动物模型的建立与应用.ppt

动物模型的建立与应用 全军动物实验科技人员上岗证培训（ 5） 动物模型的建立与应用 动物模型的定义 动物模型的分类 按照模型功能的分类 按照模型性质的分类 动物疾病模型的分类 -诱发性疾病模型 -自发性疾病模型 -基因工程动物模型 常用模型动物简介 免疫缺陷动物 悉生动物 肿瘤动物模型 动物移植性肿瘤 人体肿瘤的异种移植 动物原发性肿瘤 动物模型的建立与应用： 动物模型的定义 临床研究束服了医学的发展 在时间和空间上存在着局限性 在道义上和方法学上受到限制 难于研究发病率低、潜伏期长和病程长的疾病 病人本身条件差异大，样本采集困难 应用动物模型克服了上述困难，推动了医学进步 18世纪以后医学知识的迅速增长主要归功于实验动物的应用 ,从 1901年开始， 2/3的诺贝尔生理与医学奖的成果涉及应用实验动物的 研究。 动物模型的建立与应用： 动物模型的定义 动物模型 （ animal models） 是指在生物医学研究中所建立的可模 拟人类疾病或异常功能状态的动物实验对象和材料。 The U.S. National Research Committee on Animal Models for Research on Aging attempted to define the term “laboratory animal model” as “an animal model in which normative biology or behavior can be studied, or in which a spontaneous or induced pathological process can be investigated, and in which the phenomenon in one or more respects resembles the same phenomenon in humans or other species of animal”. 在生物医学研究中应用动物模型是利用不同种类动物之 间生物学现象的一致性。例如，我们希望测试在一种动物中 存在的某个系统，将获得的知识外推到另一种动物，而模拟 的目标通常为人类。 研究的焦点不是所用动物的情况，而 是这一动物生理学表现针对我们人类或其他动物种类的类推。 因此，在这种情况下称 “ 人类模型 ” 将会更正确。 动物模型的建立与应用： 动物模型的定义 动物模型的建立与应用： 动物模型的分类 动物模型的分类 依据模型功能的分类 依据模型性质的分类 动物疾病模型的分类 动物模型的建立与应用： 动物模型的分类 依据模型的功能： exploratory ； explanatory； predictive 探索性模型： 用于探究生物学机制，探讨一个生物学机制是一个 正常的基础生物学现象还是与异常生物学功能相关。 解释性模型： 用于探究一个更加复杂或更简单的生物学问题。解 释模型不是必须依靠应用动物，也可以是物理或数学的模型系统。 预言性模型： 用于发现和评价治疗措施的影响，判断治疗措施是 否有效或评价某化合物是否有毒副作用。 动物模型的建立与应用： 动物模型的分类 依据模型的性质 ： homologous； isomorphic； partial 同源性模型 ： 动物的症状和疾病的过程与人类的相同。 同形性模型 ：动物的症状与人类相似，但其诱因不同。 部分性模型： 虽然不能模拟人类疾病的全部过程，却可 用于研究疾病的某些方面或用于疾病的治疗研究。 动物模型的建立与应用： 动物模型的分类 动物疾病模型的分类 诱发性（实验性）疾病模型 Induced (experimental) disease models 自发性（遗传性）疾病模型 Spontaneous (genetic) disease models 基因工程动物疾病模型 Gene engineering animal disease models 阴性疾病模型 Negative disease models 罕见疾病模型 Orphan disease models 动物模型的建立与应用： 诱发性疾病模型 诱发性疾病模型： 是指动物的疾病是健 康动物经实验因素诱发而成。典型例子： 药物性糖尿病模型 诱发性动脉粥样硬化模型 豚鼠支气管痉挛模型 诱发性疾病模型的特点 模型复制时间短 实验条件便于控制 可根据研究需要进行设计或改进 动物模型的建立与应用： 诱发性疾病模型 动物模型的建立与应用： 诱发性动物模型 特别提示 大多数诱发性疾病模型是部分性或同形性模型，因为即使以相 同的致病因素作用于动物，所获结果通常与人类对应的疾病也不尽 相同。几乎没有诱发性疾病模型能够完全模拟人类相应疾病的病因、 病程和病理。 诱发性疾病模型的关键是诱发性疾病（或异常）的病理和结果 与模拟人类疾病的情况相似。人类 SARS冠状病毒可以致恒河猴发病， 但是其病变严重程度要明显轻，疾病的结局也显然不同。 动物模型的建立与应用： 自发性疾病模型 自发性疾病模型 ：利用动物自然发生的遗传变异（突 变）作为人类疾病的模型。现在已经记载和保存了数百 个具有模拟人类相似疾病状态的遗传性异常的品种和品 系（ see, e.g., http:/www.jax.org）。 典型例子： 自发性高血压大鼠 裸小鼠 动物模型的建立与应用： 自发性疾病模型 自发性疾病模型的特点 自发性疾病模型通常是同源性模型，动物的疾病的表型表现与 相应的人类疾病相似。这种表型的相似性通常扩展到模型动物对 治疗的反应与人类患者相似。自发性动物模型在人类疾病治疗方 案的研发方面已经起到重要作用。 近交系小鼠的基因突变由于它们同时拥有相应的同类系或同 品系，从而提供了优异的对照。因为近交系小鼠的疾病通常为一 个受累基因或部位产生了变异，可同时研究与这些突变小鼠相同 的遗传背景的参照品系。 动物模型的建立与应用： 自发性疾病模型 特别提示 受损的基因或基因序列常常导致其他基因的激活，从而动员代偿 代谢机制。这些代偿机制人类和动物模型之间可能不同。 多数情况下，具有自发性疾病的近交系动物的保种和繁殖困难， 价格较贵。 有些自发性疾病模型不便于应用。例如，利用近交系动物自发性 肿瘤模型进行治疗研究，常常要观察 1年才有肿瘤发生，而且肿瘤发 生的时间、种类和发生部位在个体之间常不一致，往往难于确诊和 判定治疗效果。 动物模型的建立与应用： 基因工程动物模型 基因工程动物 ：指某些遗传性状通过基因工程手段 而被人为改造的动物。以对动物改造的手段不同可将 其分为三种类型： 转基因动物（ transgenic animal） 基因敲除动物（ gene knock-out animal） 基因替换动物（ gene knock-in animal） 转基因动物：通过实验手段将新的遗传物质导入到动物胚胎细胞中， 并能稳定遗传，由此获得的动物称为转基因动物。 基因敲除动物：通过基因工程手段将已知基因去除，或用其他顺序相 近基因取代，而获得的工程化动物。通常针对一个结构已知但功能未 知的基因，通过观察基因敲除动物的情况，推测相应基因的功能。 基因替换 动物 :与某个生理现象相关的两个基因中 ,一个基因的编码区 被另一个基因的编码区所替代的工程化小鼠。 动物模型的建立与应用： 基因工程动物模型 动物模型的建立与应用： 基因工程动物模型 基因工程动物模型的特点 可按照研究目的进行设计和培育，其建立过程的本身就 可进行疾病机制的研究。 不但能从动物整体水平和组织器官水平上进行研究，而 且还可以深入到细胞水平和分子水平，为发病机制、药物 筛选和临床医学研究提供了比较理想的实验体系。 转基因动物技术克服了物种之间的生殖隔离，实现了动 物物种之间遗传物质的交换和重组。 动物模型的建立与应用： 基因工程动物模型 特别提示 从理论上讲 ， 随着遗传工程的发展 ， 已有可能在体外培育的哺乳 动物细胞中对任何一个或几个已知基因组结构和 DNA序列的位点进行 各种类型的遗传修饰 。 基因调控机制十分复杂 ， 目前基因工程动物模型提供的信息还很 局限 。 例如 ， 利用转基因小鼠的研究证实除了单一的癌基因可以引起 肿瘤外 ， 癌基因之间的协同作用也可能导致肿瘤的发生 。 即导入一个 癌基因可能会激活另一个癌基因 ， 从而导致了特异性肿瘤的发生 。 阴性疾病模型 Negative disease models 阴性疾病模型是指某一种类、品种或品系动物不发生某一疾 病。例如，感染性疾病模型通常局限于有限的敏感动物，而其余 的不反应动物种类可看作是这一特殊人类病原微生物的阴性模型。 阴性模型因此也包括表现对特定刺激缺乏反应的动物。这类模型 主要应用于探讨动物生理上对致病因素进行抵抗的机制。 动物模型的建立与应用： 阴性疾病模型 动物模型的建立与应用： 罕见疾病模型 罕见疾病模型 Orphan disease models 罕见疾病模型是指自然发生于动物体内的异常，以前在人类 尚未发现，当人类出现相似的疾病后被确定为模型。 包括：马立克氏病（ Mareks disease） , 多发性乳头瘤 （ Papillomatosis） , 牛海绵状脑病（ bovine spongiform encephalopathy） , 绵羊脱髓鞘性脑白质炎（ Visna virus in sheep） , 和猫白血病病毒感染（ feline leukemia virus） 。 动物模型的建立与应用： 动物实验结果的外推 从动物到人类的外推 对动物实验结果不加批判地应用是危险的。在动物体内 无毒或无效的药物在人类体内可能有毒或有效，反之亦然。 人类在遗传上是高度变异的，同时伴随着文化、饮食和 环境的差异。很多实验动物在遗传变异性上与人类不同，尤 其对于药理学和毒理学模型可成为重要因素。 动物模型的建立与应用： 常用模型动物简介 常用模型动物简介 免疫缺陷动物 （ immunodeficient animal） ： 指由于先 天遗传突变或用人工方法造成免疫系统某种或多种成份缺 陷的动物 。 悉生动物 （ gnotobiotic animal） ： 体内带有确知的微 生物的动物 。 为将已知微生物投入无菌动物体内形成 。 动物模型的建立与应用： 免疫缺陷动物 免疫缺陷动物分类 先天性免疫缺陷动物： T淋巴细胞免疫缺陷； B淋巴 细胞免疫缺陷； NK细胞免疫缺陷；联合免疫缺陷 获得性免疫缺陷动物： 黑猩猩 HIV感染；有蹄动物 慢病毒感染；猴 AIDS； 猫 FeLV病毒感染；小鼠 AIDS 模型 动物模型的建立与应用： 免疫缺陷动物 裸小鼠（ nude mice） 裸体（ nude） 、无胸腺（ athymus）。 缺乏成熟 T细胞的辅助、抑制及杀伤功能，因而细胞 免疫力低下。 B淋巴细胞正常，但功能不完善。 成年裸小鼠（ 6 8week） 较普通小鼠有较高水平的 NK细胞活性，但幼鼠（ 3 4week） 的 NK细胞活性低下。 采用屏障环境或隔离器饲养， 生产上一般采用纯合 型雄鼠与杂合型雌鼠交配，可获 1/2纯合型仔代。 动物模型的建立与应用： 免疫缺陷动物 SCID小鼠 （ severe combined immune deficiency） SCID小鼠 T淋巴 细胞和 B淋巴 细胞大大减少，细胞和体液 免疫功能均缺陷，但巨噬细胞和 NK细胞功能未受影响。 SCID小鼠极易死于感染，因而必须饲养在屏障环境或隔 离器内，两性均可生育，寿命可达 1年以上。 广泛应用于免疫细胞分化和功能，异种免疫功能重建， 人单抗生产，人类自身免疫性疾病及免疫缺陷性疾病，病 毒学及肿瘤学等方面的研究。 动物模型的建立与应用： 免疫缺陷动物 CBA/N小鼠 B淋巴细胞功能减退，为 X-链隐性突变系，基因符号 xid。 纯和型雌鼠（ xid/xid）和杂和型雄鼠（ xid/y）对 II型抗 原（非胸腺依赖性抗原，葡聚糖、肺炎球菌脂多糖以及双链 DNA等）没有反应；对胸腺依赖性抗原缺乏抗体反应；血清 中 IgG3、 IgM低下。 T淋巴细胞功能正常，是研究 B淋巴细胞发生、功能与异质 性的理想模型。 动物模型的建立与应用：悉生动物 悉生动物学 是专门研究实验动物在生产与应用过程 中的生物控制，研究寄生体对实验动物宿主的生物学 特征、生产繁殖和科学实验的影响，以及悉生动物在 生命科学研究中的应用等，它是从实验动物学中新崛 起的一个学科。 1945年， Reyniers等率先人工培育繁殖无菌大鼠获得成功。此后，相 继有人工培育成功无菌鸡、小鼠、豚鼠、兔、猪、马、牛等的报道。 二十世纪 80年代初，我国实验动物工作者开始涉足悉生动物学技术领 域，相继自行培育出无菌大鼠、豚鼠、金黄地鼠、兔和犬等动物，在 某些领域达到国际先进水平。 二十世纪六十年代开始，由对无菌动物的人工培育、保持及其生物学 特性的研究，逐步转向以无菌动物为模型的医学研究。特别是在免疫 学、微生态学方面起到开创性作用。 动物模型的建立与应用： 悉生动物 无菌动物的生物学特征 普通动物长期与寄生体相互作用，成为生物复合体，并形成自身 的生物学特性。排除了寄生体作用的无菌动物，其生物学特性又与普 通动物形成明显差别。 寿命比普通动物延长近 1/3，产子数少，而成活率高。 肠壁薄、肌层欠发达，肠绒毛稀疏、粘膜固有层网状内皮细胞稀少， 肠壁组织胺含量低，肠蠕动弱缓、易患肠套叠，盲肠巨大。 动物模型的建立与应用：悉生动物 无菌动物的生物学特征 胸腺、脾脏和淋巴结重量轻，淋巴小结界限不明显，生发中心不发 达，淋巴细胞稀少。 血液白细胞总数、 球蛋白、溶菌酶、嗜中性粒白细胞、 CO2分压均 低于普通动物，而 O2分压却较高。心脏较小，心血输出量明显低。耗 氧量低，肺泡和微血管壁薄。 抗辐射能力强，无肠道菌辐射损伤后的影响。 动物模型的建立与应用：悉生动物 动物模型的建立与应用：肿瘤动物模型 肿瘤动物模型 实验肿瘤学的创立已有近百年的历史，实验动物肿瘤模型在肿 瘤的病因学、发病机理、实验治疗和新抗癌药物的研究中发挥了重 要作用。实验动物的肿瘤模型可以概括地分为以下三类： 动物移植性肿瘤 人体肿瘤的异种移植 原位发生的动物肿瘤 动物模型的建立与应用：动物移植性肿瘤 移植性肿瘤的研究最早见于 1889年，至今已建立 500 多个动物移植性肿瘤的瘤株，但常用的只有 40余种，国内 常用的有 10余种。 目前临床上所用的抗肿瘤药物中，大多数是经动物移 植性肿瘤治疗试验而筛选出来的，所有在临床上对人体肿 瘤有抑制作用的物质，对动物移植性肿瘤均有作用，反之， 在动物移植性肿瘤上得到的结果，经常做为药物临床试验 的基础。 动物模型的建立与应用：动物移植性肿瘤 常用动物移植性肿瘤 肿瘤名称 代号 宿主 取瘤时间（ d） 接种量（ ml） 艾氏腹水癌 EAC KM小鼠或 6-9 0.2（ 1:1-4） 其他小白鼠 肉瘤 180 S180 同上 同上 0.2（ 1:3-4）或 瘤块 (直径 2-3mm) 肝癌 H22 H22 同上 7-11 同上 Lewis肺癌 Lewis C57BL/6小鼠 10-14 0.2（ 1:1-3）或 瘤块 (直径 2-3mm) 动物模型的建立与应用：动物移植性肿瘤 常用动物移植性肿瘤 (续 ) 肿瘤名称 代号 宿主 取瘤时间（ d） 接种量（ ml） 黑色素瘤 16 B16 C57BL/6小鼠 15-20 0.2（ 1:1-3）或 瘤块 (直径 2-3mm) 白血病 615 L615 615小鼠 6-7 0.1-0.2 白血病 388 P388 DBA/2小鼠 6-8 0.2（ 1:3-4） 白血病 1210 L1210 同上 同上 同上 瓦克氏肉瘤 W256 Wistar大鼠或 同上 0.2-0.5（ 1:3） 256 其他大白鼠 动物模型的建立与应用：动物移植性肿瘤 动物移植性肿瘤的特点 模型复制简便。 接种成活率高，可以同种或同品系动物 中连续移植，长期供实验用，也可以以液氮保存瘤种。 实验周期短。 生长特性与人体肿瘤有差别。 没有单一的瘤株对所有的抗肿瘤药物都敏感。 动物模型的建立与应用：人体肿瘤异种移植 人体肿瘤的异种移植模型 将人体肿瘤移植于免疫缺陷的动物体内 ， 因为保持着人体肿瘤的组 织学 、 免疫学及生物学特性 ， 用于研究药物对人体肿瘤的作用将更有 代表性 。 用人癌组织移植裸鼠 ， 移植的成功率是 28.3%。 由成株的人癌细胞移植裸鼠 ， 成功率一般可达 90%， 目前世界上已 建立的人恶性肿瘤细胞系不胜可数 ， 这种途径是现在最常采用的建立 人类肿瘤异种移植模型的方法 。 SCID小鼠等联合免疫缺陷小鼠 、 裸大鼠等也常用于人体肿瘤的异 种移植研究 。 动物模型的建立与应用：原发性动物肿瘤模型 原位发生的动物肿瘤 动物自发性肿瘤 化学致癌物诱发的动物肿瘤 动物移植性肿瘤的原位移植 动物模型的建立与应用：原发性动物肿瘤模型 动物自发性肿瘤的特点 肿瘤发生学及细胞动力学特点与人类肿瘤较接近 ， 而 且这类模型便于进行慢性治疗和综合治疗研究 。 其病因与遗传有关 ， 而人类肿瘤很少由遗传起决定性 多用 。 通常动物个体之间肿瘤的生长速度差异较大 ， 难于评 价治疗效果 。 动物模型的建立与应用：原发性动物肿瘤模型 化学致癌物诱发动物肿瘤 的特点 瘤细胞增殖动力学与人类肿瘤较接近 ， 是癌变机理及 癌前阻断研究的理想模型 。 难于观察肿瘤的动态发生 、 发展 ， 常缺乏客观测量肿 瘤发生 、 发展或退缩的指标 。 诱发肿瘤需时较长 ， 动物肿瘤的发生往往先后不齐 。 谢谢！