第七章 人类疾病的动物模型.docx

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第七章人类疾病的动物模型

第七章人类疾病的动物模型

第一节动物模型的概念及意义

一.概念

人类疾病的动物模型（animalmodelofhumandisease）是生物医学科学研究中所建立的具有人类疾病模拟性表现的动物实验对象和材料。

动物疾病模型在机能实验的各学科中广泛应用，应用于实验生理学、实验病理学和实验治疗学（包括新药筛选）的研究。

人类疾病的发展十分复杂，依靠临床经验的积累存在时间和空间上的局限性，而且以人本身作为实验对象探讨疾病的发生机制，在道义上和方法上也受到限制。

通过在动物身上复制出人类疾病的类似表现，控制一些在自然条件下不可能或不易排除的因素，准确地观察疾病模型的实验结果并与相应的人类疾病进行比较研究，以便认识疾病的发生发展机制、形态结构和机能代谢变化及其规律，研究防治措施，治疗和控制人类的相关疾病。

二.动物模型在生物医学中的意义

（一）提供了临床不易获得的资料

一些不常见的疾病，如放射病、毒气中毒、烈性传染病等，临床研究中很难收集到一定数量的资料。

临床上对外伤、中毒、肿瘤病因等研究也是困难的，甚至是不可能的，如急性或慢性呼吸系统疾病的研究很难重复环境污染的作用；辐射对机体的损伤也不可能在人身上反复实验。

此时选择动物作为人类的替难者，在人为设计的实验条件下反复观察和研究。

应用动物模型，除克服了在人类研究中遇到的理论和社会限制外，为了获得研究必需的资料，还容许采用某些不能应用于人类的方法学途径，甚至可以损伤动物的组织和器官，或者处死动物。

（二）弥补了某些疾病潜伏期和病程长、发病率低的缺点

临床上一些遗传性、免疫性、代谢性和内分泌等疾病在临床上的发病率较低，还有一些疾病的潜伏期很长，很难进行研究，如肿瘤、慢性气管炎、肺心病、高血压等疾病的发生发展很缓慢，有些致病因素需要隔代甚至几代才能显示出来，使研究人员很难在一定的时间内从临床观察中获得所需资料。

人们可以根据这些疾病的特性，选用动物种群中发病率高的动物，复制疾病模型，并使用特殊的方法，提高这些病种的发病率，缩短潜伏期和病程，在人为设计的实验条件下反复观察和研究，甚至可进行多世代的长期观察，便于研究人员获得大量的资料。

许多动物由于生命周期很短，在实验室中观察几十代是可以实现的，如使用微生物作为研究对象，甚至可以观察几百代。

（三）增强了方法学上的可比性

人类疾病的发生发展受诸多因素的影响，如患者的年龄、性别、遗传、生活习惯、职业、精神和心理因素等，另外一般疾病多为零散发生，在一段时间内，很难获得一定数量的定性材料。

动物模型是人类疾病的“复制品”。

根据实验的要求，研究者可以有意识地选择相同品种、品系、性别、年龄、体重、活动性、健康状态、甚至遗传和微生物等方面严加控制的各种等级的标准实验动物，“批量”地复制疾病的动物模型，严格控制饲养、环境、微生物、营养等各种实验条件，限制实验的可变因子，并排除研究过程中不必要因素的影响，通过施加的物理、化学或生物等处理因素的作用后，按需要随时采集各种样品或分批处死动物收集标本，取得条件一致的、数量较大的模型材料，提高实验结果的可比性和重复性，使实验研究的成果更准确更深入，以了解疾病全过程，这是临床研究难于实现的。

（四）有助于全面认识疾病的本质

已知许多病原体除人以外也能引起多种动物的感染，其症状体征表现可能不完全相同。

因此，仅限于在临床上研究疾病的本质难免带有一定局限性。

利用动物模型比较研究人畜共患疾病，可以充分认识同一病原体（或病因）对不同机体带来的各种损害，在立体的水平揭示某种疾病的本质，从而更有利于解释人体所发生的一切病理变化。

动物疾病模型的另一个富有意义的用途是能够细致地观察环境或遗传因素对疾病发生发展的影响，这是临床上是难以办到的，但对于全面认识疾病的本质有着重要的意义。

第二节动物模型的分类

一.按产生原因分类

（一）自发性动物模型

自发性动物模型（naturallyoccurringorspontaneousanimalmodels）是指未经任何有意识的人工处置，实验动物在自然情况下所发生的疾病，包括突变系的遗传疾病和近交系的肿瘤疾病模型。

突变系的遗传疾病有很多种，分为代谢性疾病、分子疾病和特种蛋白质合成异常性疾病，如无胸腺裸鼠、肌肉萎缩症小鼠、肥胖症小鼠、癫痫大鼠、高血压大鼠、无脾小鼠和青光眼兔等。

随实验动物种属和品系的不同，近交系肿瘤模型的肿瘤发生类型和发病率有很大差异。

自发性动物模型在研究人类疾病时具有重要的价值，具有其独特的优点，但同时也存在明显的缺点。

其最大优点就是疾病的发生、发展与人类相应的疾病很相似，均是在自然条件下发生的，应用价值很高，较广泛应用于遗传性疾病、免疫缺陷病、肿瘤等方面的研究，如自发性高血压大鼠，中国地鼠的自发性真性糖尿病，小鼠的各种自发性肿瘤，山羊的家族性甲状腺肿等。

但是这类模型的来源较困难，这些动物所要求的饲养条件颇高，价格较为昂贵，不可能大量应用，难以获得足够的实验材料。

由于有些人类的疾病至今尚不能在动物身上诱发出来，加之诱发模型和自然产生的疾病模型存在一定差异，如诱发的肿瘤和自发的肿瘤对药物的敏感性不同。

因此，近年来十分重视自发性动物疾病模型的开发和应用，方法包括对动物的疾病进行大规模普查，发现自发性疾病的病例，然后通过遗传育种保持这种自发性疾病模型，并培育成具有特定遗传性状的突变系，以供实验研究中应用。

（二）诱发性或实验性动物模型

诱发性或实验性动物模型（inducedorexperimentalanimalmodels）是通过物理、生物、化学等致病因素的作用，人为诱发出的具有类似人类疾病特征的动物模型。

诱发性动物模型的优点是实验条件容易控制、重复性好、短时间内复制出大量疾病模型，而且制作方法也比较简便，因而被广泛用于药物筛选、毒理、传染病、肿瘤和病理机制等方面的研究。

但实验性动物模型是通过人为诱发的方式产生的，与自然产生的疾病模型以及临床所见自然发生的疾病存在一定差异，况且如前所述，许多人类疾病目前还不能用人工诱发的方法复制，因而有一定的局限性。

因此在设计诱发性动物模型要尽量克服其不足，发挥其特点。

二.按发病范围分类

（一）基本病理过程的动物模型

基本病理过程的动物模型是指各种疾病共有的一些病理变化过程的模型。

致病因素诱发动物的组织、器官或全身出现功能、代谢和形态结构的变化，这些变化是多种疾病都可能发生的，即疾病的基本病理过程，如发热、缺氧、水肿、炎症、休克、弥漫性血管内凝血、电解质紊乱、酸硷平衡紊乱等。

本章节中将举例介绍某些基本病理过程的疾病模型。

（二）各系统疾病的动物模型

是指诱发的与人类各系统疾病相对应的动物模型。

如心血管、呼吸、消化、造血、泌尿、生殖、内分泌、神经、运动等系统疾病的模型。

本章节中将举例介绍某些系统的疾病模型。

此外，各系统疾病的动物模型还应包括各种传染病、寄生虫病、地方病、维生素缺乏病、物理损伤性疾病、职业病和化学中毒性疾病的动物模型。

三.按模型种类分类

广义的疾病模型种类包括整体动物、离体器官和组织、细胞株乃至数学模拟模型。

疾病的动物模型是常用的疾病模型之一，也是研究人类疾病的常用手段。

本书着重介绍整体动物、离体器官和组织的疾病模型。

第三节动物模型的设计原则和注意事项

一.设计原则

（一）相似性

如果能够找到与人类疾病相同的动物的自发性疾病是最理想的，但是这类疾病模型毕竟是少数，研究中往往需要人工复制，即诱发性动物模型。

复制人类疾病动物模型的目的是通过模型的研究，找出可以推广（外推）应用于病人的有关规律。

前已叙述，动物模型与人类疾病在许多方面不完全相符，因此外推法（extrapolation）是要冒风险的。

因此，设计动物疾病模型的一个重要原则就是，复制的动物模型应尽可能地与人类疾病的情况相似。

遵循相似性的原则，应该做到以下几点：

①注意动物的选择（详见第四节）。

②实践中不断改进实验方法。

例如，单纯静脉输入细菌及其毒素所致的动物内毒素性休克（endotoxinshock）与临床感染性（脓毒性）休克（septicshock）不完全一样，因此实验中验证的对动物内毒素性休克有效的疗法长期以来不能应用于临床。

将实验方法改为结扎动物的胆囊动脉和胆管，再将细菌注入该动物的胆囊，使动物既有感染又有内毒素中毒，提高了复制模型与临床感染性休克的相似度。

③进行必要的检测。

例如一次定量放血法造成的动物休克模型与临床出血性休克十分相似，是一种较理想的模型。

该模型的建立和广泛使用就是在检查了动物血压、脉率、静脉压、呼吸频率、血pH、动脉氧分压和二氧化碳分压、静脉血乳酸盐浓度以及血容量等一系列指标后确定的。

（二）重复性

诱发性动物模型的优点之一即是重复性好，因此应该确保动物模型的可重复性，并争取做到标准化。

例如一次定量放血法可以百分之百地造成动物出血性休克，这就符合重复性的原则，甚至达到了标准化的要求。

为了增强动物模型的重复性，必须在动物（品种、品系、年龄、性别、体重、健康情况、饲养管理等）、实验方法步骤、药品（厂家、批号、纯度规格、给药剂型、剂量、途径、方法）、实验者技术熟练程度等等方面保持一致，因为一致性是实现重复性和达到标准化的可靠保证。

（三）可靠性

复制的动物模型力求特异地、可靠地反映人类疾病，具备该种疾病的主要症状和体征，或某种机能、代谢或结构的变化。

为了确保模型的可靠性。

以下2种动物不宜选用：

①容易自发地出现某些相应病变的动物；②容易产生与复制疾病相混淆疾病的动物。

例如大白鼠容易患动物进行性肾病，使用大白鼠复制铅中毒模型时，不易确定该肾病是铅中毒所致还是它本身的疾病所致。

（四）适用性和可控性

复制动物模型时，应充分考虑适合今后的临床应用和利于控制疾病的发展。

例如大鼠和小鼠对革兰氏阴性细菌具有较高的抵抗力，使用革兰氏阴性细菌诱发动物的实验性腹膜炎时，就不宜选用大、小鼠。

采用腹腔注射粪便滤液诱发狗的腹膜炎模型时，由于难以控制粪便剂量及细菌菌株，不能准确地重复实验结果，加之，狗对诱发腹膜炎的某致病因子特别敏感，80%在24小时内死亡，来不及进行实验观察，因此也不适用。

（五）易行性和经济性

在复制动物模型时，选择动物的种类、模型复制的方法和指标的观察时，还应考虑易行性和经济性。

例如，复制灵长类动物的疾病模型与人的相似性最好，但这类动物稀少昂贵；一些小动物如大小鼠、地鼠、豚鼠等的遗传背景和体内微生物可加以控制，年龄、性别、体重等可以任意选择，而且价廉易得、便于饲养管理，关键是也可以复制出与人类疾病十分近似的模型，因此设计模型时应尽量采用这些动物。

二.注意事项

（一）要尽可能再现所复制的人类疾病

为了增加所复制动物疾病模型与人类疾病的相似性，要避免选用与人类对应器官相似性很小的动物疾病作为模型材料，应尽量选用与人类疾病相应的各种敏感动物。

复制动物模型之前，要求模型设计者充分了解所需动物模型的全部信息，包括动物所需的诱发剂的剂量，动物年龄、性别和遗传性状等对实验的影响，以及动物疾病在组织学、生化学、病理学等方面与人类疾病之间的异同，进而分析是否能得到预期的结果。

（二）所选用动物和模型的实用价值

所选动物和模型的实用价值应考虑以下几点：

①动物便于饲养，无需特殊的饲养设施，经济上和技术上容易得到保证；②动物来源必须充足，便于进行重复实验。

复制慢性疾病模型时，还需考虑动物应有一定的生存期，以便进行长期观察；③选用的模型容易复制，实验操作简单，采集各种标本方便，能够被多数研究者使用。

（三）环境因素对模型动物的影响

动物所处环境的改变往往影响复制模型的成败，过度光照、拥挤、噪音、饮食的改变、模型复制过程中动物的固定、出血以及手术过程中的麻醉、药物和并发症处理不当等等，都可能给模型动物带来严重影响。

因此，要尽可能地把模型动物的环境变动和干扰减到最小。

（四）不要盲目使用近交系动物

近交系动物的开发为实验研究不断提供新的动物模型材料，大、小鼠疾病模型在医学实验中的使用量高达70～90%。

但是盲目使用近交系动物，可能会导致不能控制的因素进入实验。

例如由于育种方法的不适当和环境的改变，使一些已形成模型的品系发生新的基因突变和遗传漂变，即存在着变种甚至断种的危险。

（五）慎重选择动物的进化程度

如条件允许，复制动物模型时，应尽量考虑选用与人相似、进化程度高的动物作模型，但是动物的进化程度越高，并不意味着其所有的器官和功能越接近于人。

例如，采用灵长类动物诱发动脉粥样硬化时，病变部位就经常出现在小动脉，即使出现在大动脉也与人类的分布不同。

（六）正确地评估动物疾病模型

所有的动物模型均不能完全复制人类疾病的真实情况，只能在某个局部或几个方面与人类疾病相似。

因此，模型实验只是一种间接性研究，研究结论的正确性也是相对的，必须最终在人类疾病的诊治中得到验证。

第四节实验动物的选择和应用

一.选择实验动物的原则

（一）选择与人体结构、机能、代谢及疾病特征相似的动物

根据实验类型和目的不同，需要从多方面考虑。

从进化的角度，猩猩和猴与人类最接近；外科手术操作性实验中，选用猪或狗等大动物比用大鼠、小鼠在操作实感上更接近于人类；家兔对体温的变化十分敏感，选用家兔进行发热和检查热原的实验研究最合适，而大鼠、小鼠体温调节不稳定，不宜选用。

（二）选用结构简单又能反映研究指标的动物

在保证能够反映实验指标的情况下，尽量选用结构和功能简单的动物。

例如果蝇是遗传学研究的绝好材料，是因为果蝇的生活史短（12天左右）、饲养简便、染色体数少（只有4对）、唾腺染色体的制作容易。

如果选择灵长类动物进行该类实验，其难度是可以想象的。

（三）选择适龄的实验动物

慢性实验或观察动物的生长发育，应选择幼龄动物；老年医学研究，则选用老龄动物；一般实验应选用成年动物。

在观察缺氧耐受性的实验中，同时选择了新生小鼠和老年小鼠进行实验，观察年龄因素在缺氧耐受性中的作用。

常用实验动物成年体重见表7-1。

表7-1常用实验动物成年体重

     ──────────────────────────────────────────────────

       动物   小鼠    大鼠     豚鼠    家兔     猫      狗

     ──────────────────────────────────────────────────

       体重  18-28g 180-280g 350-650g  2-3kg 1.5-2.5kg 9-15kg

     ──────────────────────────────────────────────────

（四）选择易获得、经济、易饲养管理的动物

遵循目前国际上的“3个R”的原则：

Reduction（减少）、Replacement（替代）和Refinement（优化）。

这个原则的中心意思是，尽量减少动物实验的次数和使用动物的数量；尽可能使用替代物和善待动物；使实验设计尽善尽美。

能用小动物的不用大动物，能用低等动物的不用高等动物。

二.选择实验动物时应注意的问题

（一）年龄、体重

1．年龄实验动物的寿命各不相同，应根据实验的目的，注意实验动物之间、实验动物与人之间的年龄对应，以便进行分析和比较，选用恰当的实验动物。

表7-2是狗与人的年龄对应表。

表7-2狗与人的年龄对应

   ────────────────────────────────────────────────────

年龄对应（年）

   ───────────────────────────────────────────────────

   狗 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

   人1524283440424448 5256 60 64 68 72 76 80

───────────────────────────────────────────────────

2．体重

动物的体重与年龄、品种、品系密切相关，表7-3是不同日龄、2种品系小鼠的体重情况。

表7-3不同日龄小鼠的体重情况

   ─────────────────────────────────────────────

               昆明                     C3H

   日龄 ───────────────────────────────────

           ♂     ♀            ♂       ♀

   ─────────────────────────────────────────────

初生  1.90   1.70    1.44     1.44

7    6.40   5.70    4.40     4.40

14    9.77   8.35    7.00     7.00

21   12.70  12.50    9.70     9.70

28   20.00  17.50   13.30    12.10

35   29.50  24.00   17.20    15.20

42   32.50  28.50   20.00    17.80

49   36.00  30.00   21.20    18.00

56   38.00  33.00   22.30    19.27

63   40.00  34.00   25.30    20.85

   ─────────────────────────────────────────────

同一个实验中，应尽量选择体重一致的动物。

若体重相差悬殊，动物反应的个体差异性增大，会影响实验结果的准确性。

另外，应该注意动物的体重与它们的营养状态、饲养管理等因素也有关系。

（二）性别

动物的性别不同对某些实验因素的敏感程度不同。

例如用戊巴比妥钠麻醉大鼠，雌性动物的敏感性是雄性动物的2.5～3.8倍。

若实验对动物的性别无特殊要求，则宜选用雌雄各半。

（三）生理状况

实验不宜采用处于特殊生理状态（如怀孕、哺乳、换毛）的动物，否则会对实验结果产生很大的影响。

因此，如果实验中选用的动物是雌雄各半，应分笼饲养；避开动物的换毛期等。

（四）健康状况

动物的健康状况直接影响实验结果的正确与否。

实验中注意选择健康的动物，动物的体型丰满、发育正常、被毛浓密有光泽紧贴身体、眼睛明亮活泼、行动迅速、反应灵敏、食欲良好，则是健康的动物。

（五）微生物等级

实验动物微生物控制的标准化条件以等级表示。

我国一般将实验动物分为普通动物、清洁动物、SPF动物和无菌动物4个级别。

各级别动物具有各自的特点，分别适用于不同的研究目的。

表7-4列举了各级实验动物的特点及其在实验中的优缺点。

表7-4 普通动物、SPF动物和无菌动物的特点比较

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 实验项目         普通动物     SPF动物    无菌动物

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  传染病         有或可能有     无         无

  寄生虫         有或可能有     无         无

 实验结果        有疑问         明确       明确

 应用动物数       多（或大量）     少数       少数

 统计价值        不准确         可能好     好

 长期实验        困难           可能好     可能好

 自然死亡率      高             低         很低

 长期实验存活率   约40%          约60%      约100%

 实验的准确设计   不可能         可能       可能

 实验结果讨论价值 低             高         很高

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（六）遗传背景

建立动物模型时，尽量选用遗传背景明确的品系动物。

采用遗传学控制方法可以培育出近交系动物、突变系动物和杂交系动物，这些动物具有遗传均质性、反应一致性的优点，使实验结果精确可靠，因此被广泛用于各科研实验领域。

（董伟华）

第五节人类疾病动物模型的复制与观察

实验7.1大鼠急性心肌缺血

【实验目的】

复制动物急性心肌缺血模型并描记心电图。

【实验原理】

垂体后叶素（pituitrin，Pit）含缩宫素和抗利尿激素。

其中的抗利尿激素能收缩血管，使血压升高，又称加压素。

过量注射Pit将引起冠状动脉强烈痉挛性收缩。

利用它的这一特点，复制急性心肌缺血乃至心肌损伤的动物模型并产生一系列相应心电图改变。

【实验器材与药品】

BL-420E生物机能实验系统，描记心电图器械1套，生物电信号引导电极，大白鼠手术台，哺乳动物手术器械1套，丝线若干，天平（100g），5ml注射器1支。

Pit注射液，20%乌拉坦。

【实验对象】大白鼠

【实验方法和步骤】

1．抓取大白鼠并称重，25%乌拉坦4ml/kg腹腔注射麻醉，仰卧固定在大白鼠手术台上，分别在大白鼠的右前肢、右后肢和左后肢插入银针或注射用针头，然后将下述颜色的鳄鱼夹夹上针头：

右前肢：

白色，右后肢：

黑色，左后肢：

红色，引导出鼠Ⅱ导联心电图。

2．沿颈正中切开皮肤，分离颈外静脉，穿线做静脉插管。

打开计算机，启动BL-420E生物机能实验系统。

经第1通道，选择试验项目：

心电。

描记一段正常心电图。

3.经插管处注射Pit2U/kg，记录给Pit后10、15、20、30、45、60s和1.5、2、3、5、10min的ECG（或连续记录）。

观察心率、S-T段、T波的变化，一般以注射后30s出现S-T段升高或2min后T波低平作为心肌缺血的指标。

【实验注意事项】

1.描记心电图要尽量排除干扰，一定要描记到一段正常心电图，才进行模型的复制。

2.Pit导致的急性心肌缺血波形的改变消失较快，可以反复、多次注射Pit。

【讨论思考题】

Pit导致心肌缺血的原理是什么？

（陆丽）

实验7.2豚鼠支气管哮喘模型

【实验目的】

1.复制支气管哮喘动物模型。

2.初步了解支气管哮喘的发生机制。

【实验原理】

支气管哮喘是一种由肥大细胞、嗜酸性粒细胞和T细胞等参与的慢性气道炎症，伴有气道反应性增高及结构重建的疾病。

对于敏感的人群，这种炎症引起喘鸣反复发作、呼吸困难、胸闷和咳嗽，尤其好发于夜间或清晨。

这些症状常与广泛而有变动的气道阻塞相关，也可因气道对某些刺激物反应性增高而发生。

国内目前使用的动物模型多数是卵蛋白致敏的豚鼠哮喘模型,卵蛋白作为致敏原进入动物体后，其可溶性抗原成分可以刺激机体产生IgE抗体，使机体致敏。

当动物再次接触卵蛋白时，由IgE介导发生抗原抗体反应，使炎症细胞脱颗粒，释放活性化学物质，作用于支气管引起哮喘。

【实验器材与药品】

大白鼠手术台，哺乳动物手术器械1套，2ml注射器2支，连接有三通管的气管插管，小烧杯，丝线若干，高频气雾发生器，显微镜，计数板，天平（100g），离心机，缺氧瓶（500g），耗氧压测定装置1套，温度计，试管