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10章人类疾病的动物模型


第十章 人类疾病的动物模型
第一节 人类疾病的动物模型的概念
一、人类疾病的动物模型的概念 人类疾病的动物模型(animal model of human disease)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。 使用动物模型是现代生物医学研究中的一个极为重要的实验方法和 手段,有助于更方便、更有效地认识人类疾病的发生、发展

规律和 研究防治措施。 动物模型是实验假说和临床假说二者的试验基础,通过对动物各种 疾病和生命现象的研究,进而推用到人类,探索人类生命的奥秘, 以控制人类的疾病和衰老,延长人类的寿命。

二、动物模型的意义
1. 避免了在人身上进行实验所带来的风险。 2.临床上平时不易见到的疾病可用动物随时复制出来。 3.克服人类某些疾病潜伏期长、病程长和发病率低的特点。 4. 可以严格控制实验条件,增强实验材料的可比性。 5.可以简化实验操作和样品收集。 6. 有助于更全面地认识疾病的本质。

第二节 动物模型分类及设计原则
一、动物模型分类 (一)按产生原因分类 1.自发性动物模型(spontaneous animal models) 概念:是指实验动物未经任何有意识的人工处理,在自然情况下所 发生的疾病。 方法:自然筛选。如突变系的遗传疾病和近交系的肿瘤疾病模型, 突变系的遗传疾病很多,可分为代谢性疾病、分子疾病和特种蛋自质 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。 优点:为生物医学研究提供了许多有价值的动物模型。

2.诱发性或实验性动物模型(experimental animal models) 概念:是指人工地诱发出特定疾病的动物模型。 方法:用物理的、化学的和生物的致病因素作用于动物,造成动物 组织、器官或全身一定的损害,出现某些类似人类疾病的功能、代谢 或形态结构方面的病变。如用化学致癌剂、放射线、致癌病毒诱发动 物的肿瘤等。 优点:诱发性疾病动物模型具有能在短时间内复制出大量疾病模型, 并能严格控制各种条件使复制出的疾病模型适合研究目的的需要等特 点。

(二)按系统范围分类 1.生物医学动物模型 (1)生物医学动物模型 概念:是指根据动物生物学特征来提供人类疾病相似表现的疾病模型。 实例: 兔甲状旁腺分布比较分散,位置不固定,有的附着在主动脉弓附近,摘除甲状 腺不影响甲状旁腺功能,是摘除甲状腺实验较理想动物的模型; 沙鼠缺乏完整的基底动脉环,左右大脑供血相对独立,是研究中风的理想模型; 鹿的正常红细胞是镰刀形的,多年来被供作镰刀形红细脑贫血的研究。

(2)抗疾病型动物模型 概念:是指特定的疾病不会在某种动物身上发生,或用转 基因方法构建抵抗某种疾病的动物模型。 意义: 探讨为何种动物对该疾病有天然的抵抗力。如哺乳类动 物均感染血吸虫病,而洞庭湖流域的东方地鼠却不会感染 血吸虫病,因而可用于血吸虫感染和抗病的研究。 培育抗病动物新品种。

2.疾病的基本病理过程动物模型 概念:是指致病因素在一定条件下作用于动物后,所出现的共同性 的功能、代谢和形态结构某些改变的动物模型。 诸如发热、炎症、休克、电解质紊乱等疾病的基本病理过程。 比如发热,是各种病原微生物、细菌、病毒、寄生虫感染所致: 又如给动物注射内毒素或异性蛋白、某些化学物质等则可使动 物体温调节中枢功能障碍而引起发热。 切断动物颈部双侧迷走神经,可复制典型的肺动脉高压动物模 型。 这类动物模型是研究疾病机制和药物筛选理想的方法。

3.各系统疾病动物模型 是指与人类各系统疾病相应的人类疾病动物模型, 如神经、心血管、呼吸、消化、造血、生殖、内分 泌、泌尿、骨骼等系统疾病相应的动物模型,还包 括按科分类,如:传染病、妇科病、儿科病、皮肤 科病、五官科病、外科病、奇生虫病、地方病、维 生素缺乏病、物理损伤疾病和职、比病等动物模型。

二、动物模型设计原则
(一)设计原则 1.相似性 所复制的模型应尽可能近似于人类疾病的情况. 2.重复性 理想的动物模型应该是可重复的,甚至是可以标准化 的。 3.可靠性 复制的动物模型还应该力求可靠地反映人类疾病,即 对特异地、可靠地反映某种疾病或某种功能、代谢、结构变化, 应具备该种疾病的主要症状和体征,经化验或x 线照片、心电 图、病理切片等证实。

4.适用性和可控性 供医学实验研究用的动物模型,在复 制时,应尽量考虑到今后临床应用和便于控制其疾病的 发展,以利于研究的开展。 5.易行性和经济性 在复制动物模型时,采用的方法应尽 量做到容易执行和合乎经济原则。

第三节 设计动物模型的注意事项
一、注意致模因素的选择 致模因素的选择是复制动物模型的关键步骤。应明 确研究目的,清楚相应人类疾病的发生、临床症状 和发病机制,熟悉致病因素对动物所产生的临床症 状和发病情况,致病因素的剂量。 选择适当的致病因素和尽量选择与人类相似性小的 实验动物作动物模型,以增加所复制动物模型与人 类疾病的相似性。

二、注意动物因素的选择 复制动物模型应注意选用标准化和实用价值的动物。复制动物模型时 应遵循适于大多数研究者使用,容易复制、便于操作和采集各种标本。 动物来源应注意选用标准化实验动物,家畜和野生动物作模型资源的 补充。 标准化实验动物用作模型资源其优点: ①生活在标准化的环境内,有清楚的遗传背最和微生物控制标准,具有较 强的敏感性、较好的重复性和反应均一的特点, ②有严格的饲养规程, ②易获取大样本实验和观察。缺点在人工控制下培育的动物与自然生长繁 育的动物有所不同,而且标推化环境的维持消耗大量的资金。

三、注意近交系的应用
近交系的选择应注意遗传背景清楚、反应均一、个体差小,广泛地应用于动物 模型复制。但在设计中必须慎里考虑以下因意: ①近交系的繁殖方法与自然状态不同。例如自发性糖尿病BB Wistar Rat具人 糖尿病临床特征但实践常并发有周围神经系统严重病、睾丸萎缩、甲状腺 炎、恶性淋巴瘤等。因此,要有目的选择,不可盲目的采用近交系; ②近交系形成的亚系不能视为同一品系。要充分了解新品系的特征及有关资料; ③即使已形成模型的品系由于育种和环境改变,仍有可能发生的基因突变和遗 传演变。即存在变种甚至断种的危险; ④国外常用两种近交系的杂一代(F1)作为模型。其个体之间均一性好,实验的 耐受性强。封闭群动物(远交系)虽然个体间的重复性和一致性没有近交系、 F1动物好,但遗传特性及反应性保持相对稳定,其生活力强,蟹殖率高、 抗病力强、可以大量生产,在某些方西可选用。

第四节 肿瘤学研究中的动物模型
一、肿瘤学动物模型的概念 建立实验肿瘤模型的目的,是在于利用其体内及体外生长的肿 瘤,探讨肿瘤病因学、肿瘤生物学行为学、肿瘤发病机制研究, 以及用来寻找对肿瘤成因及发展有抑制作用的药物及治疗方法 等。特别是在诸如肿瘤侵袭和转移规律及其机制的研究、肿瘤 细胞与细胞外间质相互作用、肿瘤细胞与宿主免疫细胞和免疫 因子的相互作用以及血管生成和抗肿瘤药物药代动力学等方面 的研究,实验动物模型是体外实验模型所无法取代或无法完全 取代的。肿瘤的动物模型有两大型,既实验动物自发性肿瘤和 实验动物诱发性肿瘤。

二、实验动物自发性肿瘤
(—)实验动物自发性肿瘤 是指实验动物未经任何有意识的人工处置,在白然情况下所发 生的肿瘤。 实验动物自发性肿瘤主要发生于近交系动物,随实验动物种属、 品系的不同,肿瘤的发生类型和发病率有很大差异。其中,小 鼠的各种自发性肿瘤在肿瘤发生、发展的研究中具有重要意义。 目前,可用于肿瘤实验研究的小鼠品系或亚系就有200多个。 在近交系小鼠中,各种肿瘤的发生率因品系不同而存在很大差 异。

肿瘤实验研究中选用自发性肿瘤模型为对象进行研究有一定的 优点; 首先是自发性肿瘤通常比用实验方法诱发的肿瘤与人类所患的 肿瘤更为相似,有利于将动物实验结果应用到人; 其次是这类肿瘤发生的条件比较自然,有可能通过细致观察和 统计分析发现原来没有发现的环境或其他的因素,可以观察遗 传因素在肿瘤发生上的作用: 但应用自发性肿瘤模型也存在一些缺点:肿瘤的发生情况可能 参差不齐,不可能在短时间内获得大量肿瘤学材料、观察时间 可能较长,实验耗费较大。

(二)实验动物自发肿瘤的研究注意事项
1.实验动物品系关系到自发肿瘤发病率的稳定性,一般近交系动物较稳定, 同时亦利于进行移植研究,而远交系动物就不如近交系动物发病率那样稳 定。 2.不同品系动物自发肿瘤的发病率差异是很大的,如C3H雌鼠自发乳腺肿 瘤发病率几乎为100%,而C57BL则没有自发性乳腺肿瘤。 3.自发肿瘤的发病率与动物年龄有关,小鼠自发性肿瘤6—18月龄鼠发病 率最高,但一般幼年和老年动物自发肿瘤的发病率就很低。 4.自发肿瘤的发病率与雌鼠的生育状态密切相关:A系小鼠生育后雌鼠乳 腺肿瘤的发病率为60—80%,而未生育过的雌鼠乳腺肿瘤的发病率仅为 5%‘, 5 动物自发肿瘤的研究要注意动物遗传背景和环境因素,以便为肿瘤发生 的内因和外因提供实验资料。

三、实验动物诱发性肿瘤
(一)实验动物诱发性肿瘤的概念 利用化学致病物质来诱发实验性肿瘤的动物模型,也是 进行肿瘤实验研究的常用方法。目前使用较多的化学致 癌物有多环碳氢化合物、亚硝胺和偶氮、染料等。强烈 的致癌物诱发出来的肿瘤,恶性程度高,容易将其做成 功(指一个可移植的动物肿瘤)。

(二)常用诱发肿瘤动物实验方法 1.经口给药法,食管癌、胃癌、大肠痈等肿瘤常用此方法. 2. 涂抹法,主要用于诱发皮肤肿瘤。 3.注射法,将化学致癌物制成溶液或悬浮物,经皮下、肌肉、静脉或体 腔等途径注入动物体内而诱发肿瘤。 4.气管灌注法,常用于诱发肺癌。 5. 穿线法,将一定量的致癌物放置于无菌试管内,加热使致癌物升华, 吸附于预制的线结上;将含有致癌物的线结穿入靶器官或靶组织而诱 发肿瘤。 6.埋藏法,将致痛物包埋于皮下或其他组织内或将以致癌物作用过的器 官、组织移植于同种系动物皮下进行肿瘤的诱发实验。

(三)诱发肿瘤的基本要求
1. 诱发肿瘤的方法简单易行,可重复性强。 2. 肿瘤的诱发率应较高; 3. 所诱发的肿瘤与人类肿瘤具有相似性: 4. 要注意选择对所用致癌剂较敏感的动物种系。 5. 用致癌物剂量要适当。不能使动物中毒死亡。又要在较短期内 诱发较高比率的肿瘤 6. 诱癌动物要辅以适当的饲养条件。 7.诱癌过程最好伴行明显的癌前病变,以便研究肿瘤发病学。

(四)诱发肿瘤的注意事项
1.应设置严格的阳性和阴性对照。 2.有些实验除应用致癌剂外,还需辅以促癌剂,方能 诱癌成功。 3.动物实验的结果常常不能类推到人类,在解释实验 的意义时应注意到种属的区别。 4.诱癌实验中应十分注意对实验人员和环境的保护。 5.诱癌实验要注意将肿瘤发生的内因和外因结合起来 分析。

(五)诱发性肝癌动物模型
1.模型简述 利用外源性化学致癌因素引起细胞遗传特性异常, 呈现出异常生长和高增殖活性,形成肿瘤,常用口服致肝癌的 物质有乙基亚硝胺(DEN),4—二甲基氨基偶氮苯(DBA)、2— 乙酰氨基酸(2AAF),亚胺基偶氮中苯(OAAT)和黄曲霉素。 2.造模方法 (1)DEN诱发大鼠肝癌 给与0.25%DEN水溶液0.25-1ml灌胃,或稀释10倍放在饮水 瓶中自由饮水,剂量为每天2—10ml/kg喂养半年左右。 (2)DBA诱发大鼠肝癌 用含0.06%DBA的饲料饲养大鼠,连续喂养4—6个月。

(3)2AAF诱发大鼠肝癌 给成年大鼠喂食含0.03%2AAF的标准饲料,连续 3—4个月。 (4)OAAT诱发小鼠肝癌 (4)OAAT 用含1%OAAT苯溶液(0.1ML含1mg)涂在动物的两 肩肿间皮肤上,隔日1次,每次2-3滴.一般涂 100次,连续7—8周。 (5)黄曲霉素诱发大鼠肝癌 用含0.001—0.015PPm黄曲霉素的饲料喂6个月。

(六)小鼠诱发性皮肤癌动物模型
1.模型简述 常用诱发皮肤癌的方法是用甲基胆蒽等 强烈致癌物,虽然实验间期较长,但成功率较高。 2.造模方法 取24—30g的小鼠,雌雄不限,用硫化 钠溶液在背部脱毛,于脱毛部位涂抹0.5%甲基胆 蒽蓖麻油溶液,每周3次,每次2滴,滴后用小毛 刷涂匀。每日观察小鼠一般状况及背部皮肤变化, 如背部毛又长出,仍用硫化钠脱毛或剪毛,以便涂 抹甲基胆蒽。每天称体重1次,适时取瘤组织作病 理检查,并摄影。此后取肿瘤及各脏器镜检。

3 模型特点及应用 涂抹中基胆思后150-200天(平均178 天),存活鼠皆出现鳞状上皮癌,单发或多发,有在乳头 状瘤部位癌变,亦有在其他部位突然出现者。鳞癌出现后, 即停止涂抹甲基胆蒽。癌生长迅速,小鼠通常在1—2周 内死亡,但有的存活时间较长。

第四节 心血管系统疾病的动物模型
一、高血压疾病研究中的动物模型(animal model of hypertension) (一)高血压的概念 高血压是一种动脉收缩压和(或)舒张压升高,并常 ( ) 伴有心、脑、肾和外周血管功能性或器质性改变的 全身性疾病。高血压病在欧美等发达国家已成为主 要致死性疾病,占全部死亡的40%。所以培育高 血压模型动物和诱发高血压动物模型,是开展高血 压疾病及其继发症研究的重要手段。

(二)应用于高血压研究的实验动物选择
对于高血压的研究,虽然有时使用猪、猴、羊等,但 常选用的动物是犬和大鼠。 犬与人类的高血压有许多相似之处:1高血压早期血压 波动大,以后逐渐升高,并维持在高水平②环境和紧张 刺激引起血压明显升高;③高血压发展过程中出现高级 神经活动障碍;④部分动物血中儿茶酚胺含量增加。特 别是对神经精神性高血压研究,犬极为合适。大鼠的饲 养管理、手术和血压测定比其他动物方便,对药物的反 应与人类相似,故也常被选用。因兔的血压不够稳定, 一般不用。

若是研究高血压病理、生理和药理,自发性高血压大 鼠(SHR)是良好的模型,因它和人类的自发性高血压有 很多相似之处。 实验性高血压通常以刺激中枢神经系统反射性而成, 或注射加压物质以及分次手术结扎肾动脉,诱发肾原性 高血压。不过,要根据实验的目的不同进行选择。

(三)自发性高血压大鼠(SHR)
SHR大鼠的病态表现与人原发性高血压的病态表现极 为相似,高血压的发病率接近100%。SHR大鼠被广泛 应用于高血压的发病机制、预防、治疗和诊断等诸多方 面研究。

(四)实验性高血压动物模型
1.肾动脉狭窄性高血压模型 (1)造模机制 狭窄肾动脉可造成肾脏缺血,引起肾小球旁器分泌肾素 增多。肾素能使血浆中α2-球蛋白(血管紧张素原)变为血管紧张素 Ⅰ,后者又经转换酶(主要存在于肺脏)的作用变为能使血管收缩的 血管紧张素Ⅱ,血管紧张素Ⅱ的参与,加重了全身小动脉的痉挛, 血压也就更高而持续,形成较持久、恒定的高血压。肾性高血压 晚期,高血压维持因素也包括神经血管机制。 (2)造模方法 肾动脉手术套环或接扎。 (3)模型特点及应用 手术后数天,血压开始升高,1-3个月后血压上 升达高峰,并可长期维持下去。

2 肾外包扎性高血压模型
(1)造模机制 肾外异物包扎,可致肾周围炎,在肾外形成 一层纤维素性鞘膜,压迫肾实质造成肾组织缺血,使肾 素形成增加,血压上升。 (2)造模方法 手术后左肾包扎、右肾切除。 (3)模型特点及应用 术后20天,20%大鼠出现高血压。

3.神经内分泌型高血压模型
(1)模型机制 电刺激和条件刺激铃声结合,可造成动物 高度紧张状态,血压上升;附加垂体后叶素肌内注射, 可促进动物高血压发展与巩固。 (2)造模方法 非条件刺激为电刺激,条件刺激为电铃。进 行电刺激时,大鼠可置放于特别笼中,笼底是以铜丝织 成栅状,分正负两电极,笼有许多格,每格内可放大鼠 1只,犬的刺激电极可于实验时固定在动物颈部。利用 6v感应电极板引出的导线进行刺激;刺激强度依动物 反应而异,通常以引起动物颤抖、逃跑、跳跃、低声叫 为止。

二、高血脂和动脉粥祥硬化症动物模型
鸡和鸽能自发主动脉粥样硬化,主要是形成脂纹期病变。短期 饲喂胆固醇,主动脉局部发生病变。因而,在研究该病早期病 变时,应用这类动物具有重要价值。 目前,已有多种实验动物被应用于动脉粥样硬化研究,包括大 鼠、小鼠、猪、犬、非人灵长类。其似人灵长类,特别是恒河 猴,可发生广泛的主动脉粥样硬化,广泛的心冠、脑、肾和股 等处动脉的动脉强样硬化症,而且它还是心肌梗死常发的少数 动物之一。

小型猪可自发动脉粥样硬化,在用高脂饲料诱发下,对加速动 脉粥样硬化的形成.其病变特点及分布情况都与人类相似,主要 分布在主动脉、冠状动脉和脑动脉,由增生的血管平滑肌细胞、 少量泡沫细胞、胆固醇结晶、纤维帽和灶性钙化组成。由于小 型猪在生理解剖和粥样硬化病变的特点方面接近于人类,近年 来常被用作动脉粥样硬化研究的最佳模型。当然,该动物也存 在饲养管理麻烦、成本高、试验数目难以过多,不便作遗传分 析等缺点。

(一)高脂饲料诱发高血脂及动脉粥样硬化症模型
1.造模机制 在动物饲料中加入过量的胆固醇和脂肪,饲养一定 时间后,其主动脉及冠状动脉处逐渐形成粥样硬化斑块,并出 现高血脂症。 2.造模方法 小型猪:用1%—2%高脂食物饲喂6个月即可形成动脉粥样硬 化病变。
大鼠:饲喂配方一:饲料(1%—4%胆固醇、10%猪油,0.2%甲 基硫氧嘧啶、89%—86%%基础饲料),喂服7—10天,可形成 高胆固醉血症。

(二)非喂养法诱发高血脂及动脉粥样硬化症检型
1.诱发模型 将大鼠主动脉匀浆给兔注射,可引起血胆因 醇、β—脂蛋白及甘油三酯升高。给兔注射马血清每次 10mg/kg,共4次,每次间隔17大,动脉内膜损伤率 为88%冠状动脉亦有粥样硬化的病变,若同时给予高 胆固醇饲料,病变更加明显。

三、心肌缺血动物模型
犬、猪和大鼠都可用于建立心肌缺血动物模型:犬 是心肌缺血试验良好的模型动物。犬的心脏解剖与 人类相似,占体重的比例很大,冠状血管容易操作, 心脏抗心律紊乱能力较强,此外,犬较容易驯服, 可供慢性观察。猪心脏的侧支循环和传导系统血液 供应类似于人的心脏,也是心肌缺血试验良好的模 型动物。

(一)造模机制 常采用电刺激法和药物注射法使动物心脏冠状动脉发生 痉挛性收缩可造成人工急性心肌缺血动物模型。 (二)造模方法 1.药物法 (1)垂体后叶素 选用成年健康家兔,体重2—2.5kg。自尾静脉或舌 下静脉快速注射垂体后叶素0.5—1.0Iu/kg体重(容积为1— 1.5ml/kg),注射后的1min内,每5—10s记录一次心电图,以后 每1—3min记录一次,一直记录到注射后10min。观察心率、s—T 段、T波的变化。

(2) 异丙肾上腺素 选用100-170g休重的大鼠:皮下注射

4%异丙基肾上腺素,每日2次。也可选用2kg左右的 家兔,异丙基肾上腺素加入500ml盐水中,由耳静脉 匀速滴入,每公斤体重给药10、20或30mg;或直接 注入腹腔,每日2次。 2.电刺激法 选用成年雄性家兔,麻醉后用定向仪插入两 支涂绝缘漆的不锈钢针弱、强刺激(弱刺激为0.81.6mA,强刺激为4-8mA)交替刺激右侧下丘脑背内 侧核,每次刺激5min,间隔1-3min。

四、心肌梗死动物模型
(一)造模机制 急性心肌梗死是由于冠状动脉粥样硬化伴有粥样斑块出血、血 栓形成,或冠状动脉痉挛导致管腔急性闭塞、血流中断,局部 心肌缺血、坏死。心肌梗死的范围取决于阻塞动脉的大小和侧 支循环的状况。一般来说,左冠状动脉阻塞引起左室侧壁和近 心尖的左空前壁、心室间隔前部和前外乳头肌的梗死;左回旋 支的阻塞引起左室侧壁和近心底部左室后壁的梗死;右冠状动 脉的阻塞引起左室后底部、心室间隔后部和房室结的梗死。

(二)造模方法

1.结扎法 手术结扎冠状动脉和左回旋支。 2.微珠堵塞法 3.汞堵塞法 4.气囊堵塞沾法 5.药物法 异丙基肾上腺素 6.血栓形成法

第六节 内分泌、营养代谢性疾病动物模 型
一、甲状腺疾病动物模型(Animal model of Thyroid disease) 1.模型机制 甲状腺疾病动物模型主要以外源投予甲状腺激素和抗 甲状腺药物来建立。复制方法:①用地方甲状腺肿病区的粮食, 按当地居民饮食习惯配制饲料喂养动物,造成碘缺乏;②应用抗 甲状腺药物(如丙基硫氧嘧啶、甲基太氧嘧啶、他巴唑),抑制甲状 腺滤泡细胞摄取碘及碘利用、抑制甲状腺激素的合成;③手术切 除大部分或全部甲状腺:④用131I破坏甲状腺滤泡细胞;⑤选育自 发性遗传性免疫性甲状腺炎;⑧口服或注射三碘甲腺氨酸(D)或甲 状腺激素(T4)造成中状腺功能亢进。由于碘摄取不足,代谢障碍 等原因导致甲状腺代偿性增生、肥大。

2.造模方法
(1)缺碘及功能减退法 缺碘饲料饲喂法。 (2)实验性甲状腺肿法 注射丙基硫氧嘧啶,可造成甲状 腺肿大。 (3)淋巴细胞性甲状腺炎法 选用beagle犬,常易发生淋 巴细胞性甲状腺炎,具有家族性,是—种自发性甲状 腺疾病,选择性繁殖筛选可获得较高发病率的病犬。 (4)实验性甲亢法 注射或T4,可造成甲状腺功能亢进。


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