模式生物
生理學實驗之父Bernard曾經說到：“沒有動物學的比較研究，實用醫(yī)學就沒有辦法獲得科學的特性?！毕ＥD心理學和生理學家Pavlov也曾經說到：“毋庸置疑，沒有對活體動物的實驗和觀察，人類就無法理解生命的規(guī)律?！?/p>
1、什么是模式生物？
模式生物是指用來揭示普遍生命規(guī)律的生物物種，又叫“生命試劑”。主要分為兩類：轉基因模式生物和野生模式生物。
轉基因模式生物是指通過將靶基因片段引入生物體細胞或通過生化手段修飾DNA序列從基因組中刪除特定基因片段而培育出的具有特定基因型的模式生物。常見的轉基因模式生物包括轉基因小鼠和斑馬魚。轉基因動物具有功能強大、技術壁壘高、滿足研發(fā)需要等特點。
模式生物主要特點：
- ● 科學家對他們的生命現(xiàn)象、結構基礎、基因和新陳代謝有深入的了解。
- ● 該生物的研究對其他生物具有很高的參考價值。
- ● 對人體和環(huán)境無害，材料獲取方便，實驗室飼養(yǎng)繁殖方便，世代短，后代多，遺傳背景清楚，易于進行實驗操作等特點。
2、模式生物發(fā)展
主要分為4個階段：1. 早期階段（1900-1973）：20世紀初，全球動物實驗產業(yè)興起，Rudolf在1973年將外部DNA片段植入小鼠胚胎中，世界上第一只轉基因小鼠成功單誕生。2. 興起階段（1981-1989）：1981年科學家將純化的DNA引入受精卵中，使轉基因動物得以大規(guī)模繁殖;1982年國家科委召開首屆全國實驗動物科技工作會議；1989年科學家利用小鼠ES細胞靶向技術建立了第一個常見的敲除小鼠模型，并獲得2007年諾貝爾生理學獎。3. 第一代和第二代基因編輯時代（1996-2011）：基因編輯技術突破的里程碑是鋅指核酸酶技術（ZFN）的建立，使人工定點誘導雙鏈DNA成為現(xiàn)實；2011年科學家們建立第二代轉錄激活效應核酸酶(TALEN)基因編輯技術。4. CRISPR/Cas 9時代（2012-至今）：2012年第三代CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導的基因編輯技術被發(fā)現(xiàn)，并獲得2020年諾貝爾化學獎。
3、模式生物分類
嚙齒動物(包括大鼠、小鼠等)、非人靈長類動物、狗、兔子、豬和斑馬魚。另外兩種常見的模式生物，果蠅和秀麗隱桿線蟲。
圖1. 常見模式生物
4、模式生物應用領域
① 臨床前開發(fā)階段藥效評估
主要用于藥物研發(fā)領域。適用藥物種類涵蓋小分子、大分子、細胞基因治療等，治療領域包括腫瘤、心血管、神經退行性疾病、罕見病等綜合領域。
② 生命科學和醫(yī)學研究
用于探索人類疾病的發(fā)病機制、人類基因功能等基礎研究領域。
| 實驗動物 | 特征 | 研究歷史及意義 |
|---|---|---|
| 果蠅 | 易于飼養(yǎng)，繁殖快，染色體少，容易誘發(fā)可觀察到的突變，眼睛顏色、翅膀形狀等性狀變異大。 | 1. 孟德爾定律：果蠅白眼突變的伴性遺傳揭示了基因是在染色體上線性排列并可以產生連鎖交換。 2. 1946年，摩根的學生米勒證明x射線可以使果蠅的突變率提高150倍，因此被稱為“果蠅的突變大師”; 3. 遺傳學、發(fā)育基因調控、各種神經系統(tǒng)疾病、帕金森病、阿爾茨海默病、藥物成癮和酗酒、衰老與長壽、學習記憶和某些認知行為等方面的研究; 4. 為進一步闡明基因-神經元(腦)-行為之間的關系提供了一個理想的動物模型。 |
| 線蟲（C.elegans） | 在實驗室方便喂養(yǎng)；包含一個完整的分化組織和帶大腦的神經系統(tǒng)；身體是透明的，無需染色就顯微鏡下就可以看到內臟，性腺等器官；C. elegans 只有一千個左右的體細胞，可以在休眠狀態(tài)下觀察和研究所有的體細胞。 | 1. 線蟲是研究細胞分裂、分化和死亡的良好材料。C.elegans被用來研究發(fā)育和生理的遺傳控制。1963年，Sydney Brenner首先提出了這一模型，作為神經元發(fā)育的模型，此后被廣泛應用于許多不同的環(huán)境中。C.elegans是第一個基因組完全測序的多細胞生物，截至2012年，它是唯一一個擁有完整連接體(神經元的“接線圖”)的生物。. 2. Guo和Kemphues等在1995年對C.elegans進行反義RNA實驗時，他們發(fā)現(xiàn)正義RNA也有很高的基因沉默活性; 3. 1998年，Andrew 和Craig發(fā)現(xiàn)了RNA干擾機制，這對防御病毒并找到疾病治療方法極為重要。 |
| 小鼠 | 繁殖能力強，飼養(yǎng)時間段，喂養(yǎng)成本低；對外界刺激極其敏感，對多種毒素和病原體敏感，反應靈敏； 對致癌物敏感，易誘導自發(fā)性腫瘤；方便獲取同窩不同種類； 在進化功能上與人類高度相似，可用于幾乎所有生命科學基礎研究和大多數(shù)新藥開發(fā)領域，將人類疾病的致病突變引入小鼠基因組，可導致小鼠出現(xiàn)類似的臨床表型。 |
1.安全性及毒性試驗: 常用于食品、化妝品、藥品、化工產品等的安全試驗；急性、亞急性、慢性毒性試驗；致畸、致癌性、致突變性試驗，中位致死劑量測定。 2.生物效應測定及藥物效價比較: 廣泛應用于血清、疫苗等生物制品的鑒定，進行生物效應實驗和各種藥物滴度的測定。 3.藥物篩選:篩選實驗大多從小鼠開始，篩選各種藥物是否對疾病有預防和治療作用，通過篩選獲得每種藥物的療效后，再用其他動物進一步證實。 4. 微生物學和寄生蟲學研究:小鼠對多種病原體敏感。特別是在病毒學研究方面。適用于血吸蟲病、瘧疾、錐蟲、流感、腦炎、狂犬病、脊髓灰質炎、淋巴脈絡叢腦膜炎、支原體、巴氏桿菌、沙門氏菌等的研究。 5.放射學研究:小鼠對輻射的反應與人類相當，可用于研究輻射劑量和輻射影響。 6.腫瘤與白血病研究:小鼠腫瘤發(fā)生率高，自交系具有良好的組織相容性，腫瘤移植更容易生長?？鼓[瘤藥物可在小鼠自發(fā)性腫瘤中篩選?？烧T發(fā)多種腫瘤，制作腫瘤模型，開展腫瘤病因病機的研究。近交系小鼠有的屬于高癌系，有的屬于低癌系，這對腫瘤發(fā)生的研究是方便和有益的。 |
| 老鼠 | 繁殖能力強，無膽囊； 垂體-腎上腺系統(tǒng)功能良好，對緊急情況反應敏感，行為多樣; 視覺和嗅覺相對敏感，它們對條件反射等測試反應良好，但它們容易對許多藥物產生耐藥性; 血壓和血管阻力對藥物反應敏感; 肝臟再生能力強； 對營養(yǎng)、維生素和氨基酸含量敏感，可出現(xiàn)典型的缺乏癥狀，體內可合成維生素C; 角膜無血管，對炎癥敏感。 |
1.神經內分泌實驗研究: 垂體-腎上腺系統(tǒng)發(fā)育，應激反應敏感，可復制應激性胃潰瘍模型。切除大鼠內分泌腺的方法是進行腎上腺、垂體卵巢等內分泌實驗的常用方法。 2. 營養(yǎng)與代謝性疾病研究:老鼠是營養(yǎng)學研究中的重要動物，已被用于維生素a、BC、蛋白質缺乏等大量營養(yǎng)代謝研究。也經常用于氨基酸(苯丙氨酸、組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、蛋氨酸、賴氨酸和精氨酸)和鈣磷代謝研究。還可進行動脈粥樣硬化、淀粉樣變、酒精中毒、十二指腸潰瘍、營養(yǎng)不良等方面的研究。 3. 放射醫(yī)學研究：由于無膽囊，常作為膽總管插管收集膽汁用于消化功能的研究。 4. 傳染病研究： 研究支氣管肺炎和副傷寒的重要實驗動物。流感病毒幼鼠傳代、厭氧菌學實驗、假結核、麻風病、巴氏桿菌病、葡萄球菌感染(激素治療后)、念珠菌病、黃曲霉病、煙曲霉等真菌疾病的研究。 5. 多發(fā)性關節(jié)炎和化膿性淋巴結炎的研究:大鼠足部水腫是篩選抗炎藥物最常用的方法。老鼠的踝關節(jié)對炎癥非常敏感，常用于關節(jié)炎的藥物研究。 6. 行為表現(xiàn)研究:目前，大鼠已被廣泛應用于高級神經活動的研究。它具有行為情緒變化、行為多樣性、情緒敏感性等特點。 |
| 靈長類動物（猴子） | 與人親緣關系較近，大腦發(fā)達，有趾，視覺、聽覺、味覺、觸覺發(fā)達， | 1. 生理研究:腦功能、生殖生理學、神經生理學、行為學、內分泌學、血型、老年學等。可以利用猴子建立腦疾病模型來研究腦疾病的機理、干預、診斷和治療，效果遠高于小鼠。 2. 藥物性精神病、抑郁癥、神經癥、精神分裂癥和藥物性刻板強迫行為的行為學和神經生物學研究。 3. 傳染病研究 (1) 可以感染幾乎所有人類傳染??；(2)是唯一用于生產和鑒定小兒麻痹癥疫苗的實驗動物。 (3) 其他如肝炎病毒、脊髓灰質炎病毒、麻疹病毒、HIV病毒、SARS病毒、B病毒、登革熱病毒、結核分枝桿菌、志賀氏菌等。 要注意人猴互傳。 4. 生殖生理學與人類的生殖生理學非常接近，是研究人類避孕藥物的理想實驗動物。對麻醉劑和毒品的依賴與人類相似。新的麻醉劑和其他藥物必須進入臨床試驗。在已研究的化合物中，71%的藥物在猴子體內代謝與人類相似。 |
| 狗 | 與一般哺乳動物相比，它在生理和解剖上更接近人類發(fā)達的神經系統(tǒng)，適應性強，食肉動物，消化系統(tǒng)的結構和功能與人類相似，皮膚汗腺極其不發(fā)達; 主要用于藥物的藥動學和毒理學研究。 |
1. 外科實驗：如心血管外科、腦外科、斷肢再植、器官或組織移植等。臨床外科醫(yī)生在研究新的手術或麻醉方法時，往往會選擇狗進行動物實驗，首先是為了獲得熟練準確的技能，然后才能在臨床實踐中正確地使用。 2. 基礎醫(yī)學實驗研究。犬發(fā)達的神經系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)特別適合生理學和病理生理學的實驗研究。 3. 慢性病研究：由于狗可以通過短期訓練配合實驗，所以適合進行慢性病實驗，如調理實驗、各種治療效果觀察實驗、毒理學實驗、內分泌腺去除實驗等。 4. 藥理學和毒理學研究。常用于新藥臨床使用前的毒性試驗、代謝試驗和藥理試驗。如磺胺類藥物的代謝研究、苯胺及其衍生物的毒理學研究等。 5. 其他疾病的研究，如:先天性白內障、半胱氨酸尿癥、遺傳性耳聾、血友病A、先天性心臟病、先天性淋巴水腫、蛋白質營養(yǎng)不良、家族性骨質疏松、視網膜發(fā)育、功能不全、高膽固醇血癥、動脈粥樣硬化、糖原缺乏綜合征等。 |
| 兔子 | 易于飼養(yǎng)繁殖； 易產生發(fā)熱反應，發(fā)熱反應典型且持續(xù)。常用于藥物生產質量控制、骨關節(jié)疾病模型、眼科藥物研究中的熱原實驗； 耳朵大，血管清晰，注射和采血方便; 血清量大，易進行心臟采血，被廣泛用于制備高特異性、特異性免疫血清。 |
1.免疫學研究: 免疫的最大用途是產生抗體，制備高效和特異性的免疫血清。免疫學研究中常用的各種免疫血清大多由自制免疫系統(tǒng)制備而成，廣泛用于人畜各種抗血清和診斷血清的制備。 2. 生理學研究: 利用國產免疫誘導排卵的特點開展了多種研究。它也可以用于避孕藥具的篩選研究。 3. 膽固醇代謝與動脈粥樣硬化的研究：最早用于這項研究的動物是兔子。例如，用溶解在植物油中的純膽固醇喂養(yǎng)兔子會引起典型的高膽固醇血癥，動脈粥樣硬化，冠狀動脈硬化。 |
| 豬 | 在解剖尺寸和結構、生理學、免疫學和基因組上與人類相似; 窩次數(shù)量多，易進行基因組編輯； 在心血管疾病研究及相關藥物和器械開發(fā)、皮膚病藥物開發(fā)等方面應用較為廣泛。 |
1. 藥物開發(fā)研究和毒理學測試中確定安全劑量范圍[1-3]. 2. 與人類的器官生理和大小相似、相對較低的繁殖成本以及與人類基因改造的相容性使豬成為人類異種移植的首選動物 [4-6]. 3.豬的呼吸系統(tǒng)有許多與人類相似的解剖特征，例如：韋氏環(huán)、鼻腔相關淋巴組織等，因此，它與呼吸道疾病的研究和疫苗的研制有關 [7-9] . 4. 胚胎已被廣泛用于胚胎發(fā)育的研究和臨床實踐工具。 5. 眼睛可用于色素性視網膜炎、青光眼、視網膜脫離和經眼給藥的研究 [10、11]. 6. 牙組織疾病和牙再生的大型模式生物 [12][13]. 7. 研究骨骼解剖、形態(tài)、骨壞死、愈合和重塑的首選生物醫(yī)學模型 [14-16]. 8. 用于研究表觀遺傳修飾對發(fā)育和精子甲基化特征對生育能力的影響 [17][18]. 9. 用于神經毒理學研究，并測試藥物預防和治療神經疾病的潛力 [19][20]. |
| 斑馬魚 | 斑馬魚與人類具有很強的遺傳同源性(87%)，易于獲得大量的實驗樣本，個體小，易于繁殖，子代多，一次產卵量高(150-200枚)，繁殖成本低，實驗操作簡單，實驗用量小( 小鼠劑量的1/100~1/1000); 體外受精胚胎發(fā)育，生殖能力強，性成熟周期短(胚胎成熟24小時); 胚胎的發(fā)育過程是完全透明的，整個過程中都可以觀察和研究其發(fā)育狀況。 |
1. 斑馬魚與人類在基因水平上有87%的同源性，其早期發(fā)育與人類非常相似。已應用于神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等的發(fā)育和功能，以及神經退行性疾病、心血管疾病、免疫系統(tǒng)等。已應用于全身疾病、腫瘤等的研究，并已應用于小分子化合物的大規(guī)模新藥篩選。 2. 斑馬魚修復受損視網膜的獨特能力有望應用于盲人患者的治療。 3. 在發(fā)育遺傳學研究中的應用。 4. 藥物毒性和安全性評價及環(huán)境毒理學研究。 (1) 在常規(guī)毒性實驗中的應用。斑馬魚急性毒性試驗用于檢測各種農藥、有機試劑和污染物的急性毒性。慢性毒性實驗確定低濃度污染物在斑馬魚生命周期中的毒性作用，以確定化學物質的最大允許濃度及其影響。慢性毒性實驗可用于觀察同一魚類在不同發(fā)育階段（對化學物質的毒性）的差異。蓄積實驗是檢測外來化學物質在體內積累或積累的實驗。(2) 分子和細胞生態(tài)毒性的應用。通過胚胎、軟骨組織染色或全組織包埋原位雜交等方法在顯微鏡下觀察斑馬魚細胞的行為、生理生化變化，從而在分子和細胞水平上確定某種化學物質 (3) 在水質檢測中的應用。利用斑馬魚的某些實用元素來顯示它接觸的特定污染物可以檢測水質的變化。例如，當水體含有需要檢測的環(huán)境污染物時，基因就會被檢測出來。與報告基因GFP激活并共同表達，使魚顯示熒光。 |
模式生物因其和人類的相似性，方便研究人員根據實驗需要進行各種操作，隨時采集各種樣本，甚至可以利用細胞破壞動物組織或殺死動物。但動物和人類并不完全相同，病原體在不同生物體中也因此表現(xiàn)不同。在藥物篩選和毒性試驗中，對動物無效或無毒的藥物不等于臨床上無效或無毒。相反，對動物有效的治療方案不一定適用于臨床。
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