人类疾病的动物模型及应用

第七讲人类疾病的动物模型及应用第二节各种实验动物模型的分类与复制第三节免疫缺陷动物第四节转基因动物第一节概述人类疾病的发展十分复杂，以人本身作为实验对象来深入探讨疾病发生机制，推动医药学的发展来之缓慢，临床积累的经验不仅在时间和空间上都存在局限性，而且许多实验在道义上和方法上也受到限制。要深入探讨人类疾病的发病机制及疗效机制必须借助于动物模型的间接研究，可以有意识地改变那些在自然条件下不可能或不易排除的因素，以便更准确地观察模型的实验结果并与人类疾病进行比较研究，有助于更方便，更有效地认识人类疾病的发生发展规律，研究防治措施。第一节、概述概念：人类疾病动物模型（animalmodelofhumandisease）指医学研究中建立的具有人类疾病模拟表现的动物实验对象和相关材料。生物医学研究的进展常常依赖于使用动物模型作为实验假说和临床假说二者的试验基础。用人类疾病动物模型是现代生物医学研究中极为重要的实验方法和手段，有助于更方便、有效地认识人类疾病的发生、发展规律和研究防治措施。一.人类疾病动物模型的意义1.避免了在人身上实验造成危害动物可作为人类“替难者”，在设计的特定条件下反复观察。急性和慢性呼吸系统疾病研究时很难重复环境污染的作用，而用动物代替人体做实验对象，就可在人为设计的实验条件下反复观察和研究。因此，复制动物模型，除了能克服在人体研究中经常会遇到的伦理和社会限制外，还允许采用某些不能应用于人体的方法和途径，甚至为了需要可以损伤动物组织、器官或牺牲动物。2.可提供发病率低、潜伏期长和病程长的疾病资料白化病1/1万白血病2.76/10万遗传病免疫性疾病呼吸系统疾病内分泌疾病血液性疾病遗传性、免疫性、代谢性和内分泌、血液等疾病在临床上发病率较低。研究人员可有意识地选用在动物种群中发病率高的或复制出各种模型进行研究探索，如再生障碍性贫血的发病率较低，可通过不同方法手段复制出模型进行研究。临床上的肿瘤、慢性气管炎、动脉粥样硬化等疾病，发生发展缓慢，潜伏期长，病程长，可达数年以至数十年，在人体很难进行3世代以上的观察，而动物则可进行几十代的观察。慢性支气管炎3.增加方法学上的可比性疾病发生发展单一病因造模年龄性别体质遗传社会因素品种品系健康状态微生物实验条件病人动物4.样品易得，分析实验简化动物模型作为人类疾病的“复制品”，可按所需采集各种样品，及时或分批牺牲动物收集标本，以了解疾病全过程，这在临床上则是难以办到的。一般疾病多为零散发生，难以在同一时期获得一定数量的定性材料，而模型动物则在群体数量和方法条件上能够满足要求，从而能提高实验结果的可比性和重复性。5.有助于全面认识疾病本质某些病原体既可以使人致病，也可引起动物感染，即“人兽共患病”。通过对人兽共患病进行比较研究（虽然疾病的发生发展在人和动物之间可能会有很多不同），可以充分认识同一病原体在不同机体内引起的损害，更全面认识该疾病的本质。如动脉粥样硬化的实验，不同动物在血管的结构、病变、α-和β-脂蛋白的比例以及胆固醇的水平各有不同，这样不仅可以比较一些不同动物病理变化，也可以根据这些不同的变化寻找生化指标与病变形成的关系，把实际工作推进一步。在不同动物实验中发现新问题，提供新的线索。人类疾病动物模型得到重视，仅就1980年Hegreberg和Leathers编著的《动物模型》一书中，就记载了自发动物模型1289种，诱发动物模型2707种。目前，利用遗传工程技术生产的转基因动物及特殊疾病的动物模型得到大量生产和使用，为医学热点的研究，如心血管、老年病、肿瘤、肝炎、艾滋病提供了好材料。1、相似性：复制人类疾病模型目的在于从中找出可以推广（外推）应用于人体的有关规律。外推法（Extrapolation）要冒风险，因为人和动物毕竟不是同一种生物，如在动物体内表现无效的药物不等于临床应用无效。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。尽量寻找与人类疾病相同的动物自发性疾病。如：老雌性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，狗的自发性类风湿性关节炎与人类幼年型类风湿性关节炎相似。许多动物疾病模型需要人工加以复制。为了尽量做到于人类疾病的相似性，首先应注意动物的选择，以及临床症状、发病机理的相似性。如小鸡最适做高脂血症的模型，因其血浆甘油三酯、胆固醇及游离脂肪酸水平于人类相似。二.人类疾病动物模型的复制原则2、重复性理想的动物模型应该是规范化和标准化的，能够准确重复再现。为了增强动物模型复制时的重复性，应对影响因素进行严格控制，力求一致。影响动物模型复制的主要因素有动物因素，包括动物的品种、品系、年龄、性别、体重、健康情况；环境因素包括动物的饲养环境、实验环境及条件控制；此外，实验方法步骤、实验者操作技术熟练程度等也起很重要的影响，要求各方面尽量保持一致，因为一致性是重现性的可靠保证。3、可靠性复制的动物模型要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，具备该种疾病的主要症状和体征，经化验、X光、CT、心电图和病理切片等得到证实。铅中毒可用大鼠做模型，但其本身容易患动物地方性肺炎及进行性肾病，不易确定该肾病是铅中毒所致还是它本身疾病所致。用沙鼠则比较容易确定，因为一般只有铅中毒才会使它出现相应的肾病变。4、适用性和可控性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，以利于研究的深入开展。家兔胸腔被纵隔分为互不相通的左右两半，心脏又有心包胸膜隔开,打开心包暴露心脏时，只要不弄破纵隔膜，动物不必做人工呼吸，适于做开胸及心脏实验。选用大小鼠复制细菌性腹膜炎，采用单一的大肠杆菌O111B4比混合菌效果好。有的动物对某一致病因子特别敏感，实验中无法控制，极易死亡，也不适用。如给犬腹腔注射粪便滤液引起腹膜炎，犬很快死亡（80％24h内死亡），无法进行实验治疗观察，而且粪便剂量及细菌菌株不易控制，因此不能准确地重复实验结果。5、易行性和经济性复制动物模型时应遵循经济易行的原则。尽管灵长类动物与人类最相似，复制的疾病模型也很相似，但它稀少，价格昂贵，又受动物保护主义运动团体和组织的关注，而且动物伦理和福利方面的要求又很严格，所以实验中多不采用。采用小动物一般也同样能复制出相似于人类疾病的模型，而且它们遗传背景明确，体内微生物可控，模型性状显著且稳定，质量和规格也可任意选择，价廉易得，便于管理。实验动物的选择是动物模型复制时首要考虑的问题。不同模型的研究目的和要求不同，不同种类实验动物也有其各自的生物学特点和解剖生理特征。为保证能选择最适宜的实验动物来造模，选择动物应遵循以下原则：三、常用实验动物的选择原则1、相似性原则：是指利用动物与人类某些机能、代谢、结构及疾病特点的相似性选择实验动物。动物模型复制的目的是利用动物与人类近似的特性通过动物的反应来推断人类的病理和生理进程特点，寻找预防及治疗方法，因此，动物的物种进化程度在选择实验动物时是优先考虑的问题。在可能的情况下，应尽量选择在结构、机能、代谢及疾病特征方面与人类相近的动物来造模。组织结构：哺乳动物之间有许多组织结构上的相似点，因而其生命功能基本过程也很相似。例：猪，皮肤组织结构与人类相似，其上皮再生、皮下脂肪层、烧伤后的内分泌及代谢特点等也都类似人类，故选用小型猪做烧伤实验研究较为合适。系统机能：许多动物各系统的功能与人类是相似的。例：犬，其具有发达的血液循环和神经系统，毒理方面的反应与人类也比较接近，适于做实验外科学、营养学、药理毒理学、行为学等方面的研究。蛙和蟾蜍：大脑不发达，不能用于高级神经活动研究，但做简单的反射弧实验很合适，且结构简单明了，易于分析。生理特性：两栖类和爬行类是变温动物，因此不适合做提问调节研究；猕猴的生殖生理和人非常接近，月经周期和人一样约28天左右，是研究人类避孕药的理想动物。体液成分：动物的血液性状、粪便、汗和尿液的理化性质、成分构成也大都具有各自的特点。例如尿液的渗透压和酸碱度。繁殖特性：如家兔的卵巢几乎连续不断地产生卵子，但成熟的卵泡只有经过雄兔交配后才能排卵，因此可选用成年雌兔来诱发排卵，是观察药物对排卵的影响，进行避孕药研究的常用动物。解剖特性：骨骼构成、脏器构成、脏器形态等方面：例，猪的齿式与人类相似；肉食类和草食类动物的肠道长度；鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的心脏特点，在形态和机能上与人的心脏最类似的是犬。疾病特点：一些带有自发性疾病的动物，可以局部或全部地反映人类类似疾病过程表现，经过遗传育种的方法，可把这种动物培育成疾病的模型动物，以供研究。如，遗传性高血压大鼠、糖尿病小鼠等。突变系SHR大鼠其自发性高血压的变化与人类相似，并伴有高血压性心血管病变。猴对痢疾杆菌敏感，是研究痢疾的最好模型。黑热病地区的家犬也感染利朵曼氏原虫发病，犬当然就成为研究黑热病的最好实验动物。2、特殊性原则：是指利用不同种系实验动物机体存在的特殊构造或某些特殊反应选择解剖、生理特点符合造模目的和要求的动物。有时这种选择是保证实验成功的关键。恰当地使用具有某些解剖生理特点的实验动物，有时还能大大地减少实验准备方面的麻烦，降低操作难度。Example：大鼠无胆囊，不会呕吐，不能做胆功能观察或催吐实验。狗、猫、猴等动物呕吐反应敏感，则宜选用。家兔对体温变化十分敏感，宜选做发热、解热和检查热原的实验研究，大鼠、小鼠体温调节不稳定，不宜选用。一般动物可自身合成维生素C，豚鼠则不能合成，因而可用来做Vc缺乏试验。大鼠垂体——肾上腺系统功能发达，应激反应灵敏，适于作应激反应和垂体，肾上腺、卵巢等内分泌疾病模型研究。大鼠肝脏的枯否氏细胞90%有吞噬能力，肝脏再生能力很强，切除60～70%的肝叶，仍有再生力，适于肝外科实验研究。大鼠对炎症反应灵敏，特别是踝关节对炎症反应更敏感，适于多发性关节炎和化脓性淋巴腺炎的研究，也适于中耳疾病和内耳炎的研究。不同药物或化合物在不同种系动物上引起的反应有时存在很大差异，如吗啡对家犬、兔、猴、大鼠和人主要作用是中枢抑制，而对小鼠和猫主要作用是兴奋。苯胺及其衍生物对家犬、猫和豚鼠能引起与人相似的病理变化，产生变性血红蛋白，但对家兔则不易产生变性血红蛋白，在鼠则完全不产生。这在选择实验动物时必须注意。不同品系动物，对同一刺激的反应差异很大，在选择时也必须注意。如C57BL小鼠对肾上腺皮质激素的敏感性比DBA及BALB/C小鼠高12倍。DBA小鼠对音响刺激非常敏感，可发生听源性痉挛，而C57BL小鼠却根本不会出现这种反应。实验时应充分了解动物特性，选择敏感性强、对实验结果干扰小的动物品系。3、标准化原则：是指选择和使用与研究内容相匹配的标准化的实验动物。只有选用经遗传学、微生物学、环境及营养控制的标准化实验动物，才能排除微生物、潜在疾病等因素对造模的影响，使模型具有重复性、一致性和忠实性。（1）遗传学控制要求选择何种遗传群体动物，应根据不同课题内容而定。近交系动物遗传纯合度高，个体差异小，特征稳定，对实验反应一致性好，实验结果精确可靠。以群体为研究对象的研究课题，如人类遗传学研究，药物筛选和毒性实验中要选择与人群基因型及表现型相似的动物类别，封闭群则更为合适。F1代生活力强，带有两个亲本品系的特性，个体间的遗传型和表型一致，是理想的品系，但价格较贵。（2）微生物控制要求：普通级动物具有价廉、易获得、饲养设施简便、容易管理等特点，但用于研究所获得的实验结果的反应性差，微生物控制难度大，一般用于示教和预实验。清洁级动物：较为常用，适用于大多数科研工作，但趋势是取消。SPF动物是正常的健康无病模型，可排除疾病或病原的干扰，适用于所有科研实验、生物制品和药品生产及检定，是国际公认的标准实验动物。涉及具有国际交流意义的重大课题，最好选用SPF动物。无菌和悉生动物是一种超常生态模型，非常规实验动物，仅适用于特殊实验目的。如微生物与宿主、微生物之间的关系。普通动物、SPF动物与无菌动物特点比较━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━实验项目普通动物SPF动物无菌动