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。例如鉛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 | 海豹、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 | 蛙 | 染色體畸變 |
先天性紅細(xì)胞血卟啉癥 | 狐、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 | 狨猴 | 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、貓、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 | 狗 | 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 | 烏龜,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 | 北京金絲雀 | 瘧疾 |
母親和胎兒血循環(huán) | 矮山羊 | 母親和胎兒血循環(huán) |
接觸傳染性軟疣 | 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 |
腫瘤病 | 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 | 蛙 | 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)不能盲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。