現代醫學實驗動物科學與比較醫學研究

“比較醫學是推動人類健康研究的焦點學科，比較醫學家將永遠站在生物醫學發展的起跑線上”。

——諾貝爾獎獲得者、美國Jackson

實驗室的Snell博士前言1.實驗動物科學與生命醫學的發展是相輔相成的。2.無菌動物、近交系動物和免疫缺陷動物培育成功是適應生命醫學研究的需要而取得的成果，也是現代實驗動物科學得以確立的基礎。

6.如何利用日新月異的生物高技術為人類健康和發展服務？如何更科學地把實驗動物科學與臨床醫學緊密的結合起來？比較醫學應運而生，理所當然登上生命科學的舞臺。一、關于比較醫學1.什么是比較醫學？

——是對人類和動物各種生命現象特別是疾病表現進行類比研究的一門新興學科。包括基礎比較醫學、臨床比較醫學和系統性比較醫學等。1）早期比較醫學：主要在組織、器官和整體水平比較不同種系動物與人類之間的生理、病理異同。2）近代比較醫學：主要是應用人工培育的各種實驗動物（包括近交系、免疫缺陷以及無菌及悉生動物等）建立各種模擬人類疾病的動物模型來進行研究。

現代實驗動物科學技術改變了比較醫學動物模型建立模式

在比較醫學研究中，通過傳統的近交、回交等育種方法，可建立高血壓、糖尿病等自發性動物模型及裸鼠、嚴重聯合免疫缺陷小鼠等品系。但是，采用上述技術手段獲得純系需要花費很長時間，并且這些動物模型建立是一個被動獲得過程，而且有很大的偶然性，受到種間壁壘的限制。轉基因技術和基因敲除技術可實現對動物基因組的改造和操縱，能夠主動設計制備多種疾病的動物模型即基因工程動物，利用這些模型研究疾病的發生發展機理和各種防治方案。現代實驗動物科學技術打破了種間壁壘，不同物種間可以進行遺傳物質交換，實現了基因水平、細胞組織水平和整體水平研究的統一，為比較醫學研究提供了廣闊的空間和無限的可能性。

2.通過動物實驗進行比較醫學研究促進醫學發展的典型事例年代發現人發現所用動物BC384～322亞里斯多德（Aristotle）比較動物解剖和胚胎魚、牛、羊1628哈維（WilliamHarvey）血液循環犬、蛙、蛇、魚、蟹1665拉沃（Lower）犬輸血研究犬1792捷納爾（Jennr）牛痘保護人不生天花牛1878科赫（RobertKoch）細菌與疾病的關系（炭疽病、結核）牛、羊、其它1880巴斯德（LouisPasteur）細菌致弱毒免疫鳥類1885巴斯德（LouisPasteur）狂犬病疫苗鳥類、家兔1890萊夫勒（Loffler）白喉桿菌病、抗毒素治療豚鼠1904巴甫洛夫（Pavlov,IP.俄）心臟生理、消化生理高級神經活動犬1921班廷（Banting,F.G.加）胰島素與糖尿病犬1936洛伊（Loewi,O.奧地利）副交感神經的神經介質為乙酰膽堿蛙1968佩蒂路易斯（Pantelouris）先天性無胸腺裸鼠小鼠1980斯納爾（Snell,G.D.美）動物組織相容性抗原小鼠1984科勒、米勒（Kohler,G.,Milstein,C.）單克隆抗體技術小鼠1997威爾穆特（Wilmut）用羊體細胞克隆成功“多莉”羊綿羊二、國外的比較醫學發展概況

國外發達國家的醫學院校大多設有規模相當大、水平相當高、設施和環境條件非常現代化的比較醫學研究所或比較醫學院（系）。如美國斯坦福大學醫學院、霍普金斯大學醫學院、哈佛大學醫學院、哥倫比亞大學生理外科學院、加利福尼亞大學、普林斯頓大學、田納西大學、劍橋大學、耶魯大學、馬里蘭大學、賓州大學等都設有比較醫學系或比較醫學研究所。耶魯大學醫學院比較醫學系部門設置

1973年成為獨立部門，包括動物資源中心、動物醫學部、病理學部、生物技術部。國外比較醫學發展的主要特點

1.常規實驗動物的供應和生產已主要由專業性的社會化公司來承擔，醫科大學和研究機構主要培育、研究各種轉基因動物、基因敲除動物和克隆動物。2.緊緊圍繞醫學生命科學發展需要，在人類疾病的動物模型復制方面加大研究力度，利用各種先進的生命科學方法和生物技術手段開發理想的人類疾病動物模型。三、國內的比較醫學發展概況1.我國比較醫學起步較晚，基礎薄。2.上世紀80年代初，徐兆光、劉瑞三教授就編著出版了《比較醫學進展》3.由于實驗動物學科基礎薄弱，限制了比較醫學的發展。4.“只用十多年的時間就趕上了西方發達國家半個多世紀的進程”。——國際實驗動物科學學會主席5.我國的實驗動物培育和人類疾病動物模型研究取得了顯著的進步：成功培育無菌兔和豚鼠、SPF級雞和豬；野生動物實驗動物化（東方田鼠、長爪沙鼠、高原鼠兔和樹鼩）；高血壓大鼠、糖尿病地鼠、白內障小鼠、高血脂小鼠等疾病動物模型相繼培育成功。6.轉基因、基因敲除和克隆等先進生物技術已被國內同行普遍掌握和廣泛應用

7.比較醫學在國內已得到相當的重視：

具體標志：中國實驗動物學會下設有比較醫學專業委員會；《中國實驗動物學雜志》改為《中國比較醫學雜志》；揚州大學設立了比較醫學系；重慶市成立了比較醫學研究所；2004年第一部《比較醫學》238萬字專著問世；2002年原第一軍醫大學（南方醫科大學）開始招收比較醫學方向的博士研究生，現已招收3名；首都醫科大學正積極申請招收比較醫學專業本科生。8.當前國內比較醫學發展的當務之急是進行資源整合，優化配置，進行專業化規范化建設，與國際社會接軌，密切結合生命科學的重大問題，做好基礎創新工作，把比較醫學辦成醫學生命科學不可或缺的重要組成部分。四、我國比較醫學發展初步設想有望取得突破的幾個研究方向：1、轉基因實驗動物的開發與研究2、人類疾病動物模型的建立3、畜禽、野生動物、水生動物的實驗動物化研究4、利用模式生物進行比較基因組學的研究1、轉基因實驗動物的開發與研究（1）轉基因動物的出現和發展對生命科學和醫學的影響深遠，可稱之為生命科學的一場革命。（2）轉基因技術應用于實驗動物品種改良，可大大提高育種效率。（3）轉基因技術用于建立生物反應器。我國乳腺生物反應器研究情況

目的基因名稱產品的主要功能承擔單位人血清白蛋白血液溶脹劑中國農業大學人干擾素抗病毒因子中國農業大學雞法氏囊病毒VP雞疫苗中國農業大學第九因子血友病治療上海兒童醫院EPO細胞因子上海兒童醫院人胰島素原糖尿病治療新疆牧科院TPA治療血栓軍事醫學科學院人生長激素生長激素不足揚州大學2、人類疾病動物模型的建立開發和建立我國若干重要人類疾病的實驗動物模型；如肝炎動物模型、艾滋病動物模型和各種癌癥動物模型等。通過人類疾病實驗動物模型進行發病機理、藥物療效、藥理作用機制、毒性安全的比較醫學研究；4、利用模式生物進行比較基因組學的研究

隨著人類基因組計劃（HumanGenomeProject,HGP）中人的基因組序列圖和一些動物的基因序列圖的完成，將進入后基因組時代（即功能基因組學時代）。由于人類基因組中含有大量的重復序列，研究起來十分困難，所以科學家傾向于對一些簡單的模式生物進行比較功能基因研究，可為人類基因功能的鑒定研究提供有益的借鑒。果蠅特點及優勢繁殖快子代多生活周期短個體大，可肉眼觀察雌雄異體生物，雌雄容易識別幼蟲唾液腺中染色體很大染色體數目少，推測大約80%的人類基因與果蠅同源已經積累了豐富的遺傳學資料，有超13,000多個突變品系，大多都有典型的表型變化，易于表型鑒定基因應用成體干細胞是一類具有自我復制和多向分化潛能的細胞，它具有的修復、替代、再生能力為臨床醫學提供了研究新療法的可能性與哺乳動物相比，果蠅成體干細胞及其所在微環境的結構相對簡單而清晰，但它們的調節機制是極其相似的通過研究果蠅干細胞行為的調控，將為研究哺乳動物和人的干細胞調控及臨床干細胞治療策略等提供理論依據果蠅腸道內的干細胞具有多能性，能分化成多種類型的細胞，這與人類等高等動物的情況一致應用果蠅在信號傳導通路、神經編碼方式、傳遞機制以及神經系統疾病的發生和癥狀上，與哺乳動物有很高的相似性哺乳動物與昆蟲在調節睡眠的神經機制上有許多相似之處，因此果蠅是研究睡眠的理想模式生物行為遺傳學是研究支配生物攝食、求偶、學習、記憶等行為的基因及其表達調控的學科。對果蠅某個行為相關基因的研究將為理解基因－神經－行為之間的關系提供線索斑馬魚

斑馬魚因具有繁育力高、體外產卵、體外受精、體外發育且胚體透明和個體小等特性面成為發育生物學家珍愛的對象特點及優勢斑馬魚已分離出數千尾突變體成魚個體小，胚胎發育期短，易于飼養繁殖取材方便，胎間距短，受精卵體積小發育早期階段通體透明利于實時觀察來自于同一母體的胚胎發育基本同步單細胞受精卵可注射DNA、RNA容易從水中吸收藥物，實驗藥物直接加入水中應用細胞譜系分析－由于斑馬魚具有在發育前期細胞分裂速度快、胚體透明和特定細胞類型易于識別等優點，成為脊椎動物中最適于進行細胞譜系分析的模式物種突變鑒別－某些隱性突變僅需一代或兩三代就可得到鑒定，可以快速鑒別隱性突變飽合誘變分析－斑馬魚體外受精和胚胎體外發育的特性解決了胚胎在子宮中發育，發育異常的胚胎無法直接呈現的問題應用再生醫學研究－哺乳動物大腦和脊髓中受損的軸突無法再生，由于魚類缺少一種可阻止神經再生的蛋白質Nogo-A，所以中樞神經系統受損軸突能夠再生人類疾病模型－由于許多基因如致癌基因、抑癌基因等在人和斑馬魚幾乎同源，編碼蛋白的功能完全相同，因而可以用于制作人類疾病動物模型如1型膠原蛋白基因突變引起的骨代謝紊亂－成骨不全癥。心血管疾病突變引起的原發性心肌癥、TBX5突變引起的先天性心臟缺陷藥物發現－為研究人類疾病的致病機制提供了良好模型體系，同時也為在整體動物水平進行大規模、高通量、低成本藥物篩選和毒性評價提供了好平臺五、動物福利和3R原則動物福利的概念實驗動物福利是指實驗動物在肉體與心理上處于健康、康樂以及舒適的狀態，包括實驗動物養殖及動物實驗過程中的福利。動物福利的宗旨要求科學家在使用動物進行科研、教學、測試前，應先充分考慮到各種替代手段，以盡可能減少動物所受到的疼痛和痛苦。動物福利的主要內容動物包括犬、貓、非人類靈長類、豚鼠、倉鼠、家兔、水生哺乳動物或其他溫血動物。動物經銷商和使用者均須持有許可證，動物實驗必須由合格的生物學家、行為學家、醫學家親自或在其臨場監督下進行。動物飼養設施、飼養設備（籠具）、衛生、飼喂、管理和護理應由符合資格的人員負責。必須確保動物在麻醉、鎮痛和鎮靜劑的作用下進行實驗需要處死的動物須用人道的方法實施動物享有五大自由：不受饑餓的自由；生活舒適的自由；不受痛苦傷害和疾病威脅的自由；生活無恐懼和悲傷感的自由；表達天性的自由有關監督機構定期進行檢查，對違反動物福利條例的單位和個人將給予處罰動物實驗應遵循“3R”原則“3R”原則的產生過程

1955年英國動物學家拉塞爾和微生物學家伯齊在其發表的《人道主義實驗技術原理》一書中首次提出動物實驗的“3R”理論“3R”原則的內涵(1)替代方法○相對替代○絕對替代○直接替代○間接替代○部分替代○全部替代替代方法（Replacement）的舉例

○體外培養技術○用無脊椎動物替代○用微生物來替代實驗動物○用化學分析技術代替動物實驗○電腦模擬(2)減少（Reduction）原則○合用動物○改進統計學設計○使用高質量動物(3)優化（Refinement）方法○改善鎮痛手段○改進控制動物技術○改進樣品分析一個動物設計方案要經過實驗動物管理委員會或倫理審查委員會的審批才能得以實施，主要內容包括

○充分闡明實驗的必要性○充分闡明實驗的合理性○明確實驗過程可能給動物造成的疼痛、痛苦有多大○如果是用非人靈長類動物做實驗，對實驗完成後退役的動物必須“頤養天年”“3R”理論的意義○“3R”理論體現了時代的發展和社會進步○“3R”理論為科學發展提供了新思路和新方法○踐行“3R”理論的道路漫長○反對用動物做化妝品實驗表明了歐盟對這個問題上的堅決態度○說明在化妝品的安全測試方面，替代方法（非動物實驗）的應用，還需走一段較長的道路○歐盟在化妝品毒性和過敏實驗中找到了非實驗動物的替代方法，用于國際化妝品貿易的技術壁壘。六、我校實驗動物與比較醫學發展概況1、展開對具有獨特性狀的新品種實驗動物的培育、開發和研究：西藏小型豬我中心與廣州市醫藥工業研究所合作，從西藏自治區引進培育西藏小型豬，對西藏小型豬進行系統的種質資源開發和研究，實現了西藏小型豬在亞熱帶氣候區的風土馴化，最終將培育成標準化的封閉群實驗用小型豬。2005年該項目已被廣東省和廣州市分別立項資助。西藏小型豬FMMU白化豚鼠我校實驗動物中心自行培育的FMMU白化豚鼠獲得2004年度軍隊科技進步三等獎。SPF新西蘭兔在廣東省實驗動物監測所的支持下，培育成功的SPF新西蘭兔。2005年廣東省科技廳把我校實驗動物中心列為SPFFMMU白化豚鼠和SPF新西蘭兔種子供應基地。2、轉基因實驗動物的技術平臺建立。轉基因實驗室分子生物學實驗室3、人類疾病動物模型的開發和建立如肝炎動物模型、強直性脊柱炎動物模型、糖尿病動物模型等若干重要人類疾病的實驗動物模型以及中醫癥候動物模型。病理組織學實驗室細胞培養室4、1996年教研室被批準成為華南地區首個實驗動物學碩士學位授權點。顧為望教授2002年又被批準為博士生導師，面向全國招收比較醫學方向博士。現有在讀博士研究生6名、在讀碩士研究生12名，他們與教研室的兩名副教授、一名副研究員和一名博士，一起從事比較醫學研究。小結1.比較醫學作為一門在實驗動物學基礎上建立的學科，豐富實驗動物科學本身的內容、方法和手段是其任務之一2.實驗動物學的發展成熟只是為比較醫學的發展完善創造了物質上的條件，而要真正解決生命科學的基本問題和醫學臨床的實際需要則必須加強比較醫學研究。3.實驗動物學側重于動物的遺傳育種、飼養管理、疾病防治，以支撐保障服務為主；比較醫學是醫學實驗動物學發展的必然趨勢