课件：高新技术工程生物医学模型的最新发展概要.ppt

高新技术工程生物医学模型的最新发展,人类正在经历着一个高新技术发展的历史时期 。在遗传学方面 ,人类、小鼠和其它基因组的克隆、序列分析正在迅速发展和完善。21 世纪主要的任务就是全面的探讨基因的功能和它在人类疾病发生过程的作用。科学家之所以能够基本上了解原核生物和低等真核生物的基因功能,主要归功于对突变基因动物的研究。,实验动物是生物科学等基础研究及生物高技术研究、开发、应用的重要支撑和保证条件。随着现代高新科学技术的发展,实验动物科学已从过去注重于动物的饲养管理和实验操作的宏观向微观方面发展。 自1980年美国科学院院报(PNAS,USA)报道了Dr.Gozdon等人第一个生产了转基因 小鼠以来,转基因技术的应用发展迅速,人们称之为一场实验动物科学的革命。它使在实验动物活体内集整体水平、细胞水平和分子水平为一体,更能体现生命整体的研究效果,从而为医药卫生研究提供了新的强有力的研究工具。,工程生物医学模型是指通过生物技术工程手段创立的具有生物医学模拟表现的实验动物模型。通过现代遗传修饰手段,包括转基因技术(transgenic, knock out/knock done) 、细胞核转移 和细胞器转移 , 如线粒体转移 等技术, 改建的动物模型,又统称为遗传修饰模型(genetically modified models; GMM)。这些实验动物模型和模型系统必将促进人类疾病的研究,并将全方位的促进新药的筛选、开发和利用。,生物医学模型实质上就是人类或人类生物系统的“替身”。应用这种“替身”去理解从基因型 (genetype) 到表现型 (phenotype) 的正常和非正常功能, 从而对人类疾病提供一个预防和治疗的基础。例如,各种侏儒症小鼠模型,通过对其突变基因的克隆研究及比较人类的遗传图谱,已使科学家了解人类侏儒症的发生条件, 并提出对其治疗的建议。,生物模型并不需要是一个完全的人类疾病的复制品。例如,带有人类 Duhenne-Becker 肌肉营养障碍同物系基因的突变小鼠,它就不象人类那样对小鼠本身有很大的影响,而且还能再生退化的肌肉(Anderson, 1988)。但这类模型已成功的用在对这种肌肉衰退性疾病的肌肉种植治疗实验上。许多Knockout突变小鼠, 并不显示出其表现型,但仍能显示出其基因的作用。,比较医学的研究在发展、创造生物医学模型方面起到一个举足轻重的作用。比较医学 (comparative medicine)是研究实验动物与人类生命现象的关系,其主要目的就是对不同种系动物与人类之间的生理、病理作出有意义的比较,建立各种人类疾病的实验动物模型及模型系统,去了解人类疾病的发生、发展,用于诊断、治疗及病理、生理、药理等实验,为保护和增进人类健康服务。 如下几方面将成为21世纪实验动物模型发展、应用的焦点。,一、功能基因组 (functional genomics) 实验动物模型 本世纪遗传学、分子遗传学及分子生物 学都得到突飞猛进的发展。基因与人类健康之间的关系已引起人类的关注。 “人类基因组计划”完成。21世纪的医学、生物学的研究、重大疾病的预测、诊断和防治必将集中在研究基因的功能上。科学家已发现很少有人类的疾病是由一种单一基因作用的结果,因此,了解基因的相互作用将成为21世纪基础医学研究的焦点。,功能基因组的概念,就是研究基因如何控制人类自我。要从基因组的破译转向功能基因组的分析,实验模型将是一个十分关键的问题。可以说在高等生物体中没有一个基因是单独活动的。基因功能的评估,唯一的办法是从分子生物学本身移到对整体模型动物的分析。在整体动物的基因相互使用下,所产生的表现型或疾病,只有通过整体动物的试验才能理解。功能基因组实验动物模型将是21世纪实验动物科学的“核心模型”。,科学家认为,小鼠、斑马鱼(Zebeafish)及非人灵长目动物是研究人类功能基因组最好的实验动物模型。 由于小鼠的生命周期短,繁殖力强,在饲养、管理方面相对较为经济,加之目前对小鼠的遗传图谱的分析最为详细,到目前为止,人们发现小鼠与人类大约有100 种以上的同源基因。小鼠的遗传基因组及组织解剖结构与人类十分类似；在疾病表现型上与人类也十分近似,因此认为小鼠作为人类健康研究的实验动物模型为最佳候选者。,有两种途径去了解这些实验动物的基因功能就是通过基因的表达分析和诱发突变分析。 其一就是用高新技术的转录图谱(Transcript maps) 分析,如Chip（芯片）技术(Chree1997)。这种 Chip 技术可以进行整体动物的功能分析。目前生物技术公司已投资于这种技术的开发和应用。 其二,就是通过大规模的诱发突变方法。通过表现型分析去确定功能重要的基因及整体生理分析。,世界小鼠的模型资源中有97%保存在美国的Jackson研究所。该所保存了300 多种自发突变的小鼠模型及近700余种不同类型的诱发突变小鼠模型,特别是Transgenic和Knock-out转基因小鼠模型,该所已成为世界小鼠模型的中心。 德国的Max Planck研究所和美国麻省总医院已承担斑马鱼大规模诱发突变的筛选工作。迄今,已在2000多种突变品系中有500多种基因在胚胎发育中被确认。西方国家已投入大量资金支持对小鼠和斑马鱼的基因图谱的研究。因此,这方面的研究将有效地促进人类生物医学研究的许多领域。,二、衰老的实验动物模型 由于环境、营养、公共卫生保健和疾病控制等方面有很大改善,使人类平均寿命有明显的提高。人类期盼着长寿,需要回答衰老的原因,如何确定控制衰老的速度,如何进一步改进生命的质量等问题。可通过衰老的实验动物模型开展这方面的研究。 目前,科学家已认识到很多方面的表现型和基因型都影响和限制寿命的长短及衰老过程。发达国家已经开始利用小鼠及其它啃齿类动物、鸟类和小型非人类灵长目动物作为研究衰老问题的实验动物模型,这些模型将推动21世纪对这个问题的研究。,日本Kyoto大学的Toshio Takeda 博士利用从美国 Jackson 研究所引人的 AKR/J 小鼠,通过培育和遗传选择的方法,培育了一种快速衰老的小鼠模型(senescence-accelerated Mouse,SAM)。 SAM小鼠外观上少毛,生长慢,皮肤粗劣,眼围损伤,寿命短。在病理上表现了衰老的淀粉样变性,丧失学习记忆和脑萎缩、衰老性的骨质疏松症、白内障、听力衰退、免疫应答系统的损伤、肺膨胀过度、肾缩小等。从外观症状和表现与人类衰老症状基本一致。在 Kyoto 大学已有12种近系品系作为原种,有 9 种作为有希望的品系(SAMP)和3种抗衰老的品系(SAMR)。,2019/8/24,15,可编辑,由于转基因技术的应用,科学家正在研究创造很多小鼠模型,可望应用在衰老的研究上。据文献记载,以下几种转基因小鼠可望应用： (1)GLUT4： 一种携带人类 GLUT4 (11.5kb) 的转基因小鼠。这种 GLUT4 基因表达在小鼠的脂肪组织、心脏和骨髓肌上，并显示了低的血浆葡萄糖水平。 (2)APP 转基因小鼠：其携带着不同编码淀粉前体蛋白的突变基因。APP 转基因表达这种淀粉状蛋白沉积在转基因小鼠的脑中，可作为研究 Alzheimer 疾病 (AD)，淀粉状蛋白沉积的病理作用。,(3)CRH knockout小鼠： 这种小鼠的前皮质甾酮择致激素基因的全部序列被删除。 这种纯合子 (CRE )小鼠显示了正常的皮质甾酮的水平，但在饮食限制的情况下，没能显示出血浆皮质甾酮的水平增加。因此，这类小鼠可作为研究糖 ( 肾上腺 ) 皮质激素在衰老过程的作用之应用。 (4)Sod2+/-，杂合子 Knockout 小鼠：这 类小鼠的 Mn- 过氧化物歧化酶基因 (Mn-SOD)的第三外显子被删除。这种杂合的 Knockout 小鼠的 Mn-SOD 活性被减低 50%，因此可以研究衰老中的氧化应力理论。,三、行为和生物学模型 基础行为方面的研究,虽然有很强的传统研究方式，但是有关这类研究的工具和技术近年来才开始应用于行为细胞、分子和遗传等方面。 在行为方面的重要研究领域包括生物精神病学、发育生物学及特殊的精神紊乱。如焦虑不安、抑郁症、精神分裂症及学习、记忆识别能力的衰退。这方面有一系列心理免疫学与抗病、康复之间的关系。水生生物，如斑马鱼,是一个极好的发生学模型, 特别是用在行为发育及行为遗传的研究上, 将可能推动胚胎学、神经生物学和其方面的研究进展。,实践证明,在带有双光子探测器的镜下,利用荧光器探针标记, 可以观察斑马鱼的胚胎成熟过程,建立突变分析程序和定位决定 行为的基因。可见, 在发育、神经病理学的基 础研究方面 , 斑马鱼是一个较好的模型。其次,如海洋软体动物 , 如 Aplysia，具有较简单的神经系统,有利于行为、神经方面的电生理学的研究。 自孟德尔遗传法则建立后, 自发突变, 一向为遗传研究的对象, 携带自发突变基因的小鼠 , 一向被广泛的应用于行为、神经生物学研究方面。,四、复合疾病 (complex disease) 实验动物模型 随着社会的进步、环境的变化, 使人类意识到许多人类疾病的发生, 包含着很强的社会因素和环境因素。同时多种疾病的发生是由于多重基因 (polygene) 与环境因素相互作用的结果。因此 ,Regeas 和 Hixon, 在 1997年率先提出了复合疾病 (complex disease) 的概念。 复合疾病包括很多种 , 诸如：行为和系统的疾病 (AID 病、Alzheimers 病、心理紊乱病、焦虑症、沮丧症和精神分裂症 ) 、糖尿病、 心血管病、肿瘤、高血压、心脏病及传染病。,复合疾病的研究关键在于去寻找与这些 疾病发生相关的敏感基因群。以及研究这些敏感基因群与社会、环境因素的关系。建立、发展复合疾病的实验动物的目的就是去验证、鉴定影响复合疾病、或有发生复合疾病危险的基因。,有两个途径发展这一类的动物模型：其一 , 根据遗传损伤和选择近亲啮齿类动物。其战略就是以最小的背景遗传突变( 变异),以便去确定单一基因的效力和其敏感性等位基因在表现型上的功能。小鼠和犬的近交系将是研究人类复合疾病的重要模型。 其二 , 就是用统计和分子生物学方法去研究非近亲系群体和自发遗传突变 , 从而确定基因座位 (gene loci) 的表现型效力 , 弄清环境和其它基因的作用。在这方面非人灵长类系统可作为复合疾病的动物模型。因为它的生理、遗传背景更近于人类。,由于啮齿类和非人灵长类动物都具 有复杂的神经系统 , 利用这类模型去研究神经细胞生理将存在一定的困难 , 而水生生物 , 如斑马鱼、海洋软体动物 (Aplysia) 是研究行为神经复合疾病的良好模型。 21 世纪的复合疾病的研究将从定性分析转为定量分析复合、多重基因的作用。这将预示着对实验动物模型的要求更高 ,比较医学科学家必将面对这种挑战。,五、传染性疾病的实验动物模型 近年来, 从世界范围内,传染性疾病对人类的危害越来越引起重视。尤其是丙型肝炎和结核病等的发病率逐年增加。有关传染性疾病和免疫系统的平衡研究已引起科学家的注意。下面几种模型是这方面研究的重点： (1)鼠类模型去研究它的免疫系统。 (2) 小鼠的免疫系统研究： 近年来 , 有关小鼠的免疫基因自发突变模型在这方面研究上作出很大贡献。,(3) 蚊子及类似的其他动物免疫系统研究： 蚊子及类似的其它动物是人类感染性疾病的载体。研究它们的免疫系统将有利于提出防止、治疗有关传染病的战略。 (4) 从分类学角度 , 广泛研究不同门类生物的免疫系统：可能发现控制脊椎动物和人类免疫系统的高度保守的基因片段,从而有利于遗传工程技术去调节免疫系统的平衡。 (5) 研究鳖鱼的免疫系统：期望着寻找出新的控制感染性癌症发生的免疫基因。,六、实验动物模型的计算机模拟系统 计算机时代增加科学研究的整体性和综合性,在科学研究的领域运用数学模拟、系统论、信息论、控制论、协同论等在未来科学研究中的地位将更加重要。 有关生物医学模型研究资料处理的计算机管理系统主要包括两个方面： 一是对其资料的生物数学模拟和统计分析； 二是用于功能基因组及其它方面研究的基本资料的存储信息系统。在这方面已充分显示了计算机的巨大功绩。,当今的高新技术,新的计算机软件已开始