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动物模型的建立与应用（一）解放军总医院医学实验动物中心陈华Email:chenhua@301hospital.com.cn(66)939722;13611114568动物模型的建立与应用（一）动物模型的定义动物模型的分类自发性动物疾病模型诱发性动物疾病模型遗传修饰动物模型动物模型的选择应用动物实验结果的外推动物模型（animalmodels）是指在生物医学研究中所建立的可模拟人类疾病或功能状态的动物实验对象和材料。动物模型（美国国家衰老研究动物模型研究委员会）：可以用来进行生物学、行为学、自发或诱发性病理过程研究，能够表现一个或多个方面类似人类或其他动物种类的研究模型。“ananimalmodelinwhichnormativebiologyorbehaviorcanbestudied,orinwhichaspontaneousorinducedpathologicalprocesscanbeinvestigated,andinwhichthephenomenoninoneormorerespectsresemblesthesamephenomenoninhumansorotherspeciesofanimal”.一、动物模型的定义“动物模型”最常用于模拟人类。研究的焦点不是所用动物的情况，而是这一动物生理学表现针对我们人类或其他动物种类的类推。因此，在这种情况下称“人类模型”将会更正确。“实验动物科学”和“动物实验”所涉略的人类确实比任何其他“动物”种类多得多。“动物模型”最常用于疾病研究。动物模型可用来模拟生物学、行为学或病理学过程，但是，大多数实验动物模型开发和应用于研究人类异常状态的诱因、机制和治疗。动物模型来源于整个动物王国，许多关于人类生理学的知识来自于从进化发展的角度与人类很远的动物种类的研究。果蝇在基础遗传学研究方面的贡献就是一个很好的例子。动物模型实际上应用于生物医学研究的所有领域。事实上，所有的医学知识和治疗手段，尤其在二十世纪，都与实验动物有关。仅仅在过去的50年中，医学领域已经取得了显著的进展，包括：脊髓灰质炎（小儿麻痹）疫苗的研制、肺炎等感染性疾病抗体的研制、慢性疾病治疗药物的研制，如：高血压、溃疡和糖尿病。今天，治疗这些疾病的方法继续取得进展，而同时，许多其他的疾病继续折磨着我们，如：肿瘤、囊性纤维化、AIDS、老年痴呆等。18世纪以后医学知识的迅速增长主要归功于实验动物应用的增加，据统计，1901-2009年，2/3的诺贝尔生理或医学奖的成果归功于动物实验研究的发现。应用动物模型的历史人类与其他动物的解剖和功能完全相同的假设：伽林（Galen）,生活在公元2世纪的希腊医生和哲学家，是延续几个世纪的医学权威，在西方被认为是实验生理学的奠基人。他的解剖学研究几乎完全是基于对猿猴和猪的研究，并将研究结果直接推用到到人类，导致了很多错误。直至16世纪末期。人们才开始批评伽林使用了错误的方法。生物医学研究的“诱发性动物模型”：1865年，法国生理学家克劳德·伯纳德（ClaudeBernard）出版：医学实验研究指南（IntroductiontoStudyofExperimentalMedicine）。开始提出动物实验研究的一些原则和标准，并引领了应用化学和物理的方法诱发动物疾病模型的研究。“疾病的微生物学说”：法国的路易斯·巴斯德和德国的罗伯特·科赫向医学领域引入了特异性的概念和“疾病的微生物学说”，进一步建立和推广了动物实验研究和应用。科赫对霍乱和结核的研究进一步促进了“动物模型”在感染性疾病的应用。动物模型的重要性人类疾病的发生、发展是十分错综复杂的，以人本身为实验对象而进行临床研究束服了医学的发展，因为有些临床试验，在时间和空间上存在着局限性，而有些试验在道义上和方法学上行不同。临床上对外伤、中毒等研究不可能在人体重复进行，科学数据绝不能通过使人遭受损害而获得和收集。难于研究发病率低、潜伏期长和病程长的疾病。人类本身的疾病十分复杂，病人的年龄、性别、体质、遗传、甚至是社会因素都对疾病的发生发展产生影响。采集样品、组织标本十分困难。新的治疗药物的发现、研制；新的治疗手段的测试。建立人类疾病的动物模型，就可以将那些在人身上无法进行的试验在动物身上实现，进而再推用到人类，从而推动了医学的发展。动物模型对医学的发展起着无可非议的推动作用，这可追溯到血液循环机理的阐明、麻醉药物的运用，以及细菌、病毒的首次发现。近代医学中，单克隆抗体的制备、器官移植的成功、“试管婴儿”的诞生等等，都是首先从动物模型起步的。二、动物模型的分类探索性（exploratory）动物模型：用于了解生物学机制，而这一机制可以是正常生物学的基础，也可能是与某个异常生物学功能相关。消化生理研究解释性（explanatory）动物模型：用于了解一个更复杂或更简单的生物学问题。解释性模型不是必须应用动物，也可应用物理的或数学的模型系统来阐释复杂的机制。发热模型预测性（predictive）动物模型：用于发现和测定处理措施的影响，这一处理措施可以是对疾病的治疗，也可以是对化合物毒性作用的评价。新药研究在以上三种模型系统中，在解剖学或形态学上，模型结构与研究的相关性可能是重要的优势。动物生物学结构与人类相应结构的相似程度被称为逼真度（fidelity）。当研发某一模型时，与人类情况十分类似的高逼真度的模型被认为具有明显的优势。进化程度然而，通常更重要的是模型的识别能力，尤其对于预测性模型。例如，评价某一物质的致癌性，最重要的是选择的模型动物的反应方式与人类对这一物质的反应有预测性。因此，与模型的逼真度相比，动物与人类在相关生物学机制方面的一致性通常更重要。通常模型的结构和功能的相似性是高度一致的，高逼真度为研究特定的生物学功能提供了最好的机会。同源性（homologous）模型：动物的表型性状与人类的疾病过程一致。能够达到这些要求的模型相对较少。同形性（isomorphic）模型：动物的表型性状与人类疾病过程相似，但是引发症状的原因不同。猴艾滋病模型、猫艾滋病模型部分性（partial）模型：只有一部分表型性状与人类疾病相似，这些模型不能完全模拟人类疾病，但是可用于研究人类疾病的某些方面或对人类疾病的治疗。大部分诱发模型人类疾病动物模型的分类自发性（遗传性）疾病模型（Spontaneous/geneticdiseasemodels）诱发性（实验性）疾病模型(Induced/experimentaldiseasemodels)遗传修饰动物疾病模型（Gene-modifiedanimaldiseasemodels）三、自发性（遗传性）动物疾病模型1.自发性（遗传性）动物疾病模型定义自发性动物疾病模型是指实验动物未径任何有意识的人工处置，在自然情况下所发生的疾病，为利用动物自然发生的遗传变异（突变）作为人类疾病的模型。在长期的饲养繁殖过程中，实验动物也会患这样或者那样的疾病，有些疾病是由基因突变引起的，并能遗传给后代，经实验动物工作者将这些突变基因保持下来，培育成携带不同突变基因的实验动物品系，成为人类遗传性疾病的良好动物模型，现在已经记载和保存了数百个具有模拟人类相似疾病状态的遗传性异常的品系和品种（see,e.g.,）。2.自发性动物疾病模型举例SHR大鼠1963年，日本学者Okamoto在Kyoto医学院动物室的Wistar大鼠原种中发现一只自发性高血压雄鼠，将之与该种群中另一只血压较高的雌性大鼠交配，选择子代中血压高的大鼠，以兄妹交配的方式进行繁殖，结果培育出自发性高血压大鼠(spontaneoushypertensionrat,SHR)，近交至F23+代时命名为SHR大鼠。NOD小鼠NOD小鼠1980年首次报道，是日本学者Makino等人育成的自发1型糖尿病的近交系小鼠，来源于JCR:ICR小鼠。该小鼠是在白内障易感小鼠品系的培育过程中，于近交培育到20世代时，在白内障不易感亚系的动物中发现一只雄鼠出现胰岛素依赖性糖尿病（1型糖尿病）。随后对这个亚系又进行了6个世代的近交培育，发现小鼠到30周龄1型糖尿病的累计发病率：雌性60-80%，雄性约10%。命名为NOD小鼠。NOD小鼠的临床表现与人类的1型糖尿病十分相似。在90-120日龄时突然发病，出现：高血糖、高胆固醇血症、糖尿、酮尿、多食、多尿、烦渴。与人类1型糖尿病不同之处在于，酮酸中毒相对比较温和，发病动物不经治疗也能存活1-2个月。其它突变动物模型（近交系）裸小鼠：nu/nu突变，裸小鼠是肿瘤异种移植研究的转折点，裸小鼠首次使我们能够对自然杀伤（NK）细胞进行体内研究。肥胖症小鼠：ob/ob小鼠是1950年Jackson实验室发现的一株突变品系，来源于C57BL/6J小鼠。该小鼠是leptin基因（ob）发现的基础。糖尿病小鼠：db/db小鼠是1966年Jackson实验室发现的一个突变品系，来源于C57BLKS/J（BKS）小鼠的自发突变，该小鼠自发糖尿病。其他：施奈尔的侏儒小鼠（Snell‘sdwarfmice），这种小鼠没有功能性的垂体；卷尾小鼠（curly-tailmouse），这种小鼠的胚胎发生广泛的神经管缺陷。还有SCID小鼠、白内障小鼠、癫痫小鼠、无毛小鼠、高脂血症小鼠、裸大鼠等。其他突变动物模型（非近交系）BB大鼠：加拿大BioBreedingLaboratories于1974年育成，可自发1型糖尿病。随机交配的BB大鼠糖尿病发病率可达90%。中国地鼠：1985年，山西医学院培育中国地鼠种群，糖尿病群体发病率约25%，近亲繁殖2-6代，发病率可达90%。Boxer犬可自发红斑狼疮和淋巴瘤。辛克莱（Sinclair）小型猪一个家系80%可自发皮肤黑色素瘤。遗传改造的自发性动物疾病模型实验动物工作者为了研究的需要，也应用遗传学方法培育一些带有突变基因或导入突变基因的品系，做为人类疾病研究的模型，这主要包括同源导入近交系和分离近交系的遗传性疾病。例如，利用杂交和回交的方法，将nu基因导入许多不同品系的小鼠中，从而建立了具有不同遗传背景的裸小鼠的同源导入系。BALB/c-nu，Swiss-nu和NC-nu等。3.对自发性动物疾病模型的评价与人类疾病有较好的相似性。很多人类疾病的病因和发病机制远未完全清楚，而自发性动物疾病模型是动物未经人为因素处置而自然发生的疾病，弥足珍贵。数量有限。动物本身自发的由于基因突变而发生的疾病必竟不多，而且有些疾病也不易发现，使这种模型的种类有限，多数情况下，保种和繁殖也困难，价格较贵。有些模型实验应用较困难。有些自发性动物疾病模型使用起来也较麻烦，甚至应用有一定难度。例如，利用近交系动物自发性肿瘤模型进行治疗研究，常常要观察1年才有肿瘤发生，而且肿瘤发生的时间、种类和发生部位在个体之间常不一致，往往难于确诊和判定治疗效果。有大量文献记述自发性动物模型，尽管已描述了许多不同种类动物的很大范围的突变种，但是它们中的绝大部分是小鼠和大鼠模型。自发性动物模型通常是同形性的（isomorphic），动物疾病的表型表现与相应的人类疾病相似。这被称作外观相似性（facevalidity），例如，人类I型糖尿病与BB大鼠的胰岛素依赖型糖尿病。这种表型的相似性通常扩展到模型动物对治疗的反应与人类患者相似。自发性动物模型在人类疾病治疗方案的研发方面已经起到重要作用。近交系小鼠的大多突变都十分珍贵，因为它们同时拥有相应的同类系或同品系提供了优异的对照。因为近交系小鼠的疾病通常为一个受累基因或部位产生了变异，可同时研究与这些突变小鼠相同的遗传背景的参照品系。然而，我们应该记住，受损的基因或基因序列常常导致其他基因的激活，从而动员代偿代谢机制。这些代偿机制人类和动物模型之间可能不同。四、诱发性（实验性）动物疾病模型1.诱发性（实验性）动物疾病模型的定义诱发性疾病模型是指动物的疾病是健康动物经实验因素诱发而成。通常以物理