放射生物学研究中实验动物的选择和应用

 三、放射生物学研究中实验动物的选择

　　 （一）实验动物种系的选择

　　放射生物学研究中可选用成年的猴、猪、羊、狗、兔、豚鼠、田鼠、大鼠、小鼠等动物来作实验。我们认为用猴、狗、大鼠和小鼠复制放射病模型比较理想。BALB/cAnN、A、LACA小鼠和Wistar大鼠对射线敏感，应该首选。

　　（二）实验动物性别、年龄、体重的选择

　　关于动物性别对放射感染性影响的报导是有争论的。一些材料证明雌性敏感性较高。而另一些（占多数）材料则认为雄性敏感性高或性别间无明显差别。性别间无明显差别在狗的实验中得到很好的证明。然而，在性周期的不同阶段，雌性动物的放射敏感性可能有变化。考虑到这点以及在实验中可能混入妊娠的雌性动物，所以在绝大多数情况下为放射生物学实验选择动物时，应该优先选用雄性动物。

　　因为动物的体重和年龄增加，可降低放射生物效应。这一点在照射狗时表现得更为明显。深入研究表明，当改变照射的几何位置时，在死亡率、放射性综合征的严重程度方面，仍程度不等地存在着这种影响（表10-13）。

表10-13　400伦丙种射线单向和多向照射对不同体重狗^＊ 损伤作用的综合材料（AkoeB1971）

体　重	死亡率（%）	平均寿命（天）	平均严重程度（相对单位）
初期反应	出血综合症	放射病
多向照射
小	100	16.2	1.70	3.00	3.15
中	60	13.2	1.50	3.00	3.05
大	80	13.6	1.10	2.50	2.90
单向照射
小	40	17.0	1.60	3.00	2.55
中	20	16.5	1.20	2.80	2.30
大	20	16.9	0.90	2.40	2.10

　　小体重：7.0～11.0公斤，中等体重15.5～22.7公斤，大体重24.0～29.5公斤。

　　实验证明两kg以上家兔比两kg以下的放射敏感性低，大鼠的体重由180g增加到350g可以引起放射生物效应的降低。当照射小鼠时未见辐射效应与体重之间有密切的关系。因此注射生物学实验所用的动物体重，小鼠18～22g，大鼠180～220g，豚鼠250～300g，家兔2～2.5g，狗10～15kg。对慢性实验，考虑到实验的持续时间长，可选择体较小的动物。希望实验所用的各组动物的体重波动在一定范围内，小鼠1～2g、小鼠5～10g、豚鼠15～20g、家兔200～300g。体重的波动范围可以容许在±5～7%。

　　（三）实验动物辐射损伤病变特点的选择

　　在相类似的情况下，不同种系动物的放射病明显程度和发生时间是不同的。小鼠和大鼠几乎完全没有全身初期反应，豚鼠表现的不大显著，而狗和猴则非常明显。在家兔常常可观察到对照射所特有的休克样反应，并有部分动物在照射后立即或不久死亡。

　　小鼠和大鼠造血系统的损伤出现得最早（表10-14）。豚鼠、狗和猪造血障碍的特点发展比较缓慢。猴的造血改变与豚鼠、狗和猪相同。

　　肠放射综合征在小鼠和大鼠中表现得非常明显（表10-15），而家兔、豚鼠、狗和猴则明显。

表10-14　各种动物急性放射病时的造血障碍
（CeMeHOB 1965）

动物种类	照射剂量（伦）	表现最明显的时间
白细胞减少	贫血	骨髓空虚	淋巴样组织再生障碍
小鼠	400	4	12	4	2～4
700	4	12	4	3
大鼠	500	4	12	4.5	1～5
700	4	12	4	3
豚鼠	500	8	12	-	4
700	7～8	12	6	4
狗	600	7～8	-	7	5～6
猪	400～600	5	-	7	-
猴	550～700	7	-	-	-
500～6500	10以后	-	-	-
500～700	8～10	15	16	5～6

表10-15　各种哺乳动物急性放射病肠型阶段发展特点（CeMeHOB）

动物 种类	致死剂量（LD100 ）650～1100伦	超致死剂量（2000～7000伦）
肠型死亡时间（天）	肠型阶段死亡数(%)	肠型死亡时间（天）	肠型阶段死亡数（%）
小鼠	3～4	40	3～4	100
大鼠	3～4	30	3～4	100
狗	5～7	0	3～4	100
豚鼠	5～7	10	5～7	100
猴	-	0	6～7	100

表10-16　各种动物急性放射病时某些感染并发症的发生率（%）
（CeMeHOB）

动物 种类	照射剂量（伦）	扁桃体坏死性炎症	齿龈炎	肺　炎	肠　炎	结肠炎
小鼠	700	0	0	20	20	0
大鼠	500～700	0	0	10～20	10～30	0
豚鼠	500～700	0	0	40	5	3
狗	500～700	75～83.3	11～44.9	61	8	28
猴	500～700	-	1～9.8	15.2～16	16.6～40.7	35

　　急性放射病并发的感染过程在不同种类的动物中各有特点（表10-16）。小鼠和大鼠的特点是发生肺炎和肠炎。狗的典型感染并发症是坏死性咽峡炎和齿龈炎以及发生率较高的肺炎和发生率较低的结肠炎。小鼠、大鼠和豚鼠感染的特点是具有播散的倾向，引起全身败血症，而狗和猴的感染过程具有局限性特点。

　　人的放射病就其表现而言，与豚鼠、狗和猴的病理变化相似，其中与豚鼠相差较远，而和猴最为接近。

　　（四）实验动物不同季节和昼夜过程辐射效应的选择

　　在其它条件相同的情况下，动物在不同季节和昼夜过程的辐射效应有一定差异。因此要求动物预先适应实验环境和考虑动物在不同季节和昼夜的活动规律。机体内环境功能和季节性和昼夜性波动通常称为生物节律。它们对生物效应的影响是由于机体的许多生理机能活动在一昼夜间和一年四季中发生极其明显的变化所致。现已知实验动物的体温、血糖、基础代谢率、内分泌腺激素的分泌等均会发生昼夜明显的变化。

　　实验证明，不同季节对辐射效应有影响。家兔的放射敏感性在春夏两季升高，秋冬两季降低。在狗的实验中，这方面的关系虽不象家兔表现得那样明显，但狗在春、夏两季照射后的死亡率比秋、冬为高。小鼠的放射敏感性，在冬季和初夏显著升高，而初春和夏季则降低。大鼠的放射敏感性则没有明显的季节性波动。

　　动物对照射的敏感性的昼夜间有不同的变化，这种变化见于不同性别、种系和年龄的小鼠和大鼠。白天放射敏感性降低（死亡较少，LD50/30较高，体重下降较少，肝脏损伤较轻），夜间升高。同时，在小鼠和大鼠实验中，除了夜间21～24点的高峰外，还发现白天（小鼠9～12点，大鼠15点）损伤加重的情况。下午和后半夜放射敏感染性最低。大鼠与小鼠不同，其放射敏感性虽有昼夜间的明显波动，但不很剧烈。因此，为了得到有可比性的实验结果，所有实验组动物应在同一时间内进行照射。

　　因为哺乳动物放射病的急性期于第30天前结束，所以对小动物照射后观察30天，对狗（如未较早死亡时）则观察45天。地慢性放射病实验动物的观察，建议不少于12个月。

　　（五）实验动物对辐射作用条件的选择

　　1．辐射种类

　　不同种类的辐射所产生的生物学效应不同，从射线物理特性来看，电离密度和穿透能力对其生物效应有重要影响。α射线的电离密度较大，但穿透能力很弱，因此，由外照射时，对机体损伤作用小，而发射α射线的核素进入体内时则对机体的损伤作用很大。β射线的电离能力较α射线的小，而穿透力较大，由外照射时可引起皮肤表层的损伤，由内照射时亦引起明显的生物效应。X射线和r射线穿透力很强，与体内物质作用时产生次极电子，后者引起电离效应，其电离密度α及β射线的小，但由于能穿透深层的组织，由外照射时易于引起严重损伤。一般实验室常选用⁶⁰ Cor射线照射动物进行各辐射损伤研究。快中子和各种高能重粒子也都具很大的穿透力，而且在其射程的未端产生极高的电离密度。外照射时可引起比x和r射线更严重的损伤。

　　2．辐射剂量

　　辐射剂量与生物学效应之间存在着一定的相依关系。总的规律是剂量愈大，效应愈显著，但并不是一个直线关系。

　　急性放射病动物模型的复制方法，关键在于照射剂量的选择。根据实验目的和要求，选择好合适的照射剂量，以便复制程度适中的急性放射病。

　　现将常用的狗、大鼠、小鼠、家兔和猴的照射剂量与动物存活情况列于表10－17～表10－21供选择照射剂量时参考。

表10-17　狗所受剂量与动物存活情况

A表

照射剂量 （拉德）	剂量率 （拉德/分）	动物数	30天内	存活百分率 %	平均存活天数
存活数	死亡数
250		78	33	45	42.3	16.7
265		198	52	146	26.3	14.5
275	70	340	74	266	21.8	15.5
300	33.4～36.2	29	1	28	3.4	15.0
380	20.4	8	0	8	0	14.4

B表

腹部中心剂量（拉德）	头部剂量（拉德）	平均存活天数（天）
1500	1390	3.7
1940	1430	3.6
4860	3570	3.5
6800	5000	2.1
8740	6430	2.3
11650	8570	1.54

表10-18　狗所受剂量和死亡动物存活时间的关系

剂量范围（拉德）	动物数	存活时间（天）	剂量范围（拉德）	动物数	存活时间（天）
13500～13000	8	0.99±0.71	982～829	12	5.67±2.13
10900	9	2.04±0.88	754～647	5	9.64±1.95
8260～7190	23	2.87±0.99	580～400	10	13.75±4.49
6880～5440	16	2.67±1.10	390～305	13	13.11±2.00
4890～3090	35	3.78±0.71	269～200	8	17.01±4.65
2980～2060	32	3.66±0.53	151～134	3	19.07±7.86
1760～1240	23	3.61±0.51

表10-19　大鼠照射剂量与动物存活情况

A表

照射剂量（拉德）	动物数	照后30天内	存活率%
存活数	死亡数
450	21	20	1	95.2
600	13	5	8	38.5
700	47	8	39	17.0
750	53	3	50	5.7
765	1131	169	962	14.9

B表

照射剂量（拉德）	剂量率（拉德/分）	动物数	存活时间（小时）
1400	156.7	10	93.6
1800	156.7	10	91.2
2000	156.7	10	86.4
2200	156.7	10	81.6
2400	156.7	10	81.6
2600	156.7	10	79.2
2000	250.0	5	84.9
10000	250.0	5	90.5
15000	250.0	5	87.6
20000	250.0	5	16.9
30000	250.0	5	7.12

表10-20　家兔照射剂量与动物存活情况

照射剂量（伦琴）	30天动物死亡率%
590	26
690	40
800	50
880	62
980	70
1450	93

表10-21　小鼠照射剂量与动物存活情况

A表

照射剂量（拉德）	动物数	照后30天内	存活率%
存活数	死亡数
680	30	6	24	20.0
750	27	4	23	14.8
780	85	6	79	7.1
810	20	0	20	0
780～830	150	1	149	0.67

B表

照射剂量（拉德）	动　物　数	存活时间（小时）
1000～1100	8	255
1200～1400	6	191
1600	4	178
1800	14	96
2000	24	96
2200	20	103
2400	20	101
2600	20	100
2800	10	95

　　注：剂量率：165.5～172拉德/分

　　3．剂量率

　　剂量率即单位时间内机体所接受的辐射剂量。在一般情况下，总辐射剂量相同时，剂量率愈大，生物效应愈显著，但有一定的限度。如r-射线剂量率为30伦/分时，小鼠的LD50/30为840伦，而当剂量率为3伦/分时，LD_50/30 则需1200伦。

　　4．分次照射及时间间隔

　　当辐射的总剂量和剂量率相同时，分次给予辐射的效应要低于一次给予的效应，总的规律是分次愈多，各次间的时间间隔愈长，则效应愈弱。例如，475伦的辐射一次照射小白鼠。60天内引起39%的动物死亡；若将上述照射剂量分成4次照射，每次照射间隔一天，则死亡率下降到23%；若同样分成4次，但每次间隔4天，则60天内全部动物可以存活。这种现象的发生，显然与机体的代偿和修复功能有关。

表10-22 　猕猴照射剂量与动物存活情况^＊

照射剂量（伦）	动物数	30天内死亡数	平均存活时间（小时）
300	12	1	-
400	5	1	538
500	22	9	359
575	6	2	287
600	9	5	-
650	6	4	355
700	23	21	-
725	6	6	302
800	8	8	-
850	4	4	331
900	10	10	-
1500	8	8	190
2000	8	8	150
2500	8	8	156
3500	8	8	143
5000	8	8	142
7500	5	5	138
10000	5	5	48
15000	5	5	13.6
25000	5	5	6.7
40000	5	5	3.9

　　 ※《昆明医学院资料选编》1979年第1期2～3页

　　5．照射部位和面积

　　同样质和量的辐射对动物不同部位作用的后果是不同的。腹部对照射的敏感性很高，盆腔、头、胸、四肢辐射敏感性依次下降。如600伦照射动物四肢引起的放射损伤很轻，而600伦照射头或腹部时则可有严重的病理变化。

　　在辐射总剂量、剂量率和照射部位都相同的条件下，照射面积愈大，则生物效应愈显著，全身照射的后果最严重，如照射狗的四肢可允许1000伦或更大剂量，而全身照射300伦就可使半数动物死亡，可致典型的造血型放射病。

　　6．照射方式

　　照射方式一般可分为外照射和内照射；若二者兼有，则称混合照射。在外照射中，单向和多向照射对生物效应有很大的影响。多向照射引起的死亡率较高。生存时间较短。例如，从4个或12个方向（四联或十二联X线照射装置照射狗时，绝对致死量为500伦；而单向照射时，则绝对致死量为800伦，其原因可能是多向照射时组织接受的辐射剂量比较均匀。因此，我们用于照射动物的钴源，是装有自动旋转装置的，这样照射的剂量均匀。

　　内照射是指放射性核素进入机体后，在其体内发射特有的辐射，作用于不同组织。其损伤效应受许多因素的影响，主要有放射性核素的物理化学特性、侵入途径、分布和排出特点、物理学和生物半衰期等。例如α放射体的生物学效应大于β和r放射体；由呼吸道侵入机体时，粒子大于1～2μ者多沉积于上呼吸道，小于0.5μ者多进入肺泡；如为可溶性化合物可迅速吸收入血，而难溶性化合物则多沉积于局部组织及相应的淋巴结，小量地、缓慢地转移至其它部位。

四、放射生物学研究中实验动物的应用

　　（一）急性放射综合征研究中的应用

　　实验动物是研究急性放射综合征的主要对象，常采用⁶⁰ Cor-射线照射实验动物，使其接受不同剂量的照射，复制成各种不同类型的放射综合征或称放射病。再来研究它的发病特点、变化规律、发病机理、诊断和防治方法等。

　　当动物全身一次受到较大剂量照射后，可产生急性放射病。随着照射剂量增大，可以出现一些典型的综合征。文献上对放射病分型和制定标准等问题看法不尽一致。根据我们的资料，以狗为例，当受到200～700拉德照射后，动物所出现的综合征主要是以造血系统功能和结构的变化为主，一般称造血型放射病；2000～8000拉德照射后，动物出现的综合征除造血系统功能及结构有严重损伤外，消化系统（胃肠道特别是小肠）出现明显变化，引起消化系统改变为主的综合征，称肠（胃肠）型放射病38000～15000拉德照射后可出现以心血管系统症候为主的放射病，叫心血管型放射病。15000拉德以上照射后，动物主要出现一些以中枢神经系统（主要是脑）症候为主的综合征称为脑型放射病。各型放射病之间并不是截然分开的，中间可有过渡型，而且病变也是交错存在的。照射剂量在800～2000拉德之间，随动物机状况不同可产生造血型或肠型放射病。照射剂量在800～15000拉德之间，随动物情况不同的可产生心血管型或脑型放射病。动物种类不同造成各型放射病所需剂量亦不同。

　　根据我们对372条狗、500只大鼠、1000多只小鼠的实验资料分析，我们认为急性放射病类型的划分标准应综合考虑四个方面问题：即⑴照射剂量、剂量率；⑵临床症状；⑶死亡时间；⑷病理检查。综合起来判定属哪种类型的放射病。造血型放射病的动物，造血器官（骨髓、脾、淋巴结）发生明显的改变，而消化系统（胃、小肠、结肠）只出现轻微的可恢复的一些变化，临床上可出现一般放射病的典型分期（初期、假愈期、极期）。病程2～4周。中度以上造血型放射病动物死亡原因是发生了严重的出血和感染的结果。肠型放射病，除造血系统发生严重的病变外，突出的病变在肠道（主要是小肠），动物照射后即可出现频繁呕吐，初期及假愈期短暂或不明显，很快进入极期，呕吐更为顽固，狗可吐出胆汁（吐黄）。第一、二天可出现不典型的的柏油便，此后即可出现血水便。吐黄、血小便是肠型放射病的典型临床症候，而出血和感染可以不出现。狗在照射800～2000拉德（交叉剂量范围）时可出现轻微吐黄水和血水便。这是一种过渡型（既有极重度造血症状，又有肠型症状）。由于肠型放射病动物小肠粘膜损伤、脱落、隐窝受到严重破坏，失去增殖更新能力，绒毛剥脱，失去正常的屏障，肠道内营养物的消化吸收产生严重障碍，体内水分、电解质以及其他一些物质将从肠腔漏失，水、电解质失衡。加上机体免疫防御能力低下，肠道细菌繁殖，毒素增多和扩散，这些改变引起上述上系列症状，动物在3～5内死亡（平均3.5天）。

　　肠型放射病的病理组织学诊断标准，我们规定是肠腺细胞一直到动物死亡都看不到分裂相，没有再生肠腺或腺细胞团。

　　脑型放射病动物的胃肠系统和造血组织受到比肠型放射病更严重的损伤，但由于病程很短，在数小时或２天内即可死亡，因而看不到其后期的病变过程。突出的病变发生在脑组织，小脑、脑干、下丘脑病变更为严重。根据我们对小脑皮层超微结构变化的实验观察，小脑皮层颗粒细胞大量变性坏死，很多浦氏细胞树突棘状器处于孤立状态，神经突触退变或破坏严重，有许多神经髓鞘发生了各种形式的退变。由于小脑颗粒细胞大量变性坏死，失去重要中间传导站的作用，不仅中断了来自脊髓小脑束以及大脑一桥脑一小脑束的传入冲动，而且送到浦氏细胞、高尔基氏细胞、蓝细胞以及星状细胞的冲动也中断了，因此动物身体平衡和肌肉活动等得不到高级神经中枢的调节，从而使动物产生了一些典型的临床症候抽搐、共济失调、肌肉震颤、眼球震颤、昏迷、角弓反张等。

　　急性放射病一般分为造血型、肠型和脑型三型，但是否存在心血管型，目前国内外学者尚有争议，我们通过对203条狗和367只大鼠不同水平超致死剂量⁶⁰ Cor射线一次全身照射后的心管功能、形态和血浆酶活力等变化观察证实在肠型与脑型之间存在心血管型放射病。此型放射病的造型剂量狗为9000～15000拉德，大鼠为20000～25000拉德，其特点是照射剂量介于肠型和脑型之间；病程较脑型稍长；有明显的心衰、休克等病症；出现一系列心血管功能低下的变化如动脉血压迅速下降、心输出量和心脏血流量早期即有明显减少、循环代偿功能丧失、心电图有明显反映心肌炎和心肌除极和复极过程障碍的变化，反映心肌损伤的LDH_１ 显著升高；病理形态学上可见到心肌严重病变，如心肌炎细胞浸润、心肌纤维萎缩、变性、坏死、溶解等变化，而此时小脑皮层颗粒细胞基本正常或固缩的还不多，病变严重者固缩最多也不超过２５％。心血管型放射病动物模型的复制成功，不仅对我们充分认识心血管系统辐射损伤在放射病发生、发展过程中的作用和急性放射病的分型问题上具有一定理论意义，而且在强辐射核武器杀伤效应条件下，伤员的分类、防护和救治方面也有一定实际价值。

　　狗的三种类型急性放射病鉴别标准可见表10-23。动物四种类型放射病造型所需的选择剂量见表10-24。

　　（二）内照射效应研究中的应用

　　放射性核素引起动物急性损伤的病理主要为破坏过程，它与核素分布类型有关。全身均匀性分布的核素急性损伤基本与外照射相同，如¹²⁷ Cs、^３ H等。那些选择性分布的核素除有类似全身照射的损伤表现外，同时还出现重要器官的局部严重损伤改变，如表10-25所列举的几种主要放射性核素的急性损伤中，亲骨性核素⁹⁰ Sr主要表现为造血组织的损伤，动物死于严重的出血和贫血；视网状内皮系统的核素，如²¹⁰ Po、¹⁴⁴ Ce、¹⁴⁷ Pm，对造血组织、肝、脾的损伤都比较严重，使动物死于广泛的出血、感染与胃肠功能障碍；选择性分布于甲状腺的¹³¹ I主要造成甲状腺组织严重损伤与功能低下；吸入难溶性²³⁹ PuO₂ 主要沉积于肺，引起肺功能不全，导致心肺功能衰竭死亡，这些都是核素的辐射作用所引起局部严重损伤的结果。

表10-23 　狗三种类型急性放射病临床及病理变化的主要点鉴别

 

临床症候和 病理变化	造　血　型	肠　　型	脑　　型
临床症候：
恶心呕吐……	有、轻或无	频繁呕吐	呕吐
粪便…………	柏油便或常便	柏油便、血水便	早期可有少量血水便
出血症候……	轻或很明显	一般无	无
感染症候……	有、明显	无	无
血象…………	变化依期发展	变化急骤	急骤变化
衰竭、失水…	有、轻	明显、重	有衰竭
症候分期……	明显	不太明显	分期与造血型不同
病程…………	2～4周	3～4天	2～3天、数小时或数分
病理变化：
造血系统……	轻或明显改变	严重破坏	严重破坏
消化系统（胃肠）…………	轻微可复改变	严重破坏	严重破坏
小脑…………	无或仅一般变化	无或仅一般改变	颗粒细胞严重损伤

 

表10-24 　常用动物四型放射病造型选择剂量（拉德）

 

　　 引起急性损伤的剂量，因各种核素的辐射类型、能量、化学性质以及它在体内的有效半碱期等因素不同而异。例如²¹⁰ Po与³ H相比较，²¹⁰ Po为α辐射体，能量大，与体内蛋白质的硫基结合紧，且选择性沉积于对辐射敏感的造血组织内，有效半减期较长，而³ H是一种低能量的β辐射体，有效半减期短，在体内呈均匀性分布，因而²¹⁰ Po的急性损伤剂量比³ H的低千倍。

　　放射性核素对动物的慢性损伤有两种情况，即小量多次和一次内污染放射性核素对动物的持续性内照射。有人曾观察了小量多次给家兔注射⁸⁹ Sr对造血功能的影响，在三年内，每日注射⁸⁹ Sr2.68微居里/公斤，它的造血功能损伤大致分三期：第一期⁸⁹ Sr作用初期（11～12月），造血器官的变化不稳定，表现为网织红细胞数、血小板数、白细胞总数波动大。第二期上述血液指标波动小，网织红细胞数稍有增加。第三期出现红白细胞数、淋巴细胞绝对数、网织红细胞数减少。此外，还表现机体免疫功能减低、早衰、部分动物死亡。表10～26列举了几种核素对动物内照射远期引起肿瘤的结果，分析结果可以看出：远期损伤的部位多为该核素的紧要器官；损伤的性质多为恶性肿瘤和血液病；引起损伤的剂量也因核素的理化性质和器官的敏感性因素不同而异，因为亲骨性的诸核素，引起狗骨肉瘤的剂量也有差别（表10-27）。²³⁹ Pu、²²⁶ Ra、²²⁸ Th、⁹⁰ Sr四种核素相比，以²²⁸ Th的相对生物效应最大。近年来有人对²³⁹ Pu致动物骨肉瘤效应的研究证实，最低致癌剂量为78拉德。

表10-26 　几种放射性核素对动物远期损伤的剂量与特点

 

表10-27　几种亲骨性核素引起狗骨肉瘤的相对生物效应