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您現(xiàn)在的位置: 醫(yī)學(xué)全在線 > 理論教學(xué) > 基礎(chǔ)學(xué)科 > 醫(yī)用實驗動物學(xué) > 正文:動物模型的設(shè)計原則和注意事項
    

動物模型的設(shè)計原則和注意事項

  一、設(shè)計原則

  生物醫(yī)學(xué)科研專業(yè)設(shè)計中常要考慮如何建立動物模型的問題,因為很多闡明疾病及療效機(jī)制的實驗不可能或不應(yīng)該在病人身上進(jìn)行。常要依賴于復(fù)制動物模型,但一定要進(jìn)行周密設(shè)計,設(shè)計時要遵循下列一些原則。

 。ㄒ)相似性

  在動物身上復(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,因為動物與人到底不是一種生物。例如在動物身上無效的藥物不等于臨床無效,反之也然。因此,設(shè)計動物疾病模型的一個重要原則是,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,還要在實踐中對方法不斷加以改進(jìn)。例如結(jié)扎闌尾血管,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。

  如果動物型與臨床情況不相似,在動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,動物內(nèi)毒性性休克(Endotoxin Shock,單純給動物靜脈輸入細(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,因此對動物內(nèi)毒素性休克有效的療法長期以來不能被臨床醫(yī)生所采用,F(xiàn)在有人改向結(jié)扎膽囊動脈和膽管的動物膽囊中注入細(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。例如有人檢查了動物壓、脈率、靜脈壓、呼吸頻率、動脈血pH、動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”的動物模型。

 。ǘ)重復(fù)性

  理想的動物模型應(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,因為它的冠狀動脈循環(huán)與人相似,而且在實驗動物中它最適宜做暴露心臟的剖胸手術(shù),但狗結(jié)扎冠狀動脈的后果差異太大,不同狗同一動脈同一部位的結(jié)扎,其后果很不一致,無法預(yù)測,無法標(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,因而可以標(biāo)準(zhǔn)化。

  為了增強動物模型復(fù)制時的重復(fù)性,必須在動物品種、品系、年齡、性別、體重、健康情況、飼養(yǎng)管理;實驗及環(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;實驗方法步驟;藥品生產(chǎn)廠家、批號、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、靈敏度、精確度;實驗者操作技術(shù)熟練程度等等方面保持一致,因為一致性是重現(xiàn)性的可靠保證。

 。ㄈ)可靠性

  復(fù)制的動物模型來應(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)化驗或X光照片、心電圖、病理切片等證實。若易自發(fā)地出現(xiàn)某些相應(yīng)病變的動物,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。例如中毒可用大白鼠做模型,但有缺點,因為它本身容易患動物地方性肺炎及進(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,因為一般只有鉛中毒才會使它出現(xiàn)相應(yīng)的腎病變。

 。ㄋ)適用性和可控性

  供醫(yī)學(xué)實驗研究用的動物模型,在復(fù)制時,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,因為在大鼠和小鼠篩選帶有雌激素活性的藥物時,常常會發(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,如果知道一個化合物具有雌激素活,用這個化合物在大鼠或小鼠觀察終止妊娠的作用是沒有意義的。又如選用大小鼠作作實驗性腹膜炎就不適用,因為它們對革蘭氏陰性細(xì)菌具有較高的抵抗力,很不容易造成腹膜炎。有的動物對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%24小時內(nèi)死亡),來不及做實驗治療觀察,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)實驗結(jié)果。

 。ㄎ)易行性和經(jīng)濟(jì)性

  在復(fù)制動物模型時,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。靈長類動物與人最近似,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,更不用說猩猩、長臂猿。幸好很多小動物如大小鼠、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,盡量不用靈長類動物。除了在動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

  研究者的設(shè)計動物模型時除了要了解掌握上述一些原則外,還要注意下列一些問題:

   (一)注意模型要盡可能再現(xiàn)所要求的人類疾病

  復(fù)制模型時必須強調(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)動脈粥樣硬化時,草食類動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,各種動物所需的誘發(fā)劑量、宿主年齡、性別和遺傳性狀等對實驗的影響,以及動物疾病在組織學(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應(yīng)器官相似性很小的動物疾病作為模型材料。為了增加所復(fù)制動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物與人類疾病相應(yīng)的動物模型,可參考表9-1。

表9-1 各種敏感動物與人類相似的疾病模型

動 物 !⌒ 動 物 種 類 相應(yīng)人類的疾病
阿留申(Aleutian)病 水貂類 多發(fā)性骨髓瘤
淀粉樣變性 北京鴨 淀粉樣變性
動脈粥樣硬化 松鼠、猴、鴿、狒狒
黑猩猩 Aoudad
動脈粥樣硬化
房中隔缺陷 黑猩猩 房間隔缺損
自家免疫性疾病 新西蘭黑色小鼠 散播性紅斑狼瘡
Sjogren氏綜合征
Waldenstrom氏巨球蛋白癥
脫發(fā)癥/雄鼠模型 獼猴肢末 脫發(fā)癥/男性
心血管疾病 土拔鼠 心血管疾病
白內(nèi)障 、海獅子、沙鼠 白內(nèi)障
小腦發(fā)育不全 雪貂 小腦發(fā)育不全
腦血管疾病 土拔鼠 腦血管疾病
Chastek氏麻痹癥
(一種維生素B1缺乏癥)
水貂 維生素B1缺乏病
染色體畸變 染色體畸變
先天性紅細(xì)胞血卟啉癥 、松鼠 先天性紅細(xì)胞血卟啉癥
多尿癥 黑色類人猿 多尿癥
糖尿病 中國地鼠、沙鼠 糖尿病
二糖(乳糖)利用差 海獅子 二糖利用差
眼病 非洲綠猴、狒、狒、海貂、海獅 動脈瘤
分葉動脈瘤 火雞 暴死
Diving反應(yīng) 海貂、海獅 Ehlers-Danlos氏征候群
Ehlers-Danlos氏癥候群(原始膠原缺乏) 水貂 橢園紅細(xì)胞病
橢園紅細(xì)胞病 紅褐色美洲駝  
腦病、類羊搔癢病 水貂 Kurn Crentzfeidt-Jakob
自發(fā)性高血壓 黑猩猩 綜合征
家族性貧血 Basenje 遺傳性球形紅細(xì)胞癥
有規(guī)律地形成兄弟雙胞胎 雙胞胎
真菌感染 蝙蝠 真菌感染
胃腸道寄生蟲和治療 白鰱、猴、Leaf 寄生蟲病
悉生動物研究 兔、豬、大鼠、炎雞  
  雞、羔羊、、狗、猴 疾病的發(fā)病機(jī)理
Grand-mal癲癇發(fā)作 Gerbil 癲癇
內(nèi)芽腫病 Boxer 潰瘍性結(jié)腸炎
結(jié)腸炎 腸炎
中暑 Coypu 中暑
肝炎 黑猩猩 病毒性肝炎
病毒性肝炎 火雞、北京鴨 病毒性肝炎
肝癌 虹鱒、真鱒 肝癌
遺傳性耳聾 水貂 耳聾
遺傳性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良 水貂 家族異染性的腦白質(zhì)營養(yǎng)不良
遺傳性腦白質(zhì)黑變病 水貂 Chediak-Higashi綜合征
遺傳性肌萎縮 北京鴨、火雞 肌萎縮
遺傳性球形紅細(xì)胞癥 鹿、小鼠 球形紅細(xì)胞癥
兩性畸形 水貂 兩性畸形
皰疹 火雞 皰疹感染
皰疹誘發(fā)性淋巴瘤 火雞 淋巴瘤
腦積水 水貂 腦積水
多骨質(zhì)骨肥厚 ,長尾小鸚鵡 多骨性骨肥厚
非溶血性高膽紅素血癥 Gunn大鼠 Crgler-Najjar綜合征
炎癥 悉生動物 炎癥
流行性感冒 雪貂 流感
實驗性家族遺傳性中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性病 黑猩猩 家族遺傳性中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性病
脂肪血癥 蒙古沙土鼠 脂肪血癥
巨噬細(xì)胞“泡沫狀”脂沉積癥 烏龜、長尾小鸚鵡 脂肪貯藏性疾病
李司忒氏菌病 Lemming 李司忒氏菌病
淋巴瘤 沙土鼠 淋巴瘤
淋巴肉瘤 蟾蜍、蠑螈、Boxer狗 Hodgkin氏病
吸收障礙綜合征(灰色便) 水貂 吸收障礙
瘧疾 北京金絲 瘧疾
母親和胎兒血循環(huán) 山羊 母親和胎兒血循環(huán)
接觸傳染性軟 黑猩猩 接觸傳染性軟疣
增生物鑒別 犰狳(九條紋)、真鱒 雜核單卵性變胎
肌營養(yǎng)不良 火雞、小鴨 肌營養(yǎng)不良
腫瘤 土拔鼠、小鼠、Mulei-mammate 腫瘤
骨軟化 鼯鼠 骨軟化
寄生蟲感染 蝙蝠 寄生蟲感染
色素沉著肝病 吼猴 肝細(xì)胞黑色素沉著
漿細(xì)胞增多癥 水貂 漿細(xì)胞增多癥
脊髓灰質(zhì)炎 Lemming 脊髓灰質(zhì)炎
多尿癥 中國地鼠 糖尿病
肺腺瘤 灰鼠 肺腺瘤
狂犬病 吸血蝙蝠(鼠蝠)、蝙蝠 狂犬病
腎臟腺肉瘤 腎臟腺肉瘤
生殖生物學(xué) 狒狒、蛙、蟾蜍、蝙蝠 生殖
類風(fēng)濕病因素 吼猴 類風(fēng)濕病因素
肉瘤 花金屬SPP 肉瘤
性染色體異常 水貂、狨猴 性染色體異常
體內(nèi)紅細(xì)胞鐮狀細(xì)胞素變質(zhì) 白尾鹿 鐮狀細(xì)胞貧血
軀體分離(抗體形成) 鳥、魚、Pesomyscus、SPP 軀體分隔(抗體形成)
弓形體病 地松鼠、鼠猴、貓 弓形體病
兔熱病 Lemming 兔熱病
潰瘍性結(jié)腸炎 黑猩猩 潰瘍性結(jié)腸炎
尿失禁 水貂 尿結(jié)石
病毒性誘發(fā)網(wǎng)狀組織疾病 美國阿留申群島水貂
新西蘭小鼠
網(wǎng)狀組織病

   (二)注意所選用動物的實用價值

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

  此外,動物來源必須充足,選用多胎分娩的動物對擴(kuò)大樣本和重復(fù)實驗是有益的。尤其對慢性疾病模型來說,動物須有一定的生存期,便于長期觀察使用,以免模型完成時動物已頻于死亡或斃于并發(fā)癥。

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

  用于生物醫(yī)學(xué)研究的動物種群,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實驗室類型,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,人類對其干擾的程度不同,且動物環(huán)境與人類環(huán)境可為能極為接近;⑶自然生態(tài)類型。幾乎沒有人為的干擾?赡苣撤N動物(嚙齒目、食肉目、兔形目)可按所有三類類型進(jìn)行研究,這就增加了對環(huán)境和遺傳因素作比較研究的可能性。在選用三類動物種群復(fù)制動物模型時,必須了解它們各自的優(yōu)點和缺點,可參考表9-2。

表9-2  不同類型的動物種群的優(yōu)點和缺點

優(yōu) 點 缺 點
(一)實驗室種群  
1.連續(xù)飼養(yǎng)和記錄 1.生活于人工環(huán)境
2.觀察迅速 2.標(biāo)準(zhǔn)日糧
3.個體眾多 3.宿主體型大小和疾病的急性本質(zhì)不太適用于臨床或研究
4.生命周期短 4.一般涉及人工誘發(fā)的疾病
5.標(biāo)化的環(huán)境和/或遺傳組成:近交、小鼠、大鼠、豚鼠、雞  
6.在癌癥研究領(lǐng)域中可用于傳播性和移植性腫瘤  
7.有基本的生化、生理、病理資料  
(二)家養(yǎng)動物種群  
1.生活于與人類相似或相同的環(huán)境 1.飼養(yǎng):空間、價格、管理、安全
2.發(fā)病率?杀容^ 2.實驗對象損失:屠宰
3.可研究自然途徑感染的自發(fā)性疾病 3.疾病記錄和報導(dǎo)極有限
4.短時間內(nèi)經(jīng)歷疾病的全過程 4.可用的免疫學(xué)資料有限
5.很適于臨床研究  
6.有無限制的生前和死后標(biāo)本  
7.可能進(jìn)行傳播研究  
8.在種群中疾病頻率既有升高也有降低  
(三)野生動物種群  
1.容許估計自然條件下疾病的頻率 1.疾病記錄和報告極有限
2.揭示自然條件下的正常周期(非偶然的) 2.關(guān)于模型動物的基本資料有限
3.允許測定自然條件下的因素: 3.難以在實驗條件下飼養(yǎng)
(1)預(yù)后(2)監(jiān)測 4.帶有對家畜和人有潛在危險性的人畜互傳疫病原

 。ㄈ)注意環(huán)境因素對模型動物的影響

  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、過度光照、噪音、屏障系統(tǒng)的破壞等,任何一項被忽視都可能給模型動物帶來嚴(yán)重影響。除此以外,復(fù)制過程中固定、出血、麻醉、手術(shù)、藥物和并發(fā)癥等處理不當(dāng),同樣會產(chǎn)生難以估量的惡果。因此,要求盡可能使模型動物處于最小的變動和最少的干擾之中。

  (四)不能目地使用近交系動物,不然會導(dǎo)致不能控制的因素進(jìn)入實驗

  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。半個世紀(jì)以來,近交系的開發(fā)不斷提供著新的動物模型材料,大、小鼠疾病作為模型在醫(yī)學(xué)使用量已高達(dá)70~90%。利用近交系作動物模型時還必須認(rèn)識到:

  1.動物形成亞系后不應(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N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。

  3.國外經(jīng)常取用二種近交系的雜交一代(F1)作為模型。其個體之間均一性好,對實驗的耐受性強,又多少克服了近交系的缺點。但盲目引進(jìn)F1代動物對復(fù)制所要求的模型是缺乏意義的。

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

  復(fù)制動物模型時,在條件允許的情況下,應(yīng)盡量考慮選用與人相似、進(jìn)化程度高的動物作模型。但不能因此就認(rèn)為進(jìn)化程度越高等的動物其所有器官和功能越接近于人。例如,非人靈長類誘發(fā)動脈粥樣硬化時,病變部位經(jīng)常在小動脈、即使出現(xiàn)在大動脈也與人類分布不同。據(jù)報導(dǎo)用鴿(White Gameau Pigeon)作這類模型時,胸主動脈出現(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。

 。)正確地評估動物疾病模型

  應(yīng)該懂得沒有一種動物模型能完全復(fù)制人類疾病真實情況,動物畢竟不是人體的縮影。模型實驗只是一種間接性研究,只可能在一個局部或幾個方面與人類疾病相似。因此,模型實驗結(jié)論的正確性只是相對的,最終必須在人體身上得到驗證。復(fù)制過程中一旦出現(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,正確評估哪些是有價值的。

  總之,動物疾病模型這門新興的科學(xué)正吸引著各個領(lǐng)域?qū)I(yè)人員投身于這項開發(fā)工作。無論醫(yī)學(xué)家、獸醫(yī)學(xué)家還是生物學(xué)家,要復(fù)制動物模型還必須學(xué)習(xí)有關(guān)知識,精于選用已知的各種模型和開發(fā)新的模型,這也應(yīng)該是研究者的一項基本技能。

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