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实验动物学 建立人类疾病动物模型的意义 人类的替难者 避免了在人身上进行实验所带来的风险 可按研究者的需要获得实验材料 缩短研究周期 可控制各种实验条件 结果可比性强 重复性好 可提供发病率较低的疾病材料有助于更全面认识疾病的本质药物的药效学研究和安全性评价为教学服务 提供直观生动的教学效果 一个好的动物模型应具有以下特点1 相似性 动物模型应与相应的人类疾病有类似之处 尽可能再现所要研究的人类疾病的病理变化 2 重复性 理想的模型应是可重复 可标准化的 标准的动物 标准的环境 标准的饲养管理 标准的实验器材 标准的实验操作 3 可靠性 复制模型应特异地 可靠地反映该种疾病或某种机能 代谢 结构变化 同时应具备该种疾病的主要症状和体征 并经受一系列检测得以证实 4 适用性 复制模型应尽量考虑今后临床能应用和便于控制其疾病的发展 动物背景资料要完整 生命史能满足实验需要 5 易行性和经济性 动物经济而来源充足 便于转运 易于关养 在同等条件下 优先使用标准化的实验动物 6 安全性 动物模型应不对实验人员和其它人员的生命安全产生威胁 人类疾病动物模型的设计原则 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 WhiteGameauPigeon 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 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 动物疾病模型的局限性 模式生物 生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究 用于揭示某种具有普遍规律的生命现象 此时 这种被选定的生物物种就是模式生物 模式生物的应用是生物学研究的重要特色 是一种非常典型的研究模式 必须具备条件 容易培养 成本低 可随时获得以供实验研究繁殖周期短 短时间内产生大量后代 满足研究分析需求种内遗传变异体获得方便已有该物种丰富的背景信息 定义 模式微生物 盘基网柄菌 大肠杆菌 酿酒酵母 E coli S cerevisiae Dictyosteliumdiscoideum 模式植物 藻类等水生植物 拟南芥 烟草 金鱼草 水稻 二穗短柄草 模式动物 实验动物学基本概念 概念 实验动物学 laboratoryanimalscience LAS 是一门以实验动物为主要研究对象 并将培育的实验动物应用与生命科学及相关研究的一门综合性学科 简而言之 实验动物学是一门研究实验动物和动物实验的综合性基础应用学科 研究内容 是以实验动物本身为对象 专门研究它的育种 保种 生物学特性 繁殖生产 饲养管理以及疾病的诊断 治疗和预防 以期达到如何提供标准的实验动物 动物实验 是以实验动物为材料 采用各种方法在实验动物体内进行实验 研究动物实验过程中实验动物的反应 表现及其发生发展规律等问题 着重解决实验动物如何应用到各个科学领域中去 为生命科学及相关研究服务 实验动物实验动物是指经人工培育和人工改造 对其携带微生物 遗传 营养 环境因子实行控制 来源清楚 遗传背景明确 用于科学研究 教学 生产 检验以及其它科学实验的动物 控制的目的是为了保证实验结果的可靠性 精确性 均一性 可重复性和可比较性 实验动物的三大特点 从遗传控制角度来源清楚 人工培育 遗传背景明确 分为近交系 封闭群 杂交群从微生物控制角度分为普通级动物 CV 清洁级动物 CL 无特定病原体动物 SPF 无菌动物和悉生动物 GA 从应用角度用于科学实验 动物实验规范化 科学合理的使用实验动物 有效地进行各类科学实验 通过科学的动物实验 研究 探讨生命现象本质以及各类相关科学领域疑难课题 常用实验动物及应用 小鼠 大鼠 豚鼠和地鼠 小鼠 小鼠是目前世界上用量最大 用途最广 品种最多和研究最为彻底的哺乳类实验动物 实验小鼠是野生鼷鼠经过长期人工饲养和定向选择培育出来的 含20对染色体 已有1000多个独立的近交系和远交群 一般特性 体型小 生长快 易于饲养管理 成熟早 繁殖力强 性情温驯 胆小怕惊 对外界反应敏感 喜欢光线较暗的安静环境 昼伏夜动 喜群居并喜啃咬 小鼠在生物医药研究中的应用 1 药物研究 筛选性实验 小鼠广泛用于各种药物的筛选性实验 如抗肿瘤药物 抗结核药物 抗疟疾药物等筛选 毒性试验和安全评价 由于小鼠对多种毒性刺激敏感 因此 在药物的急性 亚急性和慢性毒性试验以及半数致死量测定中常用小鼠 新药临床前毒理学研究中的 三致 致癌 致畸 致突变 试验也常用小鼠进行 药效学研究 利用小鼠瞳孔放大作用测试药物对副交感神经和神经接头的影响 用声源性惊厥的小鼠评价抗痉挛药物 用小鼠热板技术引起的后爪运动或机械压尾评价止痛药 用小鼠角膜和耳廓反射评价镇静药 用Termorine的羟基衍生物诱发小鼠发抖来评价发抖药物的药效 生物药品和制剂的效价测定 小鼠广泛用于血清 疫苗生物制品的安全评价 效价的测定以及各种生物效应的研究 2 病毒 细菌和寄生虫病学研究 小鼠对多种病原体和毒素敏感 因而适用于流感 脑炎 狂犬病 支原体 沙门菌 疟疾 血吸虫和锥虫等疾病的研究 3 肿瘤学研究 自发肿瘤 据统计 近交系小鼠中大约有24个品系或亚系都有其特定的自发性肿瘤 如AKR小鼠白血病发病率为90 C3H小鼠的乳腺癌发病率高达90 97 这些自发性肿瘤与人体肿瘤在肿瘤发生学上相近 所以常选用小鼠自发的各种肿瘤模型进行肿瘤病因学 发病学和防治学研究以及抗癌药物的筛选 诱发肿瘤 小鼠对致癌物敏感 可诱发各种肿瘤模型 如用甲基胆蒽诱发小鼠胃癌和宫颈癌 用二乙基亚硝胺诱发小鼠肺癌等动物模型 可用于肿瘤防治实验研究 人癌细胞移植 胸腺严重缺陷的裸小鼠可接受人类各种肿瘤细胞的植入 成为活的癌细胞 试管 是研究人类肿瘤生长发育 转移和治疗的最佳实验动物 肿瘤学遗传学研究 小鼠常用于原病毒基因组学说和癌基因假说的研究 对小鼠乳腺癌 垂体肿瘤 肾上腺皮质肿瘤发生过程中基因成分的相互作用已进行了大量的研究分析 AKR小鼠白血病已被证明是在遗传因素影响下 由病毒有发而引起 4 遗传学研究 小鼠一些品系有自发性遗传病 如小鼠黑色素病 白化病 尿崩症 家族性肥胖和遗传性贫血等与人发病相似 可以作为人类遗传性疾病的动物模型 5 免疫学研究 BALB c AKP和C57BL 6J等小鼠免疫后脾细胞能与骨髓细胞融合 可进行单克隆抗体的制备和研究 裸鼠 SCID小鼠 Beige小鼠既可用于研究 自然防御 细胞和免疫辅助细胞的分化和功能及其相互关系 也是人和动物肿瘤或组织接种用动物 成为研究免疫机制的良好动物模型 6 其他研究 计划生育研究 内分泌疾病研究 老年病研究 主要品系 1 封闭群小鼠 NIH小鼠 ICR小鼠 KM小鼠 CFW小鼠等 2 近交系小鼠 BALB c小鼠 C57BL 6J小鼠 C3H小鼠 615小鼠等 3 突变系小鼠 裸小鼠 T B细胞联合免疫缺陷小鼠 T B NK细胞联合免疫缺陷小鼠 dy肌萎缩症小鼠 ob肥胖小鼠 db小鼠等 小鼠的基因组计划已基本完成 基因组序列的大量信息为研究基因功能及其表达调控 胚胎发育和人类疾病的分子机制提供了条件基础和技术手段 小鼠生理生化和发育过程和人类相似 基因组和人类98 同源 所以很多小鼠疾病模型可以基本上真实的模拟人类疾病的发病过程及对药物的反应 小鼠的基因改造技术成熟 从上世纪七八十年代基因改造技术诞生以来到最新的技术突破 基因改造技术在小鼠模型构建方面日趋完善 美国科学家MarioR Capecchi OliverSmithies和英国科学家MartinJ Evans因 涉及使用胚胎干细胞进行小鼠特定基因修饰方面的一系列突破性发现 而获得2007年度诺贝尔生理学或医学奖 小鼠繁殖能力强 性成熟早 体型小巧且易于管理 用于实验更加方便快捷 小鼠为什么能成为最好的模式动物 小鼠作为模式生物的优势最小的哺乳动物之一 25 40g 世代周期短 8周龄性成熟 生物进化上与人类接近 60 75百万年 胎盘形成和早期胚胎发育与人类相近组织器官结构和细胞功能与人类相似有高级神经活动小鼠基因组与人类基因组高度同源 基因组改造的技术手段成熟 人类和鼠类基因图谱绘制完成 糖尿病是一种常见的慢性疾病 由于遗传因素和多种环境因素联合作用使胰岛素分泌绝对或相对分泌不足 引起糖类 蛋白质 脂肪的代谢紊乱 临床表现为高血糖的一组全身性代谢紊乱的疾病 糖尿病动物模型 自发性糖尿病模型KK糖尿病小鼠 2型NOD LtJ小鼠 1型BBWistar大鼠 1型肥胖性糖尿病Wistar大鼠 2型糖尿病地鼠 2型 Animalmodelsindiabetesresearch Animalmodelsintype2diabetesresearch Anoverview Streptozotocin inducedpancreaticinsulitis newmodelofdiabetesmellitus Theuseofanimalmodelsindiabetesresearch Optimizationofanimalmodelforinvestigationofpathogenesisoftype2diabetes Diseasemodeldiscoveryfrom3 328geneknockoutsbyTheInternationalMousePhenotypingConsortium High throughputdiscoveryofnoveldevelopmentalphenotypes Dissectingevolutionanddiseaseusingcomparativevertebrategenomics 100yearsofDrosophilaresearchanditsimpactonvertebrateneuroscience ahistorylessonforthefuture TheModelOrganismDictyosteliumdiscoideum 大鼠 实验大鼠有野生褐家鼠训化而成 是常用的实验动物之一 其用量仅次于小鼠 一般特征 与小鼠相似 但体型较大 大鼠是昼伏夜行的杂食动物 与小鼠相比大鼠性情较凶猛 嗅觉灵敏 对噪声敏感 大鼠对营养缺乏非常敏感 尤其是氨基酸 蛋白质 维生素等 对适度要求严格 大鼠在生物医药研究中的应用 1 大鼠是肥胖研究的模型动物 肥胖症大鼠子宫小且发育不全 雌性不育 雄性生殖器官外观正常 偶有生殖力 在3周龄时就表现肥胖 5周龄肥胖明显 食量大 体重比正常大鼠大一倍 雄性可达800g 雌性可达500g 血浆中脂肪酸总量增加约10倍 胆固醇和磷脂的含量也增高 可用作研究人肥胖症的动物模型 2 大鼠是高血压研究的模型动物 大鼠血压和血管阻力对药物的反应很敏感 常用作研究心血管药物的药理和调压作用 还用于心血管系统新药的筛选 SHR 自发性高血压 大鼠由Okamoto和Aoki选育成功 正常大鼠收缩压为110 120mmHg 育成后血压高达200mmHg 此鼠除有高血压自发率100 特点外 还有高血压性心血管病变 适于人类的高血压病研究 是筛选抗高血压药物的良好动物模型 3 大鼠是神经系统疾病研究的模型动物 大鼠行为表现多样 情绪反应敏感 具有一定的变化特征 常用于研究各种行为和高级神经活动的表现 利用迷宫试验测试大鼠的学习和记忆能力利用奖励和惩罚试验 如采用跳台试验等方法 测试大鼠记忆判断和回避惩罚的能力大鼠适合于作为成瘾性药物的行为学研究 如在一定时间内给大鼠喂饲一定剂量的酒精 咖啡因后 大鼠对上述药物产生依赖并发生行为改变利用大鼠研究那些假定与神经反射异常有关的行为情景 进行性神经功能症 抑郁性精神病 脑发育不全或迟缓等疾病的行为学研究 4 药物研究 药物的筛选和药效学研究 神经病药物的评价 利血平和阿朴吗啡可诱导大鼠神经性异常行为 可用双胡同障碍迷宫测验或对大鼠有条件回避惩罚或奖励能力测试来评价药物的药效 治疗炎症药物的筛选评价 大鼠踝关节对炎症反应敏感 常用于筛选抗关节炎药物 也可用于多发性关节炎 化脓性关节炎等治疗药物的评价 药物毒性和安全性评价 大鼠常用于药物亚急性实验动物评价和确定最大给药量以及药物排泄速率和蓄积 在药物慢性试验中 大鼠常用于确定药物吸收 分布 排泄 剂量反应曲线和代谢 以及服药后的临床和组织学检查 用于药物致畸实验 在评价药物对副交感神经 神经效应研究中 药物刺激和抑制效应都通过大鼠的一些体征表现进行判断 如分泌唾液 外因作用流泪 挠弓背 发抖 不自觉的咀嚼等 评价药物对肾功能的影响可通过大鼠服药后5小时的尿量来评价 评价甾体避孕药副作用的研究 5 其他 遗传学 计划生育 老年病学 主要品种 1 封闭群大鼠 Wistar大鼠 Sprague Dawley SD 大鼠 Long Evans大鼠 2 近交系大鼠 F344大鼠 LEW大鼠 Lou CN和Lou MN大鼠等 3 突变系小鼠 SHR大鼠 WKY大鼠 裸大鼠 癫痫大鼠等 斑马鱼 剑尾鱼 爪蟾 果蝇 线虫 斑马鱼 斑马鱼脊索动物门 辐鳍鱼纲 鲤形目 鲤科鱼丹属斑马鱼 体长4 6cm 体呈纺锤形 背部橄榄色 体侧从鳃盖后直伸到尾末有数条银蓝色纵纹 臀鳍部也有与体色相似的纵纹 尾鳍长而成叉形 优点 斑马鱼的繁殖周期约7天左右 一年可连续繁殖6 7次 产卵量高 繁殖力强 斑马鱼基因与人类基因相似度达87 斑马鱼的胚胎是透明的很容易观察到药物对其体内器官的影响 雌性斑马鱼可产卵200枚 胚胎在24小时内就可发育成形 使得可以在同一代鱼身上进行不同的实验 进而研究病理演化过程并找到病因 斑马鱼在生物医药研究中的应用及前景 1 发育生物学和遗传学的模式生物 较完善的胚胎和遗传学操作技术在斑马鱼上可以像在低等模式动物如线虫 果蝇上一样 很方便地进行细胞标记细胞谱系跟踪 也可像在爪蟾上一样做胚胎细胞移植 此外还可以培育单倍体及基因组倍增 1994年5月德美两家实验室筛选出约4000个斑马鱼突变体 发表了斑马鱼第一个基因连锁图 为脊椎动物发育分子机制储备了丰富的遗传资源 斑马鱼是迄今适合用于饱和诱变唯一的脊椎动物 2 人类疾病的研究模型 斑马鱼在生长发育过程 组织系统结构与人有很高的相似性 两者在基因和蛋白质的结构和功能上也表现出很高的保守性 因此斑马鱼是研究人类疾病发生机制的优良模式动物 迄今已鉴定的一些斑马鱼突变体 其表型类似于人类疾病 肿瘤是对人类健康威胁最大的疾病之一 斑马鱼同样可以用来制备肿瘤模型 常用的方法是构建GFP融合蛋白 利用斑马鱼胚胎透明的特点 观察GFP融合蛋白的荧光分布情况 以此确定目的基因或目的蛋白的功能和表达特点 3 环境毒理监测 斑马鱼胚胎和幼鱼对有害物质非常敏感 可用于测试化合物对生物体的图形 在国际上 斑马鱼模式生物的使用整逐渐拓展和深入到生命体多种系统 神经系统 免疫系统 心血管系统 生殖系统 的发育 功能和疾病 神经退行性疾病 遗传性心血管疾病 糖尿病等 的研究中 并已用于小分子化合物的大规模新药筛选 果蝇 果蝇节肢动物门 昆虫纲 双翅目 果蝇属 果蝇种 约1000种 广泛用作遗传和演化的室内外研究材料 果蝇在生物医药研究中的应用及前景 1 发育生物学和遗传学的实验材料 2 神经生物学研究模式动物3 人类疾病研究的模型 2017MicrobialGeneticCompositionTunesHostLongevity以秀丽隐杆线虫为模型 对其体内将近4000种存在不同突变的大肠杆菌进行了筛选 找到了几十个可延长线虫寿命 延缓肿瘤发展和 淀粉样蛋白积聚的基因 还发现了一个可以延年益寿的化合物 荚膜异多糖酸 colanicacid CA 将CA直接喂给线虫 发现线虫的寿命延长了20 在实验中摄入了CA的果蝇也显示出了寿命的延长 线虫 兔 犬 猪 猴和猫 兔 生物医学研究应用的兔是有野生穴兔经过训化而育成 多为欧洲兔的后代 染色体2n 44 兔是生物医药实验研究中最常用的动物之一 一般特征 草食动物 性情温顺 喜欢独居 群居性差 听觉和嗅觉灵敏 胆小易惊 喜干厌湿 夜行性和嗜睡性 食粪特性 体温变化十分敏感 兔