動(dòng)物模型技術(shù)概述

第一部分　動(dòng)物模型的分類

一、按產(chǎn)生原因分類

（一）自發(fā)性動(dòng)物模型（Spontaneous Animal Models）

是指實(shí)驗(yàn)動(dòng)物未經(jīng)任何有意識(shí)的人工處置，在自然情況下所發(fā)生的疾病。包括突變系的遺傳疾病和近交系的腫瘤疾病模型。突變系的遺傳疾病很多，可分為代謝性疾病、分子疾病和特種蛋白質(zhì)合成異常性疾病。如無(wú)胸腺裸鼠、肌肉萎縮癥小鼠、肥胖癥小鼠、癲癇大鼠、高血壓大鼠、無(wú)脾小鼠和青光眼兔等。它們?yōu)樯�物醫(yī)學(xué)研究提供了許多有價(jià)值的動(dòng)物模型。近交系的腫瘤模型隨實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種屬、品系的不同，其腫瘤的發(fā)生類型和發(fā)病率有很大差異。

很多自發(fā)性動(dòng)物模型在研究人類疾病時(shí)具有重要的價(jià)值，如自發(fā)性高血壓大鼠，中國(guó)地鼠的自發(fā)性真性糖尿病，小鼠的各種自發(fā)性腫瘤，山羊的家族性甲狀腺腫等。利用這類動(dòng)物疾病模型來(lái)研究人類疾病的最大優(yōu)點(diǎn)，就是疾病的發(fā)生、發(fā)展與人類相應(yīng)的疾病很相似，均是在自然條件下發(fā)生的疾病，其應(yīng)用價(jià)值就很高，但是這類模型來(lái)源較困難，不可能大量應(yīng)用。由于誘發(fā)模型和自然產(chǎn)生的疾病模型是有一定差異的，如誘發(fā)的腫瘤和自發(fā)的腫瘤對(duì)藥物的敏感性是不相同的，加之有些人類的疾病至今尚不能用人工的方法在動(dòng)物身上誘發(fā)出來(lái)，因此，近年來(lái)十分重視對(duì)自發(fā)的動(dòng)物疾病模型的開(kāi)發(fā)，有的學(xué)者甚至對(duì)狗、貓的疾病進(jìn)行大規(guī)模的普查，以發(fā)現(xiàn)自發(fā)性疾病的病例，然后通過(guò)遺傳育種，將這種自發(fā)性疾病模型保持下來(lái)，并培育成具有特定遺傳性狀的突變系，以供研究。近年來(lái)許多動(dòng)物遺傳病的模型就是通過(guò)這樣的方法建立的。在這方面小鼠和大鼠的各種自發(fā)性疾病模型開(kāi)發(fā)和應(yīng)用得最多。這類模型在遺傳病、代謝病、免疫缺陷病、內(nèi)分泌疾病和腫瘤等方面的應(yīng)用正日益增多。

（二）誘發(fā)性或?qū)嶒?yàn)性動(dòng)物模型（Experimental Animal Models）

實(shí)驗(yàn)性動(dòng)物模型是指研究者通過(guò)使用物理的、化學(xué)的和生物的致病因素作用于動(dòng)物，造成動(dòng)物組織、器官或全身一定的損害，出現(xiàn)某些類似人類疾病時(shí)的功能、代謝或毒使動(dòng)物患相應(yīng)的傳染病，又如用化學(xué)致癌劑、放射線、致癌病毒誘發(fā)動(dòng)物的腫瘤等。誘發(fā)性疾病動(dòng)物模型具有能在短時(shí)間內(nèi)復(fù)制出大量疾病模型，并能?chē)?yán)格控制各種條件使復(fù)制出的疾病模型適合研究目的需要等特點(diǎn)，因而為近代醫(yī)學(xué)研究所常用，特別是藥物篩選研究工作所首選。但誘發(fā)模型和自然產(chǎn)生的疾病模型在某些方面畢竟存在一定差異。因此在設(shè)計(jì)誘發(fā)性動(dòng)物模型要盡量克服其不足，發(fā)揮其特點(diǎn)。

二、按系統(tǒng)范圍分類

（一）疾病的基本病理過(guò)程動(dòng)物模型

這類動(dòng)物疾病模型是指各種疾病共同性的一些病理變化過(guò)程的模型。致病因素在一定條件下作用于動(dòng)物，使動(dòng)物組織、器官或全身造成一定病理?yè)p傷，出現(xiàn)各種功能、代謝和形成結(jié)構(gòu)的變化，其中有些變化是各種疾病都可能發(fā)生的，不是各種疾病所特有的一些變化，如發(fā)熱、缺氧、水腫、炎癥、休克、彌漫性血管內(nèi)凝血、電解質(zhì)紊亂、酸鹼平衡障礙等，我們稱之為疾病的基本病理過(guò)程。

（二）各系統(tǒng)疾病動(dòng)物模型

是指與人類各系統(tǒng)疾病相應(yīng)的動(dòng)物型。如心血管、呼吸、消化、造血、泌尿、生殖、內(nèi)分泌、神經(jīng)、運(yùn)動(dòng)等系統(tǒng)疾病模型，還包括各種傳染病、寄生蟲(chóng)病、地方病、維生素缺乏病、物理?yè)p傷性疾病、職業(yè)病和化學(xué)中毒性疾病的動(dòng)物模型

三、按模型種類分類

疾病模型的種類包括整體動(dòng)物、離體器官和組織、細(xì)胞株以至數(shù)模型。疾病的動(dòng)物模型是常用的疾病模型之一，也是研究人類疾病的常用手段。

第二部分　動(dòng)物模型的設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)

一、設(shè)計(jì)原則

生物醫(yī)學(xué)科研專業(yè)設(shè)計(jì)中常要考慮如何建立動(dòng)物模型的問(wèn)題，因?yàn)楹芏嚓U明疾病及療效機(jī)制的實(shí)驗(yàn)不可能或不應(yīng)該在病人身上進(jìn)行。常要依賴于復(fù)制動(dòng)物模型，但一定要進(jìn)行周密設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)要遵循下列一些原則。

（一）相似性

在動(dòng)物身上復(fù)制人類疾病模型。目的在于從中找出可以推廣（外推）應(yīng)用于病人的有關(guān)規(guī)律。外推法（Extrapolation）要冒風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)閯?dòng)物與人到底不是一種生物。例如在動(dòng)物身上無(wú)效的藥物不等于臨床無(wú)效，反之也然。因此，設(shè)計(jì)動(dòng)物疾病模型的一個(gè)重要原則是，所復(fù)制的模型應(yīng)盡可能近似于人類疾病的情況。

能夠找到與人類疾病相同的動(dòng)物自發(fā)性疾病當(dāng)然最好。例如日本人找到的大白鼠原發(fā)性高血壓就是研究人類原發(fā)性高血壓的理想模型，老母豬自發(fā)性冠狀動(dòng)脈粥樣硬化是研究人類冠心病的理想模型；自發(fā)性狗類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎與人類幼年型類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎十分相似，也是一種理想模型，等等。

與人類完全相同的動(dòng)物自發(fā)性疾病模型畢竟不可多得，往往需要人工加以復(fù)制。為了盡量做到與人類疾病相似，首先要注意動(dòng)物的選擇。例如，小雞最適宜做高脂血癥的模型，因它它的血漿甘油三酯、膽固醇以及游離脂肪酸水平與人十分相似，低密度和極低密度脂蛋白的脂質(zhì)構(gòu)成也與人相似。其次，為了盡可能做到模型與人類相似，還要在實(shí)踐中對(duì)方法不斷加以改進(jìn)。例如結(jié)扎兔闌尾血管，固然可能使闌尾壞死穿孔并導(dǎo)致腹膜炎，但這與人類急性梗阻性闌尾炎合并穿孔和腹膜不一樣，如果給兔結(jié)扎闌尾基部而保留原來(lái)的血液供應(yīng)，由此而引起的闌尾穿孔及腹膜炎就與人的情況相似，因而是一種比較理想的方法。

如果動(dòng)物型與臨床情況不相似，在動(dòng)物身上有效的治療方案就不一定能用于臨床，反之也然。例如，動(dòng)物內(nèi)毒性性休克（Endotoxin Shock，單純給動(dòng)物靜脈輸入細(xì)菌及其毒素所致的休克）與臨床感染性（膿毒性）休克（Septic Shock）就不完全一樣，因此對(duì)動(dòng)物內(nèi)毒素性休克有效的療法長(zhǎng)期以來(lái)不能被臨床醫(yī)生所采用�，F(xiàn)在有人改向結(jié)扎膽囊動(dòng)脈和膽管的動(dòng)物膽囊中注入細(xì)菌，復(fù)制人類感染性休克的模型，認(rèn)為這樣動(dòng)物既有感染又有內(nèi)毒素中毒，就與臨床感染性休克相似。

為了判定所復(fù)制的模型是否與人相似，需要進(jìn)行一系列的檢查。例如有人檢查了動(dòng)物壓、脈率、靜脈壓、呼吸頻率、動(dòng)脈血pH、動(dòng)脈氧分壓和二氧化碳分壓、靜脈血乳酸鹽濃度以及血容量等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)一次定量放血法造成的休克模型與臨床出血性休克十分相似，因此認(rèn)為些法復(fù)制的模型是一種較理想的模型。同理，按中醫(yī)理論用大黃喂小鼠使其出現(xiàn)類似人的“脾虛癥”，如果又按中醫(yī)理論用四君子湯把它治好，那么就有理由把它看成人類“脾虛癥”的動(dòng)物模型。

（二）重復(fù)性

理想的動(dòng)物模型應(yīng)該是可重復(fù)的，甚至是可以標(biāo)準(zhǔn)化的。例如用一次定量放血法可百分之百造成出血性休克，百分之百死亡，這就符合可重復(fù)性和達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化要求。又如用狗做心肌梗死模型照理很合適，因?yàn)樗�的冠狀�?dòng)脈循環(huán)與人相似，而且在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中它最適宜做暴露心臟的剖胸手術(shù)，但狗結(jié)扎冠狀動(dòng)脈的后果差異太大，不同狗同一動(dòng)脈同一部位的結(jié)扎，其后果很不一致，無(wú)法預(yù)測(cè)，無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化。相反，大小白鼠、地鼠和豚鼠結(jié)扎冠脈的后果就比較穩(wěn)定一致，可以預(yù)測(cè)，因而可以標(biāo)準(zhǔn)化。

為了增強(qiáng)動(dòng)物模型復(fù)制時(shí)的重復(fù)性，必須在動(dòng)物品種、品系、年齡、性別、體重、健康情況、飼養(yǎng)管理；實(shí)驗(yàn)及環(huán)境條件，季節(jié)、晝夜節(jié)律、應(yīng)激、室溫、濕度、氣壓、消毒滅菌；實(shí)驗(yàn)方法步驟；藥品生產(chǎn)廠家、批號(hào)、純度規(guī)格、給藥劑型、劑量、途徑、方法；麻醉、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛等用藥情況；儀器型號(hào)、靈敏度、精確度；實(shí)驗(yàn)者操作技術(shù)熟練程度等等方面保持一致，因?yàn)橐恢滦允侵噩F(xiàn)性的可靠保證。

（三）可靠性

復(fù)制的動(dòng)物模型來(lái)應(yīng)該力求可靠地反映人類疾病，即可特異地、可靠地反映某種疾病或某種機(jī)能、代謝、結(jié)構(gòu)變化，應(yīng)具備該種疾病的主要癥狀和體征，經(jīng)化驗(yàn)或X光照片、心電圖、病理切片等證實(shí)。若易自發(fā)地出現(xiàn)某些相應(yīng)病變的動(dòng)物，就不應(yīng)加以選用，易產(chǎn)生與復(fù)制疾病相混淆的疾病者也不宜選用。例如鉛中毒可用大白鼠做模型，但有缺點(diǎn)，因?yàn)樗�本身容易患�?dòng)物地方性肺炎及進(jìn)行性腎病，后者容易鉛中毒所致的腎病相混淆，不易確定該腎病是鉛中毒所致還是它本身的疾病所致。用蒙古沙土鼠就比較容易確定，因?yàn)橐话阒挥秀U中毒才會(huì)使它出現(xiàn)相應(yīng)的腎病變。

（四）適用性和可控性

供醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究用的動(dòng)物模型，在復(fù)制時(shí)，應(yīng)盡量考慮到今后臨床應(yīng)用和便于控制其疾病的發(fā)展，以利于研究的開(kāi)展。如雌激素能終止大鼠和小鼠的早期妊娠，但不能終止人的妊娠。因此，選用雌激素復(fù)制大鼠和小鼠終止早期妊娠的模型是不適用的，因?yàn)樵诖笫蠛托∈蠛Y選帶有雌激素活性的藥物時(shí)，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)這些藥物能終止妊娠，似乎可能是有效的避孕藥，但一旦用于人則并不成功。所以，如果知道一個(gè)化合物具有雌激素活，用這個(gè)化合物在大鼠或小鼠觀察終止妊娠的作用是沒(méi)有意義的。又如選用大小鼠作作實(shí)驗(yàn)性腹膜炎就不適用，因?yàn)樗鼈儗?duì)革蘭氏陰性細(xì)菌具有較高的抵抗力，很不容易造成腹膜炎。有的動(dòng)物對(duì)某致病因子特別敏感，極易死亡，也不適用。如狗腹腔注射糞便濾液引起腹膜炎很快死亡（80$小時(shí)內(nèi)死亡），來(lái)不及做實(shí)驗(yàn)治療觀察，而且糞便劑量及細(xì)菌菌株不好控制，因此不能準(zhǔn)確重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（五）易行性和經(jīng)濟(jì)性

在復(fù)制動(dòng)物模型時(shí)，所采用的方法應(yīng)盡量做到容易執(zhí)行和合乎經(jīng)濟(jì)原則。靈長(zhǎng)類動(dòng)物與人最近似，復(fù)制的疾病模型相似性好，但稀少昂貴，即使獼猴也不可多得，更不用說(shuō)猩猩、長(zhǎng)臂猿。幸好很多小動(dòng)物如大小鼠、地鼠、豚鼠等也可以復(fù)制出十分近似的人類疾病模型。它們?nèi)菀鬃鞯竭z傳背景明確，體內(nèi)微生物可加控制、模型性顯著且穩(wěn)定，年齡、性別、體重等可任意選擇，而且價(jià)謙易得、便于飼養(yǎng)管理，因此可盡量采用。除非不得已或一些特殊疾病（如痢疾、脊髓灰白質(zhì)炎等）研究需要外，盡量不用靈長(zhǎng)類動(dòng)物。除了在動(dòng)物選擇上要考慮易行性和經(jīng)濟(jì)性原則外，而且在模型復(fù)制的方法上、指標(biāo)的觀察上也都要注意這一原則。

二、注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)動(dòng)物模型時(shí)除了要了解掌握上述一些原則外，還要注意下列一些問(wèn)題：

（一）注意模型要盡可能再現(xiàn)所要求的人類疾病

復(fù)制模型時(shí)必須強(qiáng)調(diào)從研究目的出發(fā)，熟悉誘發(fā)條件、宿主特征、疾病表現(xiàn)和發(fā)病機(jī)理，即充分了解所需動(dòng)物模型的全部信息，分析是否能得到預(yù)期的結(jié)果。例如誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化時(shí)，草食類動(dòng)物兔需要的膽固醇劑量比人高得多，而且病變部位并不出現(xiàn)在主動(dòng)脈弓。病理表現(xiàn)為纖維組織和平滑肌增生為主，可有大量泡沫樣細(xì)胞形成斑塊，這與人類的情況差距較大。因此要求研究者懂得，各種動(dòng)物所需的誘發(fā)劑量、宿主年齡、性別和遺傳性狀等對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，以及動(dòng)物疾病在組織學(xué)、生化學(xué)、病理學(xué)等方面與人類疾病之間的差異。要避免選用與人類對(duì)應(yīng)器官相似性很小的動(dòng)物疾病作為模型材料。為了增加所復(fù)制動(dòng)物疾病模型與人類疾病的相似性，應(yīng)盡量選用各種敏感動(dòng)物與人類疾病相應(yīng)的動(dòng)物模型，可參考相關(guān)文章《各種敏感動(dòng)物與人類相似的疾病模型》。

（二）注意所選用動(dòng)物的實(shí)用價(jià)值

模型應(yīng)適用于多數(shù)研究者使用，容易復(fù)制，實(shí)驗(yàn)中便于操作和采集各種標(biāo)本。同時(shí)應(yīng)該首選一般飼養(yǎng)員較熟悉而便于飼養(yǎng)的動(dòng)物作研究對(duì)象，這樣，就無(wú)需特殊的飼養(yǎng)設(shè)施和轉(zhuǎn)運(yùn)條件，經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上容易得到保證。

此外，動(dòng)物來(lái)源必須充足，選用多胎分娩的動(dòng)物對(duì)擴(kuò)大樣本和重復(fù)實(shí)驗(yàn)是有益的。尤其對(duì)慢性疾病模型來(lái)說(shuō)，動(dòng)物須有一定的生存期，便于長(zhǎng)期觀察使用，以免模型完成時(shí)動(dòng)物已頻于死亡或斃于并發(fā)癥。

野生動(dòng)物在自然環(huán)境中觀察有助于正確評(píng)價(jià)自然發(fā)病率和死亡率。但記錄困難，在實(shí)驗(yàn)條件下維持有一定難度，且對(duì)人和家畜有直接和間接的威脅，使用時(shí)要特別加以注意。因此，復(fù)制模型時(shí)必須注意動(dòng)物種群的選擇，要了解各類動(dòng)物種群的特點(diǎn)和對(duì)復(fù)制動(dòng)物的影響。

用于生物醫(yī)學(xué)研究的動(dòng)物種群，可按其遺傳成分和其環(huán)境被研究人員控制的程度，分為三種基本類型：⑴實(shí)驗(yàn)室類型，它們可提供最大程度的遺傳和環(huán)境操作；⑵家養(yǎng)類型，不論是鄉(xiāng)村或城市飼養(yǎng)的，人類對(duì)其干擾的程度不同，且動(dòng)物環(huán)境與人類環(huán)境可為能極為接近；⑶自然生態(tài)類型。幾乎沒(méi)有人為的干擾。可能某種動(dòng)物（嚙齒目、食肉目、兔形目）可按所有三類類型進(jìn)行研究，這就增加了對(duì)環(huán)境和遺傳因素作比較研究的可能性。在選用三類動(dòng)物種群復(fù)制動(dòng)物模型時(shí)，必須了解它們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可參考下表。

圖表: 不同類型的動(dòng)物種群的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

（三）注意環(huán)境因素對(duì)模型動(dòng)物的影響

復(fù)制模型的成敗往往與環(huán)境的改變有密切關(guān)系。擁擠、飲食改變、過(guò)度光照、噪音、屏障系統(tǒng)的破壞等，任何一項(xiàng)被忽視都可能給模型動(dòng)物帶來(lái)嚴(yán)重影響。除此以外，復(fù)制過(guò)程中固定、出血、麻醉、手術(shù)、藥物和并發(fā)癥等處理不當(dāng)，同樣會(huì)產(chǎn)生難以估量的惡果。因此，要求盡可能使模型動(dòng)物處于最小的變動(dòng)和最少的干擾之中。

(四)不能盲目地使用近交系動(dòng)物,不然會(huì)導(dǎo)致不能控制的因素進(jìn)入實(shí)驗(yàn)

例如自發(fā)性糖尿病大鼠(BB、Wistar)除具有糖尿病臨床特征外，還發(fā)現(xiàn)多種病理變化（外周神經(jīng)系統(tǒng)嚴(yán)重病變、睪丸萎縮、甲狀腺炎、胃潰瘍、惡性淋巴瘤等）。因此要有目的地選擇。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，近交系的開(kāi)發(fā)不斷提供著新的動(dòng)物模型材料，大、小鼠疾病作為模型在醫(yī)學(xué)使用量已高達(dá)70～90%。利用近交系作動(dòng)物模型時(shí)還必須認(rèn)識(shí)到：

1.動(dòng)物形成亞系后不應(yīng)該再視為同一品系。要充分了解新品系的特征和背景材料。

2.即使作為已形成模型的品系，由于不適當(dāng)?shù)挠�種方法和環(huán)境改變，還可發(fā)生新的基因突變和遺傳漂變；即存在著變種甚至斷種的危險(xiǎn)。

3．國(guó)外經(jīng)常取用二種近交系的雜交一代（F1）作為模型。其個(gè)體之間均一性好，對(duì)實(shí)驗(yàn)的耐受性強(qiáng)，又多少克服了近交系的缺點(diǎn)。但盲目引進(jìn)F1代動(dòng)物對(duì)復(fù)制所要求的模型是缺乏意義的。

（五）動(dòng)物進(jìn)化的高級(jí)程度并不意味著所有器官和功能接近于人的程度

復(fù)制動(dòng)物模型時(shí)，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量考慮選用與人相似、進(jìn)化程度高的動(dòng)物作模型。但不能因此就認(rèn)為進(jìn)化程度越高等的動(dòng)物其所有器官和功能越接近于人。例如，非人靈長(zhǎng)類誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化時(shí)，病變部位經(jīng)常在小動(dòng)脈、即使出現(xiàn)在大動(dòng)脈也與人類分布不同。據(jù)報(bào)導(dǎo)用鴿（White Gameau Pigeon）作這類模型時(shí)，胸主動(dòng)脈出現(xiàn)的黃斑面積可達(dá)10%，鏡下變化與人也比較相似，因此也廣泛被研究者使用。

（六）正確地評(píng)估動(dòng)物疾病模型

應(yīng)該懂得沒(méi)有一種動(dòng)物模型能完全復(fù)制人類疾病真實(shí)情況，動(dòng)物畢竟不是人體的縮影。模型實(shí)驗(yàn)只是一種間接性研究，只可能在一個(gè)局部或幾個(gè)方面與人類疾病相似。因此，模型實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性只是相對(duì)的，最終必須在人體身上得到驗(yàn)證。復(fù)制過(guò)程中一旦出現(xiàn)與人類疾病不同的情況，必須分析其分岐范圍和程度，找到相平行的共同點(diǎn)，正確評(píng)估哪些是有價(jià)值的。