高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的發(fā)展

高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展

人類正在經(jīng)歷著一個高新技術(shù)發(fā)展的歷史時期。在遺傳學(xué)方面,人類、小鼠和其它基因組的克隆、序列分析正在迅速發(fā)展和完善。21世紀(jì)主要的任務(wù)就是全面的探討基因的功能和它在人類疾病發(fā)生過程的作用?？茖W(xué)家之所以能夠基本上了解原核生物和低等真核生物的基因功能,主要歸功于對突變基因動物的研究。實驗動物是生物科學(xué)等基礎(chǔ)研究及生物高技術(shù)研究、開發(fā)、應(yīng)用的重要支撐和保證條件。隨著現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,實驗動物科學(xué)已從過去注重于動物的飼養(yǎng)管理和實驗操作的宏觀向微觀方面發(fā)展。

自1980年美國科學(xué)院院報(PNAS,USA)報道了Dr.Gozdon等人第一個生產(chǎn)了轉(zhuǎn)基因小鼠以來,轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展迅速,人們稱之為一場實驗動物科學(xué)的革命。它使在實驗動物活體內(nèi)集整體水平、細(xì)胞水平和分子水平為一體,更能體現(xiàn)生命整體的研究效果,從而為醫(yī)藥衛(wèi)生研究提供了新的強有力的研究工具。工程生物醫(yī)學(xué)模型是指通過生物技術(shù)工程手段創(chuàng)立的具有生物醫(yī)學(xué)模擬表現(xiàn)的實驗動物模型。通過現(xiàn)代遺傳修飾手段,包括轉(zhuǎn)基因技術(shù)(transgenic,knockout/knockdone)、細(xì)胞核轉(zhuǎn)移和細(xì)胞器轉(zhuǎn)移,如線粒體轉(zhuǎn)移等技術(shù),改建的動物模型,又統(tǒng)稱為遺傳修飾模型(geneticallymodifiedmodels;GMM)。這些實驗動物模型和模型系統(tǒng)必將促進人類疾病的研究,并將全方位的促進新藥的篩選、開發(fā)和利用。

生物醫(yī)學(xué)模型實質(zhì)上就是人類或人類生物系統(tǒng)的“替身”。應(yīng)用這種“替身”去理解從基因型(genetype)到表現(xiàn)型(phenotype)的正常和非正常功能,從而對人類疾病提供一個預(yù)防和治療的基礎(chǔ)。例如,各種侏儒癥小鼠模型,通過對其突變基因的克隆研究及比較人類的遺傳圖譜,已使科學(xué)家了解人類侏儒癥的發(fā)生條件,并提出對其治療的建議。

生物模型并不需要是一個完全的人類疾病的復(fù)制品。例如,帶有人類Duhenne-Becker肌肉營養(yǎng)障礙同物系基因的突變小鼠,它就不象人類那樣對小鼠本身有很大的影響,而且還能再生退化的肌肉(Anderson,1988)。但這類模型已成功的用在對這種肌肉衰退性疾病的肌肉種植治療實驗上。許多Knockout突變小鼠,并不顯示出其表現(xiàn)型,但仍能顯示出其基因的作用。

比較醫(yī)學(xué)的研究在發(fā)展、創(chuàng)造生物醫(yī)學(xué)模型方面起到一個舉足輕重的作用。比較醫(yī)學(xué)(comparativemedicine)是研究實驗動物與人類生命現(xiàn)象的關(guān)系,其主要目的就是對不同種系動物與人類之間的生理、病理作出有意義的比較,建立各種人類疾病的實驗動物模型及模型系統(tǒng),去了解人類疾病的發(fā)生、發(fā)展,用于診斷、治療及病理、生理、藥理等實驗,為保護和增進人類健康服務(wù)。

如下幾方面將成為21世紀(jì)實驗動物模型發(fā)展、應(yīng)用的焦點。

一、功能基因組(functionalgenomics)實驗動物模型

本世紀(jì)遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)及分子生物學(xué)都得到突飛猛進的發(fā)展?；蚺c人類健康之間的關(guān)系已引起人類的關(guān)注?！叭祟惢蚪M計劃”完成。21世紀(jì)的醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的研究、重大疾病的預(yù)測、診斷和防治必將集中在研究基因的功能上。科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)很少有人類的疾病是由一種單一基因作用的結(jié)果,因此,了解基因的相互作用將成為21世紀(jì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的焦點。功能基因組的概念,就是研究基因如何控制人類自我。要從基因組的破譯轉(zhuǎn)向功能基因組的分析,實驗?zāi)Ｐ蛯⑹且粋€十分關(guān)鍵的問題?？梢哉f在高等生物體中沒有一個基因是單獨活動的?；蚬δ艿脑u估,唯一的辦法是從分子生物學(xué)本身移到對整體模型動物的分析。在整體動物的基因相互使用下,所產(chǎn)生的表現(xiàn)型或疾病,只有通過整體動物的試驗才能理解。功能基因組實驗動物模型將是21世紀(jì)實驗動物科學(xué)的“核心模型”。科學(xué)家認(rèn)為,小鼠、斑馬魚(Zebeafish)及非人靈長目動物是研究人類功能基因組最好的實驗動物模型。

由于小鼠的生命周期短,繁殖力強,在飼養(yǎng)、管理方面相對較為經(jīng)濟,加之目前對小鼠的遺傳圖譜的分析最為詳細(xì),到目前為止,人們發(fā)現(xiàn)小鼠與人類大約有100種以上的同源基因。小鼠的遺傳基因組及組織解剖結(jié)構(gòu)與人類十分類似；在疾病表現(xiàn)型上與人類也十分近似,因此認(rèn)為小鼠作為人類健康研究的實驗動物模型為最佳候選者。有兩種途徑去了解這些實驗動物的基因功能就是通過基因的表達(dá)分析和誘發(fā)突變分析。

其一就是用高新技術(shù)的轉(zhuǎn)錄圖譜(Transcriptmaps)分析,如Chip（芯片）技術(shù)(Chree1997)。這種Chip技術(shù)可以進行整體動物的功能分析。目前生物技術(shù)公司已投資于這種技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

其二,就是通過大規(guī)模的誘發(fā)突變方法。通過表現(xiàn)型分析去確定功能重要的基因及整體生理分析。

世界小鼠的模型資源中有97%保存在美國的Jackson研究所。該所保存了300多種自發(fā)突變的小鼠模型及近700余種不同類型的誘發(fā)突變小鼠模型,特別是Transgenic和Knock-out轉(zhuǎn)基因小鼠模型,該所已成為世界小鼠模型的中心。

德國的MaxPlanck研究所和美國麻省總醫(yī)院已承擔(dān)斑馬魚大規(guī)模誘發(fā)突變的篩選工作。迄今,已在2000多種突變品系中有500多種基因在胚胎發(fā)育中被確認(rèn)。西方國家已投入大量資金支持對小鼠和斑馬魚的基因圖譜的研究。因此,這方面的研究將有效地促進人類生物醫(yī)學(xué)研究的許多領(lǐng)域。二、衰老的實驗動物模型

由于環(huán)境、營養(yǎng)、公共衛(wèi)生保健和疾病控制等方面有很大改善,使人類平均壽命有明顯的提高。人類期盼著長壽,需要回答衰老的原因,如何確定控制衰老的速度,如何進一步改進生命的質(zhì)量等問題?？赏ㄟ^衰老的實驗動物模型開展這方面的研究。

目前,科學(xué)家已認(rèn)識到很多方面的表現(xiàn)型和基因型都影響和限制壽命的長短及衰老過程。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始利用小鼠及其它啃齒類動物、鳥類和小型非人類靈長目動物作為研究衰老問題的實驗動物模型,這些模型將推動21世紀(jì)對這個問題的研究。

日本Kyoto大學(xué)的ToshioTakeda博士利用從美國Jackson研究所引人的AKR/J小鼠,通過培育和遺傳選擇的方法,培育了一種快速衰老的小鼠模型(senescence-acceleratedMouse,SAM)。SAM小鼠外觀上少毛,生長慢,皮膚粗劣,眼圍損傷,壽命短。在病理上表現(xiàn)了衰老的淀粉樣變性,喪失學(xué)習(xí)記憶和腦萎縮、衰老性的骨質(zhì)疏松癥、白內(nèi)障、聽力衰退、免疫應(yīng)答系統(tǒng)的損傷、肺膨脹過度、腎縮小等。從外觀癥狀和表現(xiàn)與人類衰老癥狀基本一致。在Kyoto大學(xué)已有12種近系品系作為原種,有9種作為有希望的品系(SAMP)和3種抗衰老的品系(SAMR)。

由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用,科學(xué)家正在研究創(chuàng)造很多小鼠模型,可望應(yīng)用在衰老的研究上。據(jù)文獻記載,以下幾種轉(zhuǎn)基因小鼠可望應(yīng)用：

(1)GLUT4：一種攜帶人類GLUT4(11.5kb)的轉(zhuǎn)基因小鼠。這種GLUT4基因表達(dá)在小鼠的脂肪組織、心臟和骨髓肌上，并顯示了低的血漿葡萄糖水平。

(2)APP轉(zhuǎn)基因小鼠：其攜帶著不同編碼淀粉前體蛋白的突變基因。APP轉(zhuǎn)基因表達(dá)這種淀粉狀蛋白沉積在轉(zhuǎn)基因小鼠的腦中，可作為研究Alzheimer疾病(AD)，淀粉狀蛋白沉積的病理作用。(3)CRHknockout小鼠：這種小鼠的前皮質(zhì)甾酮擇致激素基因的全部序列被刪除。這種純合子(CRE)小鼠顯示了正常的皮質(zhì)甾酮的水平，但在飲食限制的情況下，沒能顯示出血漿皮質(zhì)甾酮的水平增加。因此，這類小鼠可作為研究糖(腎上腺)皮質(zhì)激素在衰老過程的作用之應(yīng)用。

(4)Sod2+/-，雜合子Knockout小鼠：這類小鼠的Mn-過氧化物歧化酶基因(Mn-SOD)的第三外顯子被刪除。這種雜合的Knockout小鼠的Mn-SOD活性被減低50%，因此可以研究衰老中的氧化應(yīng)力理論。

三、行為和生物學(xué)模型

基礎(chǔ)行為方面的研究,雖然有很強的傳統(tǒng)研究方式，但是有關(guān)這類研究的工具和技術(shù)近年來才開始應(yīng)用于行為細(xì)胞、分子和遺傳等方面。

在行為方面的重要研究領(lǐng)域包括生物精神病學(xué)、發(fā)育生物學(xué)及特殊的精神紊亂。如焦慮不安、抑郁癥、精神分裂癥及學(xué)習(xí)、記憶識別能力的衰退。這方面有一系列心理免疫學(xué)與抗病、康復(fù)之間的關(guān)系。水生生物，如斑馬魚,是一個極好的發(fā)生學(xué)模型,特別是用在行為發(fā)育及行為遺傳的研究上,將可能推動胚胎學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和其方面的研究進展。實踐證明,在帶有雙光子探測器的鏡下,利用熒光器探針標(biāo)記,可以觀察斑馬魚的胚胎成熟過程,建立突變分析程序和定位決定行為的基因?？梢?在發(fā)育、神經(jīng)病理學(xué)的基礎(chǔ)研究方面,斑馬魚是一個較好的模型。其次,如海洋軟體動物,如Aplysia，具有較簡單的神經(jīng)系統(tǒng),有利于行為、神經(jīng)方面的電生理學(xué)的研究。

自孟德爾遺傳法則建立后,自發(fā)突變,一向為遺傳研究的對象,攜帶自發(fā)突變基因的小鼠,一向被廣泛的應(yīng)用于行為、神經(jīng)生物學(xué)研究方面。四、復(fù)合疾病(complexdisease)

實驗動物模型

隨著社會的進步、環(huán)境的變化,使人類意識到許多人類疾病的發(fā)生,包含著很強的社會因素和環(huán)境因素。同時多種疾病的發(fā)生是由于多重基因(polygene)與環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。因此,Regeas和Hixon,在1997年率先提出了復(fù)合疾病(complexdisease)的概念。

復(fù)合疾病包括很多種,諸如：行為和系統(tǒng)的疾病(AID病、Alzheimer’s

病、心理紊亂病、焦慮癥、沮喪癥和精神分裂癥)、糖尿病、心血管病、腫瘤、高血壓、心臟病及傳染病。復(fù)合疾病的研究關(guān)鍵在于去尋找與這些疾病發(fā)生相關(guān)的敏感基因群。以及研究這些敏感基因群與社會、環(huán)境因素的關(guān)系。建立、發(fā)展復(fù)合疾病的實驗動物的目的就是去驗證、鑒定影響復(fù)合疾病、或有發(fā)生復(fù)合疾病危險的基因。

有兩個途徑發(fā)展這一類的動物模型：其一,根據(jù)遺傳損傷和選擇近親嚙齒類動物。其戰(zhàn)略就是以最小的背景遺傳突變(變異),以便去確定單一基因的效力和其敏感性等位基因在表現(xiàn)型上的功能。小鼠和犬的近交系將是研究人類復(fù)合疾病的重要模型。

其二,就是用統(tǒng)計和分子生物學(xué)方法去研究非近親系群體和自發(fā)遺傳突變,從而確定基因座位(geneloci)的表現(xiàn)型效力,弄清環(huán)境和其它基因的作用。在這方面非人靈長類系統(tǒng)可作為復(fù)合疾病的動物模型。因為它的生理、遺傳背景更近于人類。由于嚙齒類和非人靈長類動物都具有復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng),利用這類模型去研究神經(jīng)細(xì)胞生理將存在一定的困難,而水生生物,如斑馬魚、海洋軟體動物(Aplysia)是研究行為神經(jīng)復(fù)合疾病的良好模型。

21世紀(jì)的復(fù)合疾病的研究將從定性分析轉(zhuǎn)為定量分析復(fù)合、多重基因的作用。這將預(yù)示著對實驗動物模型的要求更高,比較醫(yī)學(xué)科學(xué)家必將面對這種挑戰(zhàn)。五、傳染性疾病的實驗動物模型

近年來,從世界范圍內(nèi),傳染性疾病對人類的危害越來越引起重視。尤其是丙型肝炎和結(jié)核病等的發(fā)病率逐年增加。有關(guān)傳染性疾病和免疫系統(tǒng)的平衡研究已引起科學(xué)家的注意。下面幾種模型是這方面研究的重點：

(1)鼠類模型去研究它的免疫系統(tǒng)。

(2)小鼠的免疫系統(tǒng)研究：近年來,有關(guān)小鼠的免疫基因自發(fā)突變模型在這方面研究上作出很大貢獻。

(3)蚊子及類似的其他動物免疫系統(tǒng)研究：蚊子及類似的其它動物是人類感染性疾病的載體。研究它們的免疫系統(tǒng)將有利于提出防止、治療有關(guān)傳染病的戰(zhàn)略。

(4)從分類學(xué)角度,廣泛研究不同門類生物的免疫系統(tǒng)：可能發(fā)現(xiàn)控制脊椎動物和人類免疫系統(tǒng)的高度保守的基因片段,從而有利于遺傳工程技術(shù)去調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的平衡。

(5)研究鱉魚的免疫系統(tǒng)：期望著尋找出新的控制感染性癌癥發(fā)生的免疫基因。六、實驗動物模型的計算機模擬系統(tǒng)

計算機時代增加科學(xué)研究的整體性和綜合性,在科學(xué)研究的領(lǐng)域運用數(shù)學(xué)模擬、系統(tǒng)論、信息論、控制論、協(xié)同論等在未來科學(xué)研究中的地位將更加重要。

有關(guān)生物醫(yī)學(xué)模型研究資料處理的計算機管理系統(tǒng)主要包括兩個方面：一是對其資料的生物數(shù)學(xué)模擬和統(tǒng)計分析；二是用于功能基因組及其它方面研究的基本資料的存儲信息系統(tǒng)。在這方面已充分顯示了計算機的巨大功績。當(dāng)今的高新技術(shù),新的計算機軟件已開始用于活體動物上的腦功能研究(如動態(tài)腦功能圖像技術(shù))、電子生理、行為測定系統(tǒng)。科學(xué)家已開始思考如何使計算機模擬系統(tǒng)與實驗動物模型結(jié)合起來,形成一個“科技整合系統(tǒng)”,應(yīng)用于人類生物醫(yī)學(xué)研究之中。

美國科學(xué)家Fostea和Boston已提出了在實驗動物模型中建立生理和代謝過程的SAAM計算機模擬系統(tǒng)。其研究效果已初見端倪,顯示了21世紀(jì)的實驗動物與計算機模擬系統(tǒng)相結(jié)合的巨大潛力。這種“科技整合系統(tǒng)”的應(yīng)用可以減少實驗動物的應(yīng)用數(shù)量,這符合世界性的“動物保護主義者”的權(quán)益。1、字體安裝與設(shè)置如果您對PPT模板中的字體風(fēng)格不滿意，可進行批量替換，一次性更改各頁面字體。在“開始”