實驗動物 基礎

實驗動物學基礎第一節(jié)

導論

實驗動物學是進行生物醫(yī)學研究的基礎性學科，它應用生物學、畜牧、獸醫(yī)學及醫(yī)學基本理論、基本技術和有關學科的基礎知識，系統(tǒng)地闡述實驗動物的生物學特性、育種、繁殖、飼養(yǎng)管理，疾病的預防、治療，環(huán)境、遺傳、微生物、營養(yǎng)，動物實驗設計、實驗方法的優(yōu)化、實驗過程的控制，以及實驗動物的麻醉、鎮(zhèn)痛和安樂死，動物實驗的替代，動物實驗的倫理，動物福利的保障等。一、實驗動物學

20世紀50年代后期，在近代生物醫(yī)學發(fā)展過程中，對實驗動物質量和動物實驗結果準確性的要求，越來越高，于是就誕生了一門獨立的專門研究實驗動物和動物實驗的科學——實驗動物學。前者是研究實驗動物的遺傳、育種、質量控制、疾病防治以及動物福利等內(nèi)容；后者指以科學實驗研究為目的，在動物福利得到保障的前提下，對動物進行各種處理，獲得新的、科學的實驗數(shù)據(jù)。

實驗動物學是一門比較年輕的科學，但它已經(jīng)建立起自身完整的理論體系，也派生出相關分支學科，如：實驗動物育種學、實驗動物微生物學、實驗動物環(huán)境生態(tài)學、實驗動物營養(yǎng)學、實驗動物醫(yī)學、比較醫(yī)學、動物實驗、實驗動物飼養(yǎng)管理等。二、實驗動物

（一）實驗動物的種類

自然界動物種類繁多，到目前為至已知的約為150萬種以上。采用物種的自然分類法，以動物的外部性狀、內(nèi)部構造、生活方式、生物的發(fā)生和彼此間的血緣關系等為依據(jù)，可以將所有動物以門（phylum）、綱（class）、目（order）、科（family）、屬（genus）、種（species）進行分類，除此之外，還可用亞門、亞綱、亞目、亞科、亞屬、亞種等來表示更細的分類等級。（二）實驗動物和實驗用動物

1．實驗動物

實驗動物指人工培育的、來源清楚、遺傳背景明確、對攜帶的微生物實行控制、用于科學實驗、藥品、生物制品生產(chǎn)、檢定的動物。

實驗動物標準化：指實驗動物生產(chǎn)條件（環(huán)境和設施）標準化、實驗動物質量標準化（微生物學和寄生蟲學控制，以及遺傳質量控制）、動物實驗條件標準化。按照以上提到的條件和標準，小鼠、大鼠、地鼠、豚鼠、兔子等進行多年人工飼養(yǎng)，已經(jīng)完全成為合格的實驗動物，其它一些哺乳類、鳥類、魚類以及非人靈長類實驗動物化的工作正在進行，還不是嚴格意義上的實驗動物。經(jīng)濟動物也稱家畜家禽，是以人類社會生活需要為目標，以經(jīng)濟性狀（肉、乳、蛋、皮毛等）作為人工選擇指標，定向馴養(yǎng)、培育、繁殖的動物。

野生動物是指自然狀態(tài)下生存的動物。為了研究的需要，人類有時從自然界捕獲的這些動物進行動物實驗研究，而沒有進行人工繁殖、飼養(yǎng)。(1)實驗動物微生物學質量的影響（1）威脅人的健康和生命流行性出血熱病毒（Epidemichemorrhagicfevervirus)淋巴細胞脈絡叢腦膜炎病毒（Lymphocyticchoriomeningitisvirus）猴B病毒(Bvirus)狂犬病病毒(Rabiesvirus)布氏桿菌(Brucella)流行性出血熱病毒宿主動物主要是小型嚙齒動物，實驗動物中小鼠和大鼠比較常見。傳播途徑以接觸感染為主，常由帶毒動物咬傷抓傷為主。典型表現(xiàn)有發(fā)熱、出血和腎臟損害三類主要癥狀，以及發(fā)熱、低壓，少尿、多尿與恢復期等五期臨床過程。淋巴細胞脈絡叢腦膜炎病毒病毒屬RNA型病毒，宿主動物主要是倉鼠小鼠、田鼠等鼠類。通過呼吸道及消化道及接觸病鼠皮毛排泄物使人感染。臨床癥狀剛開始為流感型癥狀，后表現(xiàn)為腦膜炎型。猴B病毒病毒屬皰疹病毒Ⅰ型，自然宿主為舊世羿猴，獼猴也可感染，無明顯癥狀。人、猴之間的傳播主要以密切接觸、抓咬為主。人感染后可出現(xiàn)腦炎等嚴重中樞神經(jīng)癥狀，病死率較高?？袢〔《静《緦購棤畈《究瓶袢《緦?，自然宿主廣泛狼、狐貍、鼬鼠、蝙蝠等及家養(yǎng)動物狗、貓、牛等均可感染。人主要被病獸或帶毒動物咬傷后感染。一旦感染，如不及時采取有效防治措施，可導致嚴重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)急性傳染病，病死率極高。（2）影響動物生產(chǎn)結核分枝桿菌(M.tuberculosis)鼠痘病毒(Mousepoxvirus)泰澤氏菌(Tyzzer'sorganism)犬細小病毒(CanineDistemperVirus)犬瘟熱病毒(Caninedistempervirus)巴氏桿菌(Pasteurella)（3）干擾實驗結果隱性感染，不表現(xiàn)臨床癥狀。但改變動物生物學參數(shù)，影響實驗準確性、規(guī)律性、重復性。實驗刺激下感染顯性化，得病、死亡，實驗終止。裸鼠慢性感染一些微生物綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)感染免疫抑制動物

按微生物學控制標準，實驗動物在我國分為四級一級動物普通動物二級動物清潔動物三級動物SPF動物四級動物無菌動物2、實驗動物遺傳學質量的影響

動物實驗結果的重復性取決于動物個體差異，而動物個體特征主要受遺傳基因控制，故實驗動物的遺傳學質量對動物實驗結果有重要影響。不同基因型動物，生物學特性有明顯差異，對實驗刺激有不同反應。BALB/c對放射線比其他品系更為敏感。C57BL/6腫瘤發(fā)生率低，A系高。DMBA可致BALB/c產(chǎn)生白血病，對A系卻產(chǎn)生皮膚潰瘍BALB/c和C3H小鼠對鼠傷寒沙門氏菌的敏感性存在顯著差異SHR為自發(fā)性高血壓大鼠，心血管疾病發(fā)生率高

必須推廣應用標準品系動物，防止各種品系動物發(fā)生遺傳污染、基因型及生物學特性的改變，保證動物的遺傳質量。按遺傳學控制標準即基因的純合程度，實驗動物分為近交系封閉群雜交群動物近交系經(jīng)至少連續(xù)20代的全同胞兄妹交配或親代與子代交配培育而成，品系內(nèi)所有個體都可追溯到起源于第20代或以后代數(shù)的一對共同祖先。代表動物：BALB/c、C57BL/6、DBA/2封閉群：以非近親交配方式繁殖生產(chǎn)的一個實驗動物種群，在不從其外部引入新個體的條件下，至少連續(xù)繁殖4代以上，稱為一個封閉群，或叫遠交群代表動物：ICR小鼠、SD大鼠、畢格犬雜交群：不同品系或種群之間雜交產(chǎn)生的后代稱為雜交群。用于醫(yī)學生物學研究常指兩個近交系雜交后生育的第一代動物。代表動物：如C3H/HeJ♀×AKR/J♂

實驗動物生產(chǎn)與實驗條件的標準化是對干擾動物實驗的周圍環(huán)境因素進行控制。實驗動物生產(chǎn)條件和動物實驗條件的標準化

環(huán)境因素包括：氣候因素（溫度、濕度、氣流、風速）理化因素（換氣、粉塵、臭味、噪音、照明）居住條件（籠具、墊料、房舍）營養(yǎng)因素（飼料、水）同種和異種動物之間的關系2．實驗用動物實驗用動物指來源于野生動物、經(jīng)濟動物或其它人工飼養(yǎng)的動物，經(jīng)過人工選擇、定向培育發(fā)展而來、用于生物醫(yī)學研究的動物。實驗用動物泛指一切用于科學實驗的動物，除了嚴格意義上的實驗動物外，還包括經(jīng)濟動物、野生動物或觀賞動物，也包括無脊椎動物。實驗用動物范圍要比實驗動物廣得多。

實驗用動物是指所有用于動物實驗的動物，包括實驗動物。而實驗動物是為研究的需要而培育的。確定是否是實驗動物，要經(jīng)過一系列檢測，如微生物和遺傳基因等，經(jīng)專家鑒定才能稱其為實驗動物.3．遺傳修飾實驗動物

目前，動物遺傳工程技術日益成熟，這些技術經(jīng)迅速擴展，培育大量的遺傳修飾動物（geneticallymodifiedanimals），大大豐富了實驗動物的資源，為生物醫(yī)學研究提供了一個強有力的工具。轉基因動物（transgenicanimal）：采用顯微注射技術將外源DNA溶液注入到小鼠受精卵的雄原核，用這種方種成功地獲得了帶有外源基因并能穩(wěn)定遺傳的動物。嵌合體小鼠（chimeramouse）：攜帶外源基因的胚胎干細胞（embryonicstemcell，ES），被注入于正常囊胚，發(fā)育成為嵌合體小鼠（chimeramouse）?；蚯贸╧nockout）小鼠：內(nèi)源性的基因被剔除（基因失活）后培育的工程化小鼠?；蛱鎿Q（knockin）小鼠：與某種生理現(xiàn)象相關的兩個基因中的一個基因被另一個基因所替代后（基因功能改變）培育的工程化小鼠?？寺游铮╟loneanimal）：采用胚胎分割技術、核移植技術等培育克隆動物。三、動物實驗動物實驗類型：在此特指生物醫(yī)學實驗研究中使用了動物，并且實驗過程會給動物帶來疼痛或傷害的實驗類型。如果利用動物的器官、組織和細胞進行的體外實驗研究，不屬于動物實驗研究的范疇。意義：進行動物實驗研究有助于人們了解生物學基本知識、揭開生命的奧秘；有助于研究人類和動物疾病的成因，尋找新的診斷和治療措施；有助于生物醫(yī)學的教育和培訓，如，醫(yī)學院、獸醫(yī)學院學生外科技術訓練等。在動物實驗研究中，動物的反應（也就是動物實驗的結果）可以簡單總結為：

R=（A+B+C）×D+E

其中，R是動物的反應，也就是動物實驗處理的結果，A代表動物物種的反應，B代表動物品種或品系的反應，C代表個體的反應，D表示環(huán)境因素和動物種、品系、個體相互作用后對實驗結果的影響，E代表實驗誤差。四、醫(yī)學研究和動物實驗

在現(xiàn)代醫(yī)學生物學研究的領域里，進行實驗研究的條件可以概括為AEIR四個基本要素，A代表animal（動物），E代表equipment（設備），I代表information（信息），R代表reagent（試劑）。其實，實驗動物作為人類的替代者或模型，是伴隨著生物醫(yī)學一起成長、一起發(fā)展起來的。在生命科學研究中，實驗動物既是實驗研究的載體，又是人類疾病的模型動物，同時還可以用來生產(chǎn)生物制品和進行生物學檢測，實驗動物也是軍事、航天等諸多領域的“功臣”。在未來，實驗動物不但可能成為人體器官移植的供體，而且是進行功能基因組和疾病基因組學研究的“核心模型”。

五、動物實驗標準化

動物實驗標準化指使任何給定動物（或動物群體）的質量及其所處環(huán)境保持穩(wěn)定，即動物質量和實驗條件標準化。

標準化動物實驗可以增加實驗結果的重復性，使實驗室內(nèi)和不同實驗室之間動物實驗結果的具有可比性。標準化也可以減少給定動物實驗中同種動物定量度量值的變異，從統(tǒng)計學觀點來看，減少動物個體間度量值變異，可以降低每次實驗所需動物的數(shù)量。

（一）變異分析

動物實驗的標準化只涉及當時已知可能的變異。度量值的變異來源于兩種情況：一是我們所知的實驗間變異（between-experimentvariation）或組間變異；二是實驗內(nèi)變異或動物個體間差異（within-experiment或inter-individualvariation），也叫組內(nèi)變異。事實上，兩種變異都來源于動物本身以及實驗過程中環(huán)境的影響。

1．實驗間變異

重復一個特定的動物實驗，不管使用同一組或不同組動物，結果總是得到不同的度量值。處理會使對照組和實驗組平均度量值發(fā)生變化，即組間變異。組間變異可以剖分為：動物個體度量值間變異和實驗條件間變異。如果處理因素和實驗條件之間發(fā)生交互作用，還有一個額外的因素使處理在每次實驗中發(fā)生變化，可能會導致對實驗結果錯誤的解釋。為了精確地評價處理效果重復實驗是必須的。處理效果應該是真正的效果，系統(tǒng)誤差或干擾對它即不削弱、也不夸大。降低實驗間效應變異將減少對同一實驗的重復性，因而使實驗動物的使用量減少。從科學的觀點來看，實驗結果不應依賴于動物實驗進行的時間和地點，必須是建立在可重復實驗的基礎上。

2．實驗內(nèi)變異在一次實驗中，相同的動物之間的定量度量值屬于個體間的變異。這種實驗內(nèi)變異包括：實施實驗過程造成的變異、分析變異、個體內(nèi)變異（intra-individualvariation）和固有的個體間變異（intrinsicinter-individualvariation）。固有的個體間變異來源于每個動物個體的度量值，每個動物固有特性不同，而且基本上不依賴于動物所接受的處理。個體內(nèi)變異是一個動物體不能標準化的變異組成，這種變異會使動物每天度量值上下波動。

3．動物實驗間和實驗內(nèi)變異的來源動物實驗中變異的一個重要來源是實驗動物自身。

一個實驗組中動物的差異或兩個不同組間動物的差異來源于動物的年齡、體重、同窩動物的數(shù)量及其它可能在實驗前就已經(jīng)存在的差異。這些差異可以增加實驗間或實驗內(nèi)度量值的變異，如果這個變異影響到對照組和實驗組差異，將影響實驗結果。個體間基因型的差異（包括性別），同樣會增加度量值的變異。動物實驗中的生物因素（動物攜帶微生物狀況、性周期等）、物理因素（光照、溫度等）、化學因素（營養(yǎng)、睡眠等）、群體因素（飼養(yǎng)密度、個體的相互作用）等環(huán)境因素也會增加實驗結果的組間和組內(nèi)變異。

動物實驗獲取的度量值基本上是由遺傳和環(huán)境的相互作用決定的。遺傳和環(huán)境的相互作用表現(xiàn)在各個層次上：環(huán)境對受精、胚胎發(fā)育到性成熟期的影響，被稱作初期環(huán)境（primarymilieu），初期環(huán)境和基因型的相互作用決定了動物的表型。初期環(huán)境后、動物實驗前環(huán)境繼續(xù)影響表型，形成演出型（dramatype），這是二期環(huán)境（secondarymilieu）。動物受到實驗過程和處理因素的影響，即為三期環(huán)境（tertiarymilieu）。

根據(jù)度量值的類型，基因型和環(huán)境之間的相互作用對實驗間和實驗內(nèi)變異以及處理有不同的影響。

動物和環(huán)境的標準化

理論上講，由于基因造成的個體差異可以通過使用基因型相同的動物來排除。近交系或F1代是同基因型動物，動物實驗中觀測度量值的個體間變異比不同基因型的動物（如，封閉群動物）要小的多。當然，遺傳只是影響度量值眾多因素中的一個因素。

實驗動物攜帶的微生物能夠影響度量值的多種變異。一些微生物隱性感染的動物，可以明顯的增加不同實驗之間和同一實驗個體之間度量值的變異。通過使用攜帶微生物背景明確的動物（如，SPF動物），可使這類變異減少到一定程度。

更換飼養(yǎng)場所的實驗動物，至少要經(jīng)過一周的時間動物才可能達到一種新的穩(wěn)定的生理狀態(tài)。動物到達一個新的地方，涉及物理、化學、微生物等