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动物模型基础

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1806

第一部分 动物模型的分类

一、按产生原因分类

(一)自发性动物模型 Spontaneous Animal Models

是指实验动物未经任何有意识的人工处置,在自然情况下所发生的疾病。包括突变系的遗传疾病和近交系的肿瘤疾病模型。突变系的遗传疾病很多,可分为代谢性疾病、分子疾病和特种蛋白质合成异常性疾病。如无胸腺裸鼠、肌肉萎缩症小鼠、肥胖症小鼠、癫痫大鼠、高血压大鼠、无脾小鼠和青光眼兔等。它们为生物医学研究提供了许多有价值的动物模型。近交系的肿瘤模型随实验动物种属、品系的不同,其肿瘤的发生类型和发病率有很大差异。

很多自发性动物模型在研究人类疾病时具有重要的价值,如自发性高血压大鼠,中国地鼠的自发性真性糖尿病,小鼠的各种自发性肿瘤,山羊的家族性甲状腺肿等。利用这类动物疾病模型来研究人类疾病的最大优点,就是疾病的发生、发展与人类相应的疾病很相似,均是在自然条件下发生的疾病,其应用价值就很高,但是这类模型来源较困难,不可能大量应用。由于诱发模型和自然产生的疾病模型是有一定差异的,如诱发的肿瘤和自发的肿瘤对药物的敏感性是不相同的,加之有些人类的疾病至今尚不能用人工的方法在动物身上诱发出来,因此,近年来十分重视对自发的动物疾病模型的开发,有的学者甚至对狗、猫的疾病进行大规模的普查,以发现自发性疾病的病例,然后通过遗传育种,将这种自发性疾病模型保持下来,并培育成具有特定遗传性状的突变系,以供研究。近年来许多动物遗传病的模型就是通过这样的方法建立的。在这方面小鼠和大鼠的各种自发性疾病模型开发和应用得最多。这类模型在遗传病、代谢病、免疫缺陷病、内分泌疾病和肿瘤等方面的应用正日益增多。

(二)诱发性或实验性动物模型( Experimental Animal Models

实验性动物模型是指研究者通过使用物理的、化学的和生物的致病因素作用于动物,造成动物组织、器官或全身一定的损害,出现某些类似人类疾病时的功能、代谢或毒使动物患相应的传染病,又如用化学致癌剂、放射线、致癌病毒诱发动物的肿瘤等。诱发性疾病动物模型具有能在短时间内复制出大量疾病模型,并能严格控制各种条件使复制出的疾病模型适合研究目的需要等特点,因而为近代医学研究所常用,特别是药物筛选研究工作所首选。但诱发模型和自然产生的疾病模型在某些方面毕竟存在一定差异。因此在设计诱发性动物模型要尽量克服其不足,发挥其特点。

二、按系统范围分类

(一)疾病的基本病理过程动物模型

这类动物疾病模型是指各种疾病共同性的一些病理变化过程的模型。致病因素在一定条件下作用于动物,使动物组织、器官或全身造成一定病理损伤,出现各种功能、代谢和形成结构的变化,其中有些变化是各种疾病都可能发生的,不是各种疾病所特有的一些变化,如发热、缺氧、水肿、炎症、休克、弥漫性血管内凝血、电解质紊乱、酸硷平衡障碍等,我们称之为疾病的基本病理过程。

(二)各系统疾病动物模型

是指与人类各系统疾病相应的动物型。如心血管、呼吸、消化、造血、泌尿、生殖、内分泌、神经、运动等系统疾病模型,还包括各种传染病、寄生虫病、地方病、维生素缺乏病、物理损伤性疾病、职业病和化学中毒性疾病的动物模型

三、按模型种类分类

疾病模型的种类包括整体动物、离体器官和组织、细胞株以至数模型。疾病的动物模型是常用的疾病模型之一,也是研究人类疾病的常用手段。

第二部分  动物模型的设计原则和注意事项

一、设计原则

生物医学科研专业设计中常要考虑如何建立动物模型的问题,因为很多阐明疾病及疗效机制的实验不可能或不应该在病人身上进行。常要依赖于复制动物模型,但一定要进行周密设计,设计时要遵循下列一些原则。

(一)相似性

在动物身上复制人类疾病模型。目的在于从中找出可以推广(外推)应用于病人的有关规律。外推法( Extrapolation )要冒风险,因为动物与人到底不是一种生物。例如在动物身上无效的药物不等于临床无效,反之也然。因此,设计动物疾病模型的一个重要原则是,所复制的模型应尽可能近似于人类疾病的情况。

能够找到与人类疾病相同的动物自发性疾病当然最好。例如日本人找到的大白鼠原发性高血压就是研究人类原发性高血压的理想模型,老母猪自发性冠状动脉粥样硬化是研究人类冠心病的理想模型;自发性狗类风湿性关节炎与人类幼年型类风湿性关节炎十分相似,也是一种理想模型,等等。

与人类完全相同的动物自发性疾病模型毕竟不可多得,往往需要人工加以复制。为了尽量做到与人类疾病相似,首先要注意动物的选择。例如,小鸡最适宜做高脂血症的模型,因它它的血浆甘油三酯、胆固醇以及游离脂肪酸水平与人十分相似,低密度和极低密度脂蛋白的脂质构成也与人相似。其次,为了尽可能做到模型与人类相似,还要在实践中对方法不断加以改进。例如结扎兔阑尾血管,固然可能使阑尾坏死穿孔并导致腹膜炎,但这与人类急性梗阻性阑尾炎合并穿孔和腹膜不一样,如果给兔结扎阑尾基部而保留原来的血液供应,由此而引起的阑尾穿孔及腹膜炎就与人的情况相似,因而是一种比较理想的方法。

如果动物型与临床情况不相似,在动物身上有效的治疗方案就不一定能用于临床,反之也然。例如,动物内毒性性休克( Endotoxin Shock ,单纯给动物静脉输入细菌及其毒素所致的休克)与临床感染性(脓毒性)休克( Septic Shock )就不完全一样,因此对动物内毒素性休克有效的疗法长期以来不能被临床医生所采用。现在有人改向结扎胆囊动脉和胆管的动物胆囊中注入细菌,复制人类感染性休克的模型,认为这样动物既有感染又有内毒素中毒,就与临床感染性休克相似。

为了判定所复制的模型是否与人相似,需要进行一系列的检查。例如有人检查了动物压、脉率、静脉压、呼吸频率、动脉血 pH 、动脉氧分压和二氧化碳分压、静脉血乳酸盐浓度以及血容量等指标,发现一次定量放血法造成的休克模型与临床出血性休克十分相似,因此认为些法复制的模型是一种较理想的模型。同理,按中医理论用大黄喂小鼠使其出现类似人的 脾虚症 ,如果又按中医理论用四君子汤把它治好,那么就有理由把它看成人类 脾虚症 的动物模型。

(二)重复性

理想的动物模型应该是可重复的,甚至是可以标准化的。例如用一次定量放血法可百分之百造成出血性休克,百分之百死亡,这就符合可重复性和达到了标准化要求。又如用狗做心肌梗死模型照理很合适,因为它的冠状动脉循环与人相似,而且在实验动物中它最适宜做暴露心脏的剖胸手术,但狗结扎冠状动脉的后果差异太大,不同狗同一动脉同一部位的结扎,其后果很不一致,无法预测,无法标准化。相反,大小白鼠、地鼠和豚鼠结扎冠脉的后果就比较稳定一致,可以预测,因而可以标准化。

为了增强动物模型复制时的重复性,必须在动物品种、品系、年龄、性别、体重、健康情况、饲养管理;实验及环境条件,季节、昼夜节律、应激、室温、湿度、气压、消毒灭菌;实验方法步骤;药品生产厂家、批号、纯度规格、给药剂型、剂量、途径、方法;麻醉、镇静、镇痛等用药情况;仪器型号、灵敏度、精确度;实验者操作技术熟练程度等等方面保持一致,因为一致性是重现性的可靠保证。

(三)可靠性

复制的动物模型来应该力求可靠地反映人类疾病,即可特异地、可靠地反映某种疾病或某种机能、代谢、结构变化,应具备该种疾病的主要症状和体征,经化验或 X 光照片、心电图、病理切片等证实。若易自发地出现某些相应病变的动物,就不应加以选用,易产生与复制疾病相混淆的疾病者也不宜选用。例如铅中毒可用大白鼠做模型,但有缺点,因为它本身容易患动物地方性肺炎及进行性肾病,后者容易铅中毒所致的肾病相混淆,不易确定该肾病是铅中毒所致还是它本身的疾病所致。用蒙古沙土鼠就比较容易确定,因为一般只有铅中毒才会使它出现相应的肾病变。

(四)适用性和可控性

供医学实验研究用的动物模型,在复制时,应尽量考虑到今后临床应用和便于控制其疾病的发展,以利于研究的开展。如雌激素能终止大鼠和小鼠的早期妊娠,但不能终止人的妊娠。因此,选用雌激素复制大鼠和小鼠终止早期妊娠的模型是不适用的,因为在大鼠和小鼠筛选带有雌激素活性的药物时,常常会发现这些药物能终止妊娠,似乎可能是有效的避孕药,但一旦用于人则并不成功。所以,如果知道一个化合物具有雌激素活,用这个化合物在大鼠或小鼠观察终止妊娠的作用是没有意义的。又如选用大小鼠作作实验性腹膜炎就不适用,因为它们对革兰氏阴性细菌具有较高的抵抗力,很不容易造成腹膜炎。有的动物对某致病因子特别敏感,极易死亡,也不适用。如狗腹腔注射粪便滤液引起腹膜炎很快死亡( 80%24 小时内死亡),来不及做实验治疗观察,而且粪便剂量及细菌菌株不好控制,因此不能准确重复实验结果。

(五)易行性和经济性

在复制动物模型时,所采用的方法应尽量做到容易执行和合乎经济原则。灵长类动物与人最近似,复制的疾病模型相似性好,但稀少昂贵,即使猕猴也不可多得,更不用说猩猩、长臂猿。幸好很多小动物如大小鼠、地鼠、豚鼠等也可以复制出十分近似的人类疾病模型。它们容易作到遗传背景明确,体内微生物可加控制、模型性显著且稳定,年龄、性别、体重等可任意选择,而且价谦易得、便于饲养管理,因此可尽量采用。除非不得已或一些特殊疾病(如痢疾、脊髓灰白质炎等)研究需要外,尽量不用灵长类动物。除了在动物选择上要考虑易行性和经济性原则外,而且在模型复制的方法上、指标的观察上也都要注意这一原则。

二、注意事项

设计动物模型时除了要了解掌握上述一些原则外,还要注意下列一些问题:

(一)注意模型要尽可能再现所要求的人类疾病

复制模型时必须强调从研究目的出发,熟悉诱发条件、宿主特征、疾病表现和发病机理,即充分了解所需动物模型的全部信息,分析是否能得到预期的结果。例如诱发动脉粥样硬化时,草食类动物兔需要的胆固醇剂量比人高得多,而且病变部位并不出现在主动脉弓。病理表现为纤维组织和平滑肌增生为主,可有大量泡沫样细胞形成斑块,这与人类的情况差距较大。因此要求研究者懂得,各种动物所需的诱发剂量、宿主年龄、性别和遗传性状等对实验的影响,以及动物疾病在组织学、生化学、病理学等方面与人类疾病之间的差异。要避免选用与人类对应器官相似性很小的动物疾病作为模型材料。为了增加所复制动物疾病模型与人类疾病的相似性,应尽量选用各种敏感动物与人类疾病相应的动物模型,可参考相关文章《各种敏感动物与人类相似的疾病模型》。

(二)注意所选用动物的实用价值

模型应适用于多数研究者使用,容易复制,实验中便于操作和采集各种标本。同时应该首选一般饲养员较熟悉而便于饲养的动物作研究对象,这样,就无需特殊的饲养设施和转运条件,经济上和技术上容易得到保证。

此外,动物来源必须充足,选用多胎分娩的动物对扩大样本和重复实验是有益的。尤其对慢性疾病模型来说,动物须有一定的生存期,便于长期观察使用,以免模型完成时动物已频于死亡或毙于并发症。

野生动物在自然环境中观察有助于正确评价自然发病率和死亡率。但记录困难,在实验条件下维持有一定难度,且对人和家畜有直接和间接的威胁,使用时要特别加以注意。因此,复制模型时必须注意动物种群的选择,要了解各类动物种群的特点和对复制动物的影响。

用于生物医学研究的动物种群,可按其遗传成分和其环境被研究人员控制的程度,分为三种基本类型: 实验室类型,它们可提供最大程度的遗传和环境操作; 家养类型,不论是乡村或城市饲养的,人类对其干扰的程度不同,且动物环境与人类环境可为能极为接近; 自然生态类型。几乎没有人为的干扰。可能某种动物(啮齿目、食肉目、兔形目)可按所有三类类型进行研究,这就增加了对环境和遗传因素作比较研究的可能性。在选用三类动物种群复制动物模型时,必须了解它们各自的优点和缺点,可参考下表。

图表 : 不同类型的动物种群的优点和缺点

(一)实验室种群

 

1 .连续饲养和记录

1 .生活于人工环境

2 .观察迅速

2 .标准日粮

3 .个体众多

3 .宿主体型大小和疾病的急性本质不太适用于临床或研究

4 .生命周期短

4 .一般涉及人工诱发的疾病

5 .标化的环境和 / 或遗传组成:近交、小鼠、大鼠、豚鼠、鸡

 

6 .在癌症研究领域中可用于传播性和移植性肿瘤

 

7 .有基本的生化、生理、病理资料

 

(二)家养动物种群

 

1 .生活于与人类相似或相同的环境

1. 饲养:空间、价格、管理、安全

2 .发病率常可比较

2. 实验对象损失:屠宰

3 .可研究自然途径感染的自发性疾病

3. 疾病记录和报导极有限

4 .短时间内经历疾病的全过程

4. 可用的免疫学资料有限

5 .很适于临床研究

 

6 .有无限制的生前和死后标本

 

7 .可能进行传播研究

 

8 .在种群中疾病频率既有升高也有降低

 

(三)野生动物种群

 

1 .容许估计自然条件下疾病的频率

1 .疾病记录和报告极有限

2 .揭示自然条件下的正常周期(非偶然的)

2 .关于模型动物的基本资料有限

3 .允许测定自然条件下的因素:

3 .难以在实验条件下饲养

1 )预后( 2 )监测

4 .带有对家畜和人有潜在危险性的人畜互传疫病原

(三)注意环境因素对模型动物的影响

复制模型的成败往往与环境的改变有密切关系。拥挤、饮食改变、过度光照、噪音、屏障系统的破坏等,任何一项被忽视都可能给模型动物带来严重影响。除此以外,复制过程中固定、出血、麻醉、手术、药物和并发症等处理不当,同样会产生难以估量的恶果。因此,要求尽可能使模型动物处于最小的变动和最少的干扰之中。

( ) 不能盲目地使用近交系动物 , 不然会导致不能控制的因素进入实验

例如自发性糖尿病大鼠 (BB Wistar) 除具有糖尿病临床特征外,还发现多种病理变化(外周神经系统严重病变、睾丸萎缩、甲状腺炎、胃溃疡、恶性淋巴瘤等)。因此要有目的地选择。半个世纪以来,近交系的开发不断提供着新的动物模型材料,大、小鼠疾病作为模型在医学使用量已高达 70 90% 。利用近交系作动物模型时还必须认识到:

1. 动物形成亚系后不应该再视为同一品系。要充分了解新品系的特征和背景材料。

2. 即使作为已形成模型的品系,由于不适当的育种方法和环境改变,还可发生新的基因突变和遗传漂变;即存在着变种甚至断种的危险。

3 .国外经常取用二种近交系的杂交一代( F1 )作为模型。其个体之间均一性好,对实验的耐受性强,又多少克服了近交系的缺点。但盲目引进 F1 代动物对复制所要求的模型是缺乏意义的。

(五)动物进化的高级程度并不意味着所有器官和功能接近于人的程度

复制动物模型时,在条件允许的情况下,应尽量考虑选用与人相似、进化程度高的动物作模型。但不能因此就认为进化程度越高等的动物其所有器官和功能越接近于人。例如,非人灵长类诱发动脉粥样硬化时,病变部位经常在小动脉、即使出现在大动脉也与人类分布不同。据报导用鸽( White Gameau Pigeon )作这类模型时,胸主动脉出现的黄斑面积可达 10% ,镜下变化与人也比较相似,因此也广泛被研究者使用。

(六)正确地评估动物疾病模型

应该懂得没有一种动物模型能完全复制人类疾病真实情况,动物毕竟不是人体的缩影。模型实验只是一种间接性研究,只可能在一个局部或几个方面与人类疾病相似。因此,模型实验结论的正确性只是相对的,最终必须在人体身上得到验证。复制过程中一旦出现与人类疾病不同的情况,必须分析其分岐范围和程度,找到相平行的共同点,正确评估哪些是有价值的。

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