生物醫(yī)學研究中的動物模型2正式ppt課件

第九章生物醫(yī)學研究中的動物模型 1 第一節(jié)動物模型的意義和優(yōu)越性生物醫(yī)學研究的進展常常依賴于使用動物模型作為實驗假說和臨床假說二者的試驗基礎 人類各種疾病的發(fā)生發(fā)展是十分復雜的 要深入探討其疾病的發(fā)病機理及療效機理不能也不應該在病人身上進行 可以通過對動物各種疾病和生命現(xiàn)象的研究 進而推用到人類 探索人類生命的奧秘 2 人類疾病的動物模型是生物醫(yī)學科學研究中所建立的具有人類疾病模擬性表現(xiàn)的動物實驗對象和相關材料 長久以來人們發(fā)現(xiàn) 以人本身作為實驗對象來推動醫(yī)學的發(fā)展是困難的 臨床所積累的經(jīng)驗不僅在時間和空間上存在著局限性 許多實驗在道義上和方法學上還受到種種限制 而動物模型的吸引力就在于它克服了這些不足點 其在生物醫(yī)學研究中所起到的獨特作用 正受到越來越多的科技工作者的重視 3 動物模型的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾方面 一 避免了人體實驗所帶來的危害 臨床上對外傷 中毒 腫瘤病因等研究是有一定困難的 甚至是不可能的 如急性和慢性呼吸系統(tǒng)疾病研究時很難重復環(huán)境污染的作用 輻射對機體的損傷也不可能在人身上反復實驗 而動物可以作為人類的替難者 在人為設計的實驗條件下反復觀察和研究 4 因此 應用動物模型 除了能克服在人類研究中經(jīng)常會遇到的倫理和社會限制外 還容許采用某些不能應用于人類的方法學途徑 甚至為了研究需要可以損傷動物組織 器官或處死動物 5 二 臨床上平時不易見到的疾病可用動物隨時復制出來 臨床上平時很難收集到放射病 毒氣中毒 烈性傳染病等病人 而實驗室可以根據(jù)研究目的要求隨時采用實驗性誘發(fā)的方法在動物身上復制出來 6 三 可以克服人類某些疾病潛伏期長 病程長和發(fā)病率低的缺點 一般遺傳性 免疫性 代謝性和內分泌等疾病在臨床上發(fā)病率很低 例如急性白血病的發(fā)病率較低 研究人員可以有意識地提高其在動物種群的中發(fā)生頻率 從而推進研究 同樣的途徑已成功地應用于其他疾病的研究 如血友病 周期性中性白細胞減少癥和自身免疫介導性疾病等 7 臨床上某些疾病潛伏期很長 很難進行研究 如腫瘤 慢性氣管炎 肺心病 高血壓等疾病 這些疾病發(fā)生發(fā)展很緩慢 有的可能要幾年 十幾年 甚至幾十年 有些致病因素需要隔代或者幾代才能顯示出來 人類的壽命期相對來說是很長的 但一個科學家很難有幸進行三代以上的觀察 而許多動物由于生命的周期很短 在實驗室觀察幾十代是容易的 如果使用微生物甚至可以觀察幾百代 8 四 可以嚴格控制實驗條件 增強實驗材料的可比性 一般說來 臨床上很多疾病是十分復雜的 各種因素均起作用 患有心臟病的病人 可能同時又患有肺臟疾病或腎臟疾病等其他疾病 即使疾病完全相同的病人 因病人的年齡 性別 體質 遺傳等各不相同 對疾病的發(fā)生發(fā)展均有影響 9 采用動物來復制疾病模型 可以選擇相同品種 品系 性別 年齡 體重 活動性 健康狀態(tài) 甚至遺傳和微生物等方面嚴加控制的各種等級的標準實驗動物 用單一的病因作用復制成各種疾病 溫度 濕度 光照 噪音 飼料等實驗條件也可以嚴格控制 10 無論營養(yǎng)學 腫瘤學和環(huán)境衛(wèi)生學等方面 同一時期內很難在人身上取得一定數(shù)量的定性疾病材料 動物模型不僅在群體的數(shù)量上容易得到滿足 而且可以通過投服一定劑量的藥物或移植一定數(shù)量的腫瘤等方式 限定可變性 取得條件一致的模型材料 11 五 樣品易得 分析實驗簡化 動物模型作為人類疾病的 縮影 便于研究者按實驗目的需要隨時采取各種樣品 甚至及時處死動物收集樣本 這在臨床是難以辦到的 實驗動物向小型化的發(fā)展趨勢更有利于實驗者的日常管理和實驗操作 12 六 有助于更全面地認識疾病的本質 臨床研究未免帶有一定的局限性 已知很多病原體除人以外也能引起多種動物感染 其表現(xiàn)可能各有特點 通過對人畜共患病的比較研究 可以充分認識同一病原體 或病因 對不同機體帶來的各種損害 因此對該疾病有更全面系統(tǒng)的了解 13 動物疾病模型的另一個富有成效的用途 在于能夠細致地觀察環(huán)境或遺傳因素對疾病發(fā)生發(fā)展的影響 這在臨床上是辦不到的 對于全面地認識疾病本質有重要意義 14 因此利用動物疾病模型來研究人類疾病 可以進行一些平時不易見到 而且不便于在病人身上實驗的各種人類疾病的研究 同時還可克服人類疾病發(fā)生發(fā)展緩慢 潛伏期長 發(fā)病原因多樣 經(jīng)常伴有各種其它疾病等因素的干擾 可以用單一的病因 在短時間內復制出典型的動物疾病模型 對于研究人類各種疾病的發(fā)生 發(fā)展規(guī)律和防治疾病療效的機理等是極為重要的手段和工具 15 第二節(jié)動物模型的分類 16 一 按產(chǎn)生原因分類 一 自發(fā)性動物模型 SpontaneousAnimalModels 是指實驗動物未經(jīng)任何有意識的人工處置 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合成異常性疾病 17 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?yōu)樯镝t(yī)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(fā)生類型和發(fā)病率有很大差異 很多自發(fā)性動物模型在研究人類疾病時具有重要的價值 如自發(fā)性高血壓大鼠 中國地鼠的自發(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 18 利用這類動物疾病模型來研究人類疾病的最大優(yōu)點 就是疾病的發(fā)生 發(fā)展與人類相應的疾病很相似 均是在自然條件下發(fā)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 19 因此 近年來十分重視對自發(fā)的動物疾病模型的開發(fā) 有的學者甚至對狗 貓的疾病進行大規(guī)模的普查 以發(fā)現(xiàn)自發(fā)性疾病的病例 然后通過遺傳育種 將這種自發(fā)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(fā)性疾病模型開發(fā)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 20 二 誘發(fā)性或實驗性動物模型 實驗性動物模型是指研究者通過使用物理的 化學的 生物的及復合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(xiàn)某些類似人類疾病時的功能 代謝 形態(tài)結構方面的變化或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(fā)動物的腫瘤等 21 誘發(fā)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(yī)學研究所常用 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 因此在設計誘發(fā)性動物模型要盡量克服其不足 發(fā)揮其特點 22 施新猷主編 醫(yī)學動物實驗方法 郭鷂編 人類疾病的動物模型 可供參考 另外也可在一些藥理實驗方法學專著中找到 特別是那些容易復制 已經(jīng)成為定型的 或所謂經(jīng)典的 模型 可供篩選藥物之用的動物模型 這類書中均有介紹 疾病動物模型的復制方法還可在美國 醫(yī)學索引 IndexMedicus 中的 動物疾病模型 DiseaseModel Animal 主題之下找到 23 必須指出 以上兩種動物模型各有其優(yōu)缺點 事實上很多疾病可用不同方式獲得 例如已知有不少自發(fā)性腫瘤模型 也可用各種致癌劑誘發(fā)產(chǎn)生腫瘤模型 值得注意的是它們在發(fā)病機理和疾病內在特征方面存在著各自的特點 24 三 抗疾病型動物模型 是指特定的疾病不會在某種動物身上發(fā)生 從而可以用來探討為何這種動物對該疾病有天然的抵抗力 如哺乳動物均易感染血吸蟲病 而居于洞庭湖流域的東方田鼠卻不能復制血吸蟲病 可用來研究血吸蟲病的發(fā)病機理和抗病機理研究 25 四 生物醫(yī)學動物模型 是指利用健康動物生物學特征來提供人類疾病相似表現(xiàn)的疾病模型 如沙鼠缺乏完整的基底動脈環(huán) 左右大腦供血相對獨立 是研究中風的理想動物模型 鹿的正常紅細胞是鐮刀形的 多年來 被供作鐮刀形紅細胞貧血的研究 但這類動物模型與人類疾病存在著一定的差異 研究人員應加以分析比較 26 二 按系統(tǒng)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(xiàn)各種功能 代謝和形態(tài)結構的變化 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 27 二 各系統(tǒng)疾病動物模型是指與人類各系統(tǒng)疾病相應的動物模型 如心血管 呼吸 消化 造血 泌尿 生殖 內分泌 神經(jīng) 運動等系統(tǒng)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(yè)病和化學中毒性疾病的動物模型 28 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 細胞株等 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 29 四 按中醫(yī)藥體系分類 根據(jù)中醫(yī)證的分類 動物模型可分為陰虛 陽虛動物模型 氣虛動物模型 血虛動物模型 脾虛和腎虛動物模型 厥脫證動物模型等 按中醫(yī)理論分類 人類疾病的動物模型包括解表藥 清熱藥 瀉下藥 祛風濕藥 利水滲濕 溫里藥 止血藥 止咳藥 化痰藥 平喘藥 安神藥 平肝息風藥 補益藥 理氣藥 活血化淤藥等動物模型 30 第三節(jié)動物模型的設計原則和注意事項 31 一 設計原則生物醫(yī)學科研專業(yè)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 32 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(guī)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 33 能夠找到與人類疾病相同的動物自發(fā)性疾病當然最好 例如 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)性狗類風濕性關節(jié)炎與人類幼年型類風濕性關節(jié)炎十分相似 也是一種理想模型 等等 34 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 35 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炎不一樣 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 如果動物模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 36 例如 動物內毒性性休克 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(yī)生所采用 現(xiàn)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 37 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 例如有人檢查了動脈壓 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(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 因此認為這些方法復制的模型是一種較理想的模型 38 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(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 39 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(wěn)定一致 可以預測 因而可以標準化 40 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(yǎng)管理 實驗及環(huán)境條件 季節(jié) 晝夜節(jié)律 應激 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 41 三 可靠性復制的動物模型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(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)某些相應病變的動物 就不應加以選用 易產(chǎn)生與復制疾病相混淆的疾病者也不宜選用 42 例如鉛中毒不宜用大白鼠做模型 因為它本身容易患動物地方性肺炎及進行性腎病 后者容易與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)相應的腎病變 43 四 適用性和可控性供醫(yī)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(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 44 所以 如果知道一個化合物具有雌激素活性 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 45 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 46 五 易行性和經(jīng)濟性在復制動物模型時 所采用的方法應盡量做到容易執(zhí)行和合乎經(jīng)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 47 它們容易作到遺傳背景明確 體內微生物可加控制 模型性狀顯著且穩(wěn)定 年齡 性別 體重等可任意選擇 而且價廉易得 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 48 二 注意事項研究者的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(xiàn)所要求的人類疾病 復制模型時必須強調從研究目的出發(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 49 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 可有大量泡沫樣細胞形成斑塊 這與人類的情況差距較大 50 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 可參考表 51 各種敏感動物與人類相似的疾病模型 52 53 54 55 56 57 二 注意所選用動物的實用價值 模型應適用于多數(shù)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(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)設施和轉運條件 經(jīng)濟上和技術上容易得到保證 58 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瀕于死亡或死于并發(fā)癥 59 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 60 用于生物醫(yī)學研究的動物種群 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 實驗室類型 它們可提供最大程度的遺傳和環(huán)境操作 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)境可能極為接近 61 自然生態(tài)類型 幾乎沒有人為的干擾 可能某種動物 嚙齒目 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(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 62 不同類型的動物種群的優(yōu)點和缺點 63 三 注意環(huán)境因素對模型動物的影響 復制模型的成敗往往與環(huán)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(tǒng)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(fā)癥等處理不當 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 64 四 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(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(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)學使用量已高達70 90 利用近交系作動物模型時還必須認識到 65 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?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F1代動物對復制所要求的模型是缺乏意義的 66 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的所有器官和功能越接近于人 67 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)報導用鴿 WhiteGameauPigeon 作這類模型時 胸主動脈出現(xiàn)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 68 六 正確地評估動物疾病模型應該明確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(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 69 總之 動物疾病模型這門新興的科學正吸引著各個領域專業(yè)人員投身于這項開發(fā)工作 無論醫(yī)學家 獸醫(yī)學家還是生物學家 要復制動物模型還必須學習有關知識 精于選用已知的各種模型和開發(fā)新的模型 這也應該是研究者的一項基本技能 70 第四節(jié)動物模型的復制方法 71 72