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常用实验动物生物学特性及其应用1 实验动物学教研室孙伟 1 复习 概念实验动物 实验用动物 实验动物科学 比较医学 动物福利 动物伦理学 3R实验动物科学的研究内容了解有关法律和法规 2 实验动物的质量控制 从遗传学角度要求 遗传背景明确 来源清楚 依据其基因纯合的程度 通常划分为近交系 Inbredstrain 封闭群 Closedcolony 杂交群 Hybridcolony 掌握遗传特性 特点及其及其应用对实验动物携带的微生物 寄生虫实施人工控制 我国将实验动物分为四个等级普通动物 Conventionalanimal CV 清洁动物 CleanAnimal CL 无特定病原菌动物 specificpathogenfree SPF 无菌动物 Germfree GF 掌握各等级动物的特性及其应用论述实验动物疾病的危害性 并举例说明 3 常用实验动物小鼠 大鼠 豚鼠 兔 犬 猴 猪本章学习要点 一 生物学特性 一 习性和行为 二 主要解剖学特点 三 主要生理学特点二 在生物医学研究中的应用三 常用品种 品系四 饲养管理要点 4 1 具有繁殖力强 生殖周期短 个体小 品种 品系和自发型突变模型多等特点 因而被广泛应用于生命科学的各个领域 2 小鼠的基因组与人类基因组有很高的同源性 小鼠基因总数与目前已知的人类基因数量相近 约为3万个左右 90 以上的小鼠和人类基因组分布在相应的保守区域里 80 的人类基因组的核苷酸序列与小鼠相对应 一些基因的功能可类推到人类 因而基因的突变导致表型的改变和病理变化也可作为极好的人类疾病动物模型 用来阐明人类基因的功能 3 胚胎干细胞 ES细胞 在体外培养实验中 小鼠是使用量最多的哺乳动物 而ES细胞是进行基因修饰和遗传操作的最重要的手段之一 2008年Science杂志首次发布从大鼠胚胎中成功地提取干细胞 小鼠广泛使用的理由 5 第一节小鼠 概述 6 7500万 1 25亿年前 人鼠始祖 图片上显示的是1 25亿年前的EomaiaScansoria 是已知的最早的哺乳动物纲代表物种 从它进化出了所有现代的胎生哺乳动物 参见Q Jietal Nature416 816 822 2002 7 约六百万年前形成了小家鼠种 MusMusculus 19世纪 宠物鼠在20世纪初 科学家们也开始意识到可以用这些不同颜色的老鼠进行一些遗传学实验 这些宠物鼠成了实验鼠的 先驱 8 小鼠 Mouse 动物分类学 哺乳纲 ClassisMammalia 啮齿目 OrderRodentia 鼠科 FamiliaMurinae 小鼠属 GenusMusmusculus 小家鼠种 Speciesmusculus 染色体数2n 40 9 一 生物学特性 一 习性和行为外貌特征 体型小胆小怕惊 行动敏捷昼伏夜动喜群居适应性差喜啃咬 10 新生乳鼠 5日龄乳鼠和母鼠 不同日龄乳鼠 刚断奶小鼠与成年小鼠 11 二 主要解剖学特点1 骨骼系统下颌骨形态 用于近交系小鼠的遗传检测下颌骨喙状突较小 髁状突发达 12 2 消化系统 消化管小鼠的胃属单胃 分为前胃和腺胃 胃容量小 约1 0 1 5ml食管内壁与胃的头侧有一层角质化鳞状上皮 盲肠不发达 消化腺唾液腺3对肝脏4叶胰腺 13 3 呼吸系统和皮肤 肺 右肺4叶 左肺1叶气管 气管和支气管腺不发达皮肤 无汗腺 14 4 免疫器官和淋巴系统 胸腺脾脏淋巴系统发达 咽部无扁桃体 15 5 泌尿生殖系统 肾脏 小鼠尿液的浓度高 尿中含有较多蛋白质 同时也含有肌酸酐 这是小鼠不同其他哺乳动物的特征 雌性生殖器官 小鼠有5对乳头 雌性小鼠为 Y 形双子宫型 肾脏 16 雌性生殖器官雄性生殖器官 17 6 循环系统特性 小鼠的心脏收缩压介于84 105毫米汞柱 体温升高并不引起血压升高 心尖位于胸骨端第4肋间 此位置往往是心脏采血进针的部位 18 三 主要生理学特点 1 生长发育指标生长期短 成熟早 繁殖力强0日龄 出生时1 5g 体长20mm 赤裸无毛 身体成半透明 眼紧闭 两耳贴皮肤 嗅觉 味觉敏感 3日龄 皮肤出现毛色4 6日龄 双耳张开耸立 7 8日龄 开始爬动9 11日龄 听觉发育 被毛长齐12 14日龄 睁眼 开始采食饮水 四处活动21日龄 离乳8 12g寿命 2 3年 19 KM小鼠生长曲线 20 2 生殖生理 性成熟 45 60日龄 35 45日龄体成熟 70 80日龄 65 75日龄性周期 4 5天妊娠期 19 21天哺乳期 20 22天生育期 1年 21 3 主要生理指标 实验参数 体温 37 39 呼吸 140 210次 min心率 310 840次 min日增重 0 5g胃容量 1 0 1 5ml日摄食量 2 8 7 0g日饮水量 4 7ml排粪量 1 4 2 8g d排尿量 1 3ml d采血量 0 5ml 22 二 在生物医学中的应用 一 药物研究药物安全性评价 用于急性毒性 亚慢性毒性试验 半数致死量测定 生殖毒性试验等 药效学评价试验生物制品的检定 23 二 肿瘤学研究进行肿瘤病因 发病机理 防治及抗癌药物筛选的研究 自发肿瘤模型 AKR白血病发病率90 C3H乳腺癌发病率90 人体肿瘤研究诱发性肿瘤模型乌拉坦 氨基甲酸乙酯 C H O CONH 二乙基亚硝胺 小鼠肺癌四氯化碳 氯仿 小鼠肝癌移植性肿瘤模型 24 三 遗传学研究遗传学分析基因研究 利用重组近交系 同源突变近交系和遗传工程小鼠进行基因功能 表达和调节的研究突变系疾病动物模型 25 四 传染性疾病的研究小鼠对多种病原体特别是病毒极为敏感 常用于研究这些病原的发病的机理 五 免疫学研究制备单克隆抗体用免疫缺陷小鼠研究淋巴细胞的功能 26 六 老年病研究在老年病实验研究中的使用仅次于大鼠 用于老年病的发病机理 表现以及防治研究 七 其他疾病研究1 神经系统疾病如亚急性坏死性脑脊髓病 癫痫可用小鼠进行 2 呼吸系统疾病小鼠是研究镇咳药的首选动物 3 计划生育 27 八 不宜采用小鼠的试验研究体温变化的试验 因为小鼠体温变化不稳定慢性支气管炎的试验 因为小鼠气管及支气管腺不发达催吐试验 因为小鼠无呕吐反应 28 三 常用的品种 品系 一 近交系BALB c C 白化小鼠毛色基因AAbbcc组织相容性基因H 2d主要生物学特征 乳腺癌发病率低对放射线敏感有自发性心血管病变主要用于免疫学 肿瘤学研究和单克隆抗体的制备 29 2 C57BL 6 B6 黑色毛色基因aaBBCC组织相容性基因H 2b主要生物学特性 乳腺癌自然发病率低对放射线中度抵抗嗜酒精性高对结核杆菌 百日咳组织胺易感因子敏感雌性经超排后 排卵数多遗传背景清楚 基因组测序完成常用于转基因小鼠的制备和肿瘤学 遗传学 生理学的研究 30 3 C3H C3 野鼠色 agouti 毛色基因AABBCC组织相容性基因H 2k主要生物学特性 9 10月龄雌鼠中乳腺癌自发率97 100 雄性鼠对氯仿 松节油 狂犬病毒敏感补体活性高 干扰素产量低老年鼠常见膀胱扩张 肝癌和自发形成骨肉瘤主要用于肿瘤学 生理学 核医学和免疫学的研究 31 4 DBA 2 D2 淡棕色毛色基因aabbCCdd组织相容性基因H 2d主要生物学特性 a雌性鼠乳腺癌发病率为31 66 b白血病发病率6 8 c35日龄听源性癫痫发作达100 d对鼠伤寒沙门氏菌C5有抵抗力 e对酒精过敏f雄性鼠接触氯仿和乙二醇的氧化产物时以及维生素K缺乏时死亡率高 常用于肿瘤学 遗传学和免疫学的研究 32 二 封闭群1 昆明种 KM 白化小鼠主要生物学特征 繁殖率和存活率高抗病率和适应性强雌性小鼠乳腺肿瘤发病率25 广泛用于药理 毒理 病毒和细菌学研究 以及药品 生物制品的检定 33 2 ICR 白化小鼠主要生物学特征 繁殖力强 母性好体型较昆明种小鼠大广泛用于药理 毒理 病毒和细菌学研究 以及药品 生物制品的检定 转基因小鼠的胚胎移植 3 NIH小鼠 白化小鼠起源于美国NIH研究所 许多生长性状与KM小鼠相似 但免疫反应敏感性比较好 也是国际上较通用的封闭群小鼠 已被公认为许多生物制品检定实验的法规动物 34 四 小鼠的饲养管理 一 日常管理保持饲养室内温湿度稳定 给料给水 提供足够的饲料和饮水 自由摄取 定期更换垫料和清洁卫生 观察记录 小鼠外观健康标准 1 食欲旺盛2 眼睛有神 反应敏捷3 被毛光滑 肌肉丰满 活动有力4 眼 耳 鼻 肛门等处无分泌物5 粪便呈颗粒状 35 小鼠饲养盒 小鼠饲养室 小鼠的饲料 小 大 鼠的饮水瓶 36 二 繁殖和保种 乳鼠雌雄比较 成年鼠雌雄比较 37 大鼠 Rat 属于哺乳纲 啮齿目 鼠科 大家鼠属 Genusrattus 大家鼠种 Speciesrattusnorvegicus 的动物 学名褐家鼠 大家鼠 RattusNorvegicus 染色体数2n 42 大鼠与人类有90 的基因相同 大鼠染色体上有27 5亿个碱基对 与人类染色体上的29亿个碱基对相当接近 因此了解大鼠非常有助于了解人类自身 广泛应用于药理学 毒理学 营养学 内分泌学 肿瘤学 生物化学 医药 农药毒性等诸方面的研究之中 第二节大鼠 38 一 习性和行为外观与体型 体型较大 体重约是小鼠的10倍 新生仔鼠体重约5 5 10g 1 5 2月龄达到180 220g 其体长不小于18 20cm 雄性大鼠最大体重达300 800g 雌性大鼠250 400g 性情温顺 喜安静昼伏夜动胆小怕惊杂食5 寿命2 5 3年 一 主要生物学特性 39 二 主要解剖学特点 骨骼系统牙齿和齿式 上下颌各有2个门齿和6个臼齿生长发育期长 长骨长期有骨垢线存在 不骨化 40 2 消化系统 消化管单胃同小鼠无胆囊 胆管直接与十二指肠相连 大鼠食管与胃交接处有皱褶 能阻止胃内容物返流到食管 故不会呕吐 大鼠肠道较短 盲肠较大 但功能不发达 消化腺唾液腺发达肝脏 分为6叶 再生能力强 41 42 3 呼吸系统和皮肤 肺 右肺4叶 左肺1叶 气管 气管和支气管腺不发达皮肤 汗腺不发达 仅在爪垫上有汗腺 尾巴是散热器官 在高温下靠流出大量唾液调节体温 43 心血管系统 心脏血液的供给既来自冠状动脉 也来自冠状外动脉泌尿生殖系统 结构和功能同小鼠相似大鼠的肾与其他啮齿动物 兔型动物一样 是单乳头的 由于大鼠的肾只有一个乳头和一个肾盏 使其可用于肾管插入的研究 是研究肾单位运转的理想模型 44 6神经系统和内分泌脑分为大脑 间脑 中脑 小脑和延脑 大脑半球很发达 脑神经13对 垂体 肾上腺系统功能发达 应激反应灵敏 大鼠对噪声敏感 噪声易引起内分泌紊乱 吃仔或死亡 45 三 主要生理学特点 1 生长发育指标 生长期短 成熟早 繁殖力强0日龄 出生时5 7g 赤裸无毛 眼紧闭 两耳贴皮肤 嗅觉 味觉敏感 21日龄 离乳体重50 70g成年体重 180 200g寿命 2 5 3年 46 大鼠体重增长表 单位 g 47 2 生殖生理 性成熟 45 60日龄 35 45日龄体成熟 80 90日龄 75 85日龄发情周期 4 5天妊娠期 19 21天哺乳期 20 22天生育期 1年 48 3 其它生理学特点 大鼠嗅觉灵敏 对空气中的尘埃 氨气 硫化氢极为敏感 易患肺炎或进行性肺坏死而死亡 大鼠对湿度要求严格 如空气过于干燥 易发生环尾病 大鼠血压和血管阻力对药物反应灵敏 但对强心甙的作用较猫敏感性低671倍 对营养 维生素 氨基酸缺乏敏感 可发生典型的缺乏症状 体内可合成维生素C 49 四 主要生理学实验参数体温 37 8 38 7 呼吸 66 114次 min心率 260 450次 min血压 收缩压17 73 21 33kPa舒张压13 60 14 66kPa白细胞计数总数 5 0 15 0 109 L红细胞计数7 2 9 6 1012 L血小板120 110 138 109 L日增重 1 8 2 4g胃容量 4 0 7 0ml日摄食量 75 100g kg日饮水量 20 45ml日排尿量 10 15ml 50 二 在生物医学中的选择应用 一 生理学研究大鼠垂体一肾上腺系统发达 垂体摘除比较容易 可用来进行肾上腺 垂体 卵巢等内分泌研究 利用大鼠对新环境易适应 有探索性 易训练 对惩罚和暗示敏感等特性进行行为学研究和高级神经活动的研究 大鼠无胆囊 但胆总管较粗大 可采用胆总管插管收集胆汁进行消化功能的研究 51 电迷宫训练装置 水迷宫 52 二 药物学研究1 药物安全性评价 如急性 亚慢性和慢性毒性试验 生殖毒性试验和药物依赖试验等 大鼠也经常用于 三致 试验研究 2 药物药效研究 神经系统疾病药物药效评价 特别对影响副交感神经效应器接点的药物研究时 首选大鼠 心血管疾病药物的药效评价 大鼠的血管阻力和血压对药物的反映均很敏感 与人类或大动物的反映均较一致 例如SHR大鼠是研究高血压药物的极好的动物模型 治疗炎症药物药效评价 大鼠踝关节对炎症反应敏感 用于抗关节炎药物的研究 53 三 营养学 代谢性疾病的研究大鼠对营养缺乏比较敏感 可发生典型的症状 是研究营养学的首选动物 常用于蛋白质缺乏 氨基酸 维生素和无机离子代谢等研究 用于营养不良和饥饿对身体发育所产生不利影响的研究 自发高血压肥胖大鼠SHR N CP用于研究 型糖尿病 自发糖尿病大鼠 BB Wistar用于研究 型糖尿病 高脂饲料 STZ诱导 研究 型糖尿病及其并发症 54 四 肿瘤研究有些大鼠品系具有较高的肿瘤自发率 实验中主要用化学物质诱发大鼠的肿瘤模型 进行癌变机理的研究和抗癌药物筛选 五 遗传疾病研究有些大鼠品系具有自发性遗传疾病 如白内障 尿崩症 肥胖 高血压 癫痫等 这些疾病具有与人类相似的特征 可作为人类这些遗传性疾病良好的动物模型 55 诱发性肿瘤 56 六 口腔医学研究用变异链球菌接种大鼠口腔 然后喂给含蔗糖食物 大鼠牙齿上的珐琅质蛀损在宏观和微观上同人的蛀齿相似 可用来研究龋齿 七 外科学的研究大鼠的肝脏移植脊椎损伤骨折 57 八 其它研究 化学药物致内脏高敏感类风关心梗模型肝再生肝硬化治疗肾衰 58 八 不宜采用大鼠的实验研究研究体温变化的试验 因为大鼠体温变化不稳定 慢性支气管炎的试验 因为大鼠气管及支气管腺不发达 催吐试验 因为大鼠无呕吐反应 胆囊功能试验 因为大鼠无胆囊 59 三 常用品种和品系 一 封闭群SD SpragueDawley 白化大鼠主要生物学特性 对疾病抵抗力较强 尤其对呼吸道疾病抵抗力很强自发性肿瘤的发病率较低对性激素敏感性高应用