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動物模型的分類


一、按產生原因分類

(一)自發性動物模型(Spontaneous Animal Models

是指實驗動物未經任何有意識的人工處置,在自然情況下所發生的疾病。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合成異常性疾病。如無胸腺裸鼠、肌肉萎縮癥小鼠、肥胖癥小鼠、癲癇大鼠、高血壓大鼠、無脾小鼠和青光眼兔等。它們為生物醫學研究 提供了許多有價值的動物模型。近交系的腫瘤模型隨實驗動物種屬、品系的不同,其腫瘤的發生類型和發病率有很大差異。

很多自發性動物模型在研究人類疾病時具有重要的價值,如自發性高血壓大鼠,中國地鼠的自發性真性糖尿病,小鼠的各種自發性腫瘤,山羊的家族性甲狀腺腫等。 利用這類動物疾病模型來研究人類疾病的最大優點,就是疾病的發生、發展與人類相應的疾病很相似,均是在自然條件下發生的疾病,其應用價值就很高,但是這類 模型來源較困難,不可能大量應用。由于誘發模型和自然產生的疾病模型是有一定差異的,如誘發的腫瘤和自發的腫瘤對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物身上誘發出來,因此,近年來十分重視對自發的動物疾病模型的開發,有的學者甚至對狗、貓的疾病進行大規模的普查,以發現 自發性疾病的病例,然后通過遺傳育種,將這種自發性疾病模型保持下來,并培育成具有特定遺傳性狀的突變系,以供研究。近年來許多動物遺傳病的模型就是通過 這樣的方法建立的。在這方面小鼠和大鼠的各種自發性疾病模型開發和應用得最多。這類模型在遺傳病、代謝病、免疫缺陷病、內分泌疾病和腫瘤等方面的應用正日 益增多。

(二)誘發性或實驗性動物模型(Experimental Animal Models

實驗性動物模型是指研究者通過使用物理的、化學的和生物的致病因素作用于動物,造成動物組織、器官或全身一定的損害,出現某些類似人類疾病時的功能、代謝 或毒使動物患相應的傳染病,又如用化學致癌劑、放射線、致癌病毒誘發動物的腫瘤等。誘發性疾病動物模型具有能在短時間內復制出大量疾病模型,并能嚴格控制 各種條件使復制出的疾病模型適合研究目的需要等特點,因而為近代醫學研究所常用,特別是藥物篩選研究工作所首選。但誘發模型和自然產生的疾病模型在某些方 面畢竟存在一定差異。因此在設計誘發性動物模型要盡量克服其不足,發揮其特點。

二、按系統范圍分類

(一)疾病的基本病理過程動物模型

這類動物疾病模型是指各種疾病共同性的一些病理變化過程的模型。致病因素在一定條件下作用于動物,使動物組織、器官或全身造成一定病理損傷,出現各種功 能、代謝和形成結構的變化,其中有些變化是各種疾病都可能發生的,不是各種疾病所特有的一些變化,如發熱、缺氧、水腫、炎癥、休克、彌漫性血管內凝血、電 解質紊亂、酸鹼平衡障礙等,我們稱之為疾病的基本病理過程。
(二)各系統疾病動物模型

是指與人類各系統疾病相應的動物型。如心血管、呼吸、消化、造血、泌尿、生殖、內分泌、神經、運動等系統疾病模型,還包括各種傳染病、寄生蟲病、地方病、維生素缺乏病、物理損傷性疾病、職業病和化學中毒性疾病的動物模型

三、按模型種類分類

疾病模型的種類包括整體動物、離體器官和組織、細胞株以至數模型。疾病的動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 動物模型的設計原則和注意事項

一、設計原則 

生物醫學科研專業設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制的實驗不可能或不應該在病人身上進行。常要依賴于復制動物模型,但一定要進行周密設計,設計時要遵循下列一些原
則。

(一)相似性

在動物身上復制人類疾病模型。目的在于從中找出可以推廣(外推)應用于病人的有關規律。外推法(Extrapolation)要冒風險,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,設計動物疾病模型的一個重要原則是,所復制的模型應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性疾病當然最好。例如日本人找到的大白鼠原發性高血壓就是研究人類原發性高血壓的理想模型,老母豬自發性冠狀動脈粥樣硬化是研究人類冠心病的理想模型;自發性狗類風濕性關節炎與人類幼年型類風濕性關節炎十分相似,也是一種理想模型,等等。
與人類完全相同的動物自發性疾病模型畢竟不可多得,往往需要人工加以復制。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構成也與人相似。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。例如結扎兔闌尾血管,固然可能使闌尾壞死穿孔并導致腹膜炎,但這與人類急性梗阻性闌尾炎合并穿孔和腹膜不一樣,如 果給兔結扎闌尾基部而保留原來的血液供應,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,動物內毒性性休克(Endotoxin Shock,單純給動物靜脈輸入細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,因此對動物內毒素性休克有效的療法長期以來不能被臨床醫生所采用。現在有人改向結扎膽囊動脈和膽管的動物膽囊中注入細菌,復制 人類感染性休克的模型,認為這樣動物既有感染又有內毒素中毒,就與臨床感染性休克相似。

為了判定所復制的模型是否與人相似,需要進行一系列的檢查。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,發現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,因此認為些法復制的模型是一種較理想的模型。同理,按中醫理 論用大黃喂小鼠使其出現類似人的脾虛癥,如果又按中醫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。

(二)重復性

理想的動物模型應該是可重復的,甚至是可以標準化的。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,這就符合可重復性和達到了標準化要 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,但狗結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扎,其后果很不一致,無法預測,無法標準化。相反,大小白鼠、地鼠和豚鼠結扎冠脈的后果就比較穩定一致,可以預測,因而可 以標準化。
為了增強動物模型復制時的重復性,必須在動物品種、品系、年齡、性別、體重、健康情況、飼養管理;實驗及環境條件,季節、晝夜節律、應激、室溫、濕度、氣 壓、消毒滅菌;實驗方法步驟;藥品生產廠家、批號、純度規格、給藥劑型、劑量、途徑、方法;麻醉、鎮靜、鎮痛等用藥情況;儀器型號、靈敏度、精確度;實驗 者操作技術熟練程度等等方面保持一致,因為一致性是重現性的可靠保證。
(三)可靠性

復制的動物模型來應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能、代謝、結構變化,應具備該種疾病的主要癥狀和體征,經化驗或光照片、心電圖、病理切片等證實。若易自發地出現某些相應病變的動物,就不應加以選用,易產生與復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相應的腎病變。

(四)適用性和可控性

供醫學實驗研究用的動物模型,在復制時,應盡量考慮到今后臨床應用和便于控制其疾病的發展,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?;岱⑾終廡┮┪錟苤罩?nbsp;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小時內死亡),來不及做實驗治療觀察,而且糞便劑量及細菌菌株不好控制,因此不能準確 重復實驗結果。
(五)易行性和經濟性

   在復制動物模型時,所采用的方法應盡量做到容易執行和合乎經濟原則。靈長類動物與人最近似,復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、豚鼠等也可以復制出十分近似的人類疾病模型。它們容易作到遺傳背景明確,體內微生物可加控制、模型 性顯著且穩定,年齡、性別、體重等可任意選擇,而且價謙易得、便于飼養管理,因此可盡量采用。除非不得已或一些特殊疾?。ㄈ緦〖?、脊髓灰白質炎等)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濟性原則外,而且在模型復制的方法上、指標的觀察上也都要注意這一原則。


二、注意事項

設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所要求的人類疾病

復制模型時必須強調從研究目的出發,熟悉誘發條件、宿主特征、疾病表現和發病機理,即充分了解所需動物模型的全部信息,分析是否能得到預期的結果。例如誘 發動脈粥樣硬化時,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在主動脈弓。病理表現為纖維組織和平滑肌增生為主,可有大量泡沫樣細胞 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、生化 學、病理學等方面與人類疾病之間的差異。要避免選用與人類對應器官相似性很小的動物疾病作為模型材料。為了增加所復制動物疾病模型與人類疾病的相似性,應 盡量選用各種敏感動物與人類疾病相應的動物模型,可參考相關文章《各種敏感動物與人類相似的疾病模型》。

(二)注意所選用動物的實用價值

模型應適用于多數研究者使用,容易復制,實驗中便于操作和采集各種標本。同時應該首選一般飼養員較熟悉而便于飼養的動物作研究對象,這樣,就無需特殊的飼養設施和轉運條件,經濟上和技術上容易得到保證。

此外,動物來源必須充足,選用多胎分娩的動物對擴大樣本和重復實驗是有益的。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癥。
野生動物在自然環境中觀察有助于正確評價自然發病率和死亡率。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制動物的影響。

用于生物醫學研究的動物種群,可按其遺傳成分和其環境被研究人員控制的程度,分為三種基本類型:實驗室類型,它們可提供最大程度的遺傳和環境操作;家 養類型,不論是鄉村或城市飼養的,人類對其干擾的程度不同,且動物環境與人類環境可為能極為接近;自然生態類型。幾乎沒有人為的干擾??贍苣持侄錚?nbsp;齒目、食肉目、兔形目)可按所有三類類型進行研究,這就增加了對環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制動物模型時,必須了解它們各自 的優點和缺點,可參考下表。
圖表:   不同類型的動物種群的優點和缺點  

(一)實驗室種群

                                          


1.連續飼養和記錄                  1.生活于人工環境


2.觀察迅速                           2.標準日糧


3.個體眾多                           3.宿主體型大小和疾病的急性本質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的疾病


5.標化的環境和/或遺傳組成:

近交、小鼠、大鼠、豚鼠、雞


6.在癌癥研究領域中可用于

傳播性和移植性腫瘤

 

7.有基本的生化、生理、病理資料

 

(二)家養動物種群

 優                                            

1.生活于與人類相似或相同的環境    1.飼養:空間、價格、管理、安全


2.發病率??殺冉?/font>                         2.實驗對象損失:屠宰


3.可研究自然途徑感染的自發性疾病  3.疾病記錄和報導極有限


4.短時間內經歷疾病的全過程           4.可用的免疫學資料有限


5.很適于臨床研究

 
6.有無限制的生前和死后標本

 
7.可能進行傳播研究

 
8.在種群中疾病頻率既有升高

也有降低

 
(三)野生動物種群

 優                                           


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               2.關于模型動物的基本資料有限周期(非偶然的)


3.允許測定自然條件下的因素:       3.難以在實驗條件下飼養

1)預后(2)監測                          4.帶有對家畜和人有潛在危險性的人畜互傳疫病原


(三)注意環境因素對模型動物的影響

復制模型的成敗往往與環境的改變有密切關系。擁擠、飲食改變、過度光照、噪音、屏障系統的破壞等,任何一項被忽視都可能給模型動物帶來嚴重影響。除此以 外,復制過程中固定、出血、麻醉、手術、藥物和并發癥等處理不當,同樣會產生難以估量的惡果。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。

()不能盲目地使用近交系動物,不然會導致不能控制的因素進入實驗 

例如自發性糖尿病大鼠(BB、Wistar)除具有糖尿病臨床特征外,還發現多種病理變化(外周神經系統嚴重病變、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。半個世紀以來,近交系的開發不斷提供著新的動物模型材料,大、小鼠疾病作為模型在醫學使用量已高達7090%。利用近交系 作動
物模型時還必須認識到:

1.動物形成亞系后不應該再視為同一品系。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,由于不適當的育種方法和環境改變,還可發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F1代動物對復制所要求的模型是缺乏意義的。

(五)動物進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

復制動物模型時,在條件允許的情況下,應盡量考慮選用與人相似、進化程度高的動物作模型。但不能因此就認為進化程度越高等的動物其所有器官和功能越接近于 人。例如,非人靈長類誘發動脈粥樣硬化時,病變部位經常在小動脈、即使出現在大動脈也與人類分布不同。據報導用鴿(White Gameau Pigeon)作這類模型時,胸主動脈出現的黃斑面積可達10%,鏡下變化與人也比較相似,因此也廣泛被研究者使用。
(六)正確地評估動物疾病模型

應該懂得沒有一種動物模型能完全復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,模型實驗結論的正確性只是相對的,最終必須在人體身上得到驗證。復制過程中一旦出現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。