et al., 2000; Wright et al., 2013）のような一般的に使用されるマウス、神経炎症や老化を誘発するモデルマウス、そして遺伝子組み換えでない動物は、認知症における2つの重要な因子である炎症反応や老化に伴う細胞間相互作用の変化の結果を研究するのに有用である（Engelhart et al., 2004）。J20マウスモデルのようなマウスモデルにおける炎症の引き金、すなわちヒトタンパク質の異所性過剰発現は、ヒトのADを引き起こすものと同一ではないかもしれないが、これらのモデルは、神経細胞やシナプスの機能障害における異常なミクログリア・アストロサイト・適応免疫反応の役割の理解を深める上で、なお貴重である。
第二に、一般的に用いられている完全長変異型APPおよび/または変異型PSENを発現するマウスは、ADに関与するAβ非依存的メカニズムの解明に役立つ。言い換えれば、ヒトのAPP、プレセニリン、様々なフラグメントやアイソフォームは、Aβに対する作用を越えて、脳機能や病理においてどのような役割を果たしているのだろうか？これらのメカニズムは研究されているが（Saganich et al., 2006）、しかし、それらはまだ十分に解明されていない。
第三に、マウスモデルの再認識が必要である。ヒト化遺伝子（APP、MAPT、APOEε4、TREM2など）を導入したマウスがヒトADのモデルとして有用かどうかという疑問が残る。われわれの多くは期待しているが、マウスの生化学的・細胞的シグナル伝達機構がヒトの遺伝子とどのように相互作用するかはまだ不明であり、さらなる検討が必要な分野である。
【別の可能性と将来の方向性】
動物からヒトへの移行を改善するため、より優れた、より有益な、予測可能なモデルを開発するための共同努力が進行中である（Vitekら、2020）。これには、複数の遺伝的・環境的リスク因子を組み合わせたマウスの作製（Ganesanら、2024；Rizzoら、2023）や、ADの表現型に対する（実験室系統では限定的な）自然発生の遺伝的変異の影響を評価するための新規系統の開発（Neunerら、2019；Onosら、2019）などが含まれる。その点で、MODEL-ADプロジェクト（MODEL-AD Consortium, 2024）には慎重に期待している。sAD関連モデルの作成を目的としたこれらの研究の成果は、非常に有益なものとなる可能性がある（Kotredesら、2023年）。加えて、ADには、シナプス機能障害、ミトコンドリア障害、Ca2+調節異常、神経炎症、酸化ストレス、金属イオン恒常性異常、神経細胞シグナル伝達の障害など、アミロイドプラークやタウもつれ以外の複雑なメカニズムが関与している。上述したように、環境や自然病原体が脳に及ぼす影響についても疑問があるが、これもまた、自然のままのマウス施設ではうまくモデル化できない。動物モデルでは、疾患症状と強く関連する環境と分子・細胞プロセスの複雑な相互作用を完全に再現できないことが多い。ADの病理学的特徴と単独で、あるいは相乗的に、これらのメカニズムをよりよくモデル化し、より深く探求することは、より的を絞った介入法の開発に役立つ可能性がある。
また、マウスモデルを用いた研究において、方法論的厳密性を高めることも不可欠である。ヒトの臨床試験で観察されるような厳格な基準を遵守することの不十分さに対処すべきである。例えば、トランスレーショナルバリューのあるデータを得るためには、最低限、盲検化プロトコールを実施し、できれば解析の全側面にわたって盲検化を行うことが必須となっている（Cozachenco et al.、2023）。残念なことに、ほとんどの動物実験では一貫してそのようなことが行われていない（Erington, 2024; Reynolds, 2022）。
ヒト由来の細胞モデル、オルガノイド、ヒト以外の霊長類のような大型動物を重視する、ヒト中心のアプローチへの顕著なシフトが見られる。中枢神経系のヒト細胞は、通常、人工多能性幹細胞（iPSC）から誘導されるが、ヒト生物学特有の疾患メカニズムを解明するために不可欠なツールとして台頭してきた。この文脈において、ヒト-マウスキメラは、ADのマウスモデルに異種移植されたiPSC由来細胞サブタイプの挙動を研究するための貴重なツールである（Balusuら、2023；Espuny-Camachoら、2017；Hasselmannら、2019；Mancusoら、2019）。しかし、どのような実験モデルでもそうであるように、いくつかのトレードオフが予想される。ヒト細胞の生着は免疫不全AD株で行われるため、病的表現型の生成に対する免疫系の重要な寄与を見逃すことになる。
これを補完するものとして、iPS細胞由来の共培養3Dシステムやヒト脳オルガノイド（多細胞で複雑な3D構造体）は、ADの複雑性を研究する生理学的に適切なプラットフォームを提供する（Ceniniら、2021；Kimら、2020；Penneyら、2020）。注目すべきは、iPS細胞から中枢神経系細胞への新規で使いやすい分化プロトコルを開発することで、この技術が民主化され、幹細胞研究の専門知識が乏しい研究室でも利用できるようになったことである。このことは、iPSCを用いたアプローチの可能性を広げ、異質で非主流的な仮説の検証を容易にする。とはいえ、ヒト細胞やオルガノイドベースのモデルには固有の限界がある。例えば、完全に発達した機能的神経系（すなわち複雑な回路動態）が存在しないこと、組織の脈管形成がないこと、複数の器官系間の複雑な相互作用を捉えることができないことなどが挙げられる（Andrews and Kriegstein, 2022）。
これらのギャップを埋めるために、現在ではヒト以外の霊長類を含むより大きな動物モデルへの関心が高まっている（Jennings et al., 2016）。 これらの動物モデルは、ヒトと比較して脳の構造や機能にまだ不一致があり、倫理的な懸念はもちろんのこと、研究結果のトランスレーショナルな能力に影響を及ぼす可能性がある（Bailey and Taylor, 2016）。これを補完するものとして、最近、比較生物学的アプローチが提唱されている。この視点は、コンパニオンアニマルは加齢に伴う変化を伴い、患者と同じ環境やライフスタイルを共有することで、疾患を変調させる複雑な因子ネットワークの代理人として機能するという考えに由来する（de Sousa et al., 2023）。
このような多様な前臨床研究は、ヒト試験や臨床研究データによって補完されなければならない。この点で、インシリコ研究の統合は大きな可能性を秘めている。その一つは、マルチスケール計算モデルの開発であり、分子、細胞、ネットワークレベルの相互作用を統合し、調査するためのエコシステムを提供する(Rollo et al., 2023)。インシリコ研究はまた、中枢神経系内外で作用する因子を含むADの個別化医療アプローチの開発を促進することができる（Doraiswamyら、2018；Leeら、2019；Massettiら、2024）。遺伝子プロファイルや環境曝露を含む個々の患者データを組み込むことで、計算モデルは疾患の進行を予測し、各患者固有の状況に合わせた最適な治療戦略を特定するのに役立つ（Forloni, 2020）。最後に、インシリコ解析は、患者間で観察される多様な臨床像や進行パターンを考慮し、AD症例の不均一性を探るために用いることができる。