实验动物第一章 绪 论

1、第一章 绪 论 内容提要：本章内容主要阐述了实验动物的基本概念和实验动物科学的研究领域；揭示了实验动物科学从古至今对生物医学、畜牧兽医学的卓越贡献，同时探讨实验动物对推动未来生命科学的发展动力;最后详细介绍了动物实验替代方法（3R）以及我国的研究现状。 关键词：实验动物;生命科学;动物福利; 动物实验替代方法. 第一节 实验动物科学的概念 一实验动物的定义 实验动物科学(Laboratory Animal Science)是研究实验动物和动物实验的一门新兴学科。前者主要围绕着实验动物种质培育、保存、生物学特性、生活环境、饲养繁殖与管理、质量监测、疾病防治、野生动物的实验动物化等，开展有关研究，

2、最终达到实验动物质量标准化的要求。后者以实验动物为材料，采用各种手段和方法在实验动物身上进行实验，研究实验过程中实验动物的反应、表现及其发生机制、发展规律，以探讨生命科学的疑难问题。 在生命科学领域中，实验动物科学的中心对象就是实验动物，其目标就是保证现代医学的实验研究可以获得质量好、来源充足、经济、安全、方便使用、符合各种试验要求的实验动物，并从实验动物这一环节出发，探索各种动物试验得以成功设计、顺利进行并完成的技术和条件，同时也探索与上述目标相关的法制建设、组织管理及人员培训等问题。 实验动物(Laboratory Animal) 是指经人工饲养、繁育，对其携带的微生物及寄生虫实行控制，遗

3、传背景明确或者来源清楚的，应用于科学研究、教学、生产和检定以及其他科学实验的动物。这样从概念上就确定了实验动物、实验用动物和其他动物的根本区别。凡是以研究、实验、教育、药品生产等为目的而使用的动物，统称为实验用动物（Animal For Research），包括实验动物、野生动物、经济动物、观赏动物等。实验动物是一个特定的概念，仅仅是实验用动物中的一个特殊群体，从概念上讲，包括了以下四个基本内涵： (一)遗传背景明确 不同遗传背景的实验动物对同一实验处理的反应性是不同的，这将直接影响到实验结果的准确性和可靠性。因此从这一点上讲，实验动物必须是遗传背景明确的动物。根据遗传特点的不同，实验动物分为

4、近交系（Inbred Strain）、封闭群（Closed C olony）和杂交群（Hybrid Colony）。 （二）对携带微生物和寄生虫实施控制 实验动物生产的正常进行和动物实验结果的可靠性与其健康状态有着直接关系。因此，在实验动物繁育和使用过程中，必须对其携带的微生物和寄生虫实施监控。根据对微生物和寄生虫的控制程度，我国将实验动物划分为四个等级：普通动物（Conventional Animal）；清洁动物（Clean Animal）；无特定病原体动物（Specific Pathogen Free Animal， SPF）；无菌动物（Germ Free Animal， GF），其中包括

5、悉生动物（Gnotobiotic Animal， GN）。 （三）在特定的环境条件下，人工培育而成的动物 实验动物是在达到一定标准的环境中，经过科学繁殖和培育的动物，是多学科研究的成果和科技含量高的生物技术产品。利用基因工程技术而制作的基因修饰动物，为医学、遗传学、发育生物学及畜牧兽医学等众多学科提供了丰富的动物模型资源。 （四）应用范围明确 实验动物是用于科学研究、教学、生产、检定以及其他科学实验的动物。其应用领域包括医学、药学、产品质量检验、环保、国防乃至实验动物科学本身等。特别是在人类生命现象的研究方面，实验动物扮演着人类替身的角色，是“活的精密仪器”，最终为科学发展、人类生存和健康服务

6、。实验动物与经济动物、野生动物和观赏动物有着明显的区别，见表1-1。 表 1-1 各类动物的区别和用途 微生物 动物 人工培育 繁殖 遗传背景 物种来源 用途 寄生虫 实验动物 严格 人工 明确 明确 人工控制 科学实验 野生动物 未经 自然 不明确 不明确 自然选择 生态保护 经济动物 一定程度 人工 一般 一般 一般 发展经济 观赏动物 一定程度 人工 一般 一般 一般 观赏 二实验动物科学研究的范围 (一)实验动物科学研究的内容 实验动物科学自20世纪50年代诞生以来，至今已经发展成为一门具有理论体系的独立学科。其主要内容包括：实验动物饲养学、实验动物医学、比较医学、动物实验技术、动物实

7、验伦理学、动物实验替代方法学和实验动物福利等。 1实验动物饲养学（Laboratory Animal Feeding and Breeding Science） 主要研究实验动物的生物学特性与解剖生理特点、饲育与管理、育种与繁育、生长与发育、饲料与营养、环境与设施、生态与行为等内容以及实验动物标准化的各种技术、手段和措施。 2实验动物医学（Laboratory Animal Medicine）研究实验动物各种疾病，包括传染性疾病、营养性代谢性疾病、遗传性疾病以及劣质环境所导致疾病的病因、症状、病理性特征、疾病的发生和发展规律、诊断和防治措施等；研究实验动物微生物学质量控制的等级标准、检测方法、

8、控制措施以及微生物对动物试验的干扰；研究人畜共患病的预防、控制及治疗措施。 3比较医学 （Comparative Medicine)是以实验动物为替身来研究人类、造福人类。通过建立人类疾病的动物模型，进行人与动物的类比研究，探讨人类疾病的病因、发生发展规律、预防控制措施，最终战胜人类疾病。比较医学又可分成比较解剖学、比较生理学、比较病理学、比较外科学和比较基因组学等。 4动物实验技术（Animal Experiment Technique）是指进行动物实验时的各种实验手段、技术、方法和标准化操作程序，即在实验室内人为地改变环境条件，观察并记录动物的反应与变化，以探讨生命科学中的疑难问题，获得新

9、的认识，探索新的规律。 5动物实验伦理学（Animal Research Ethics） 是在保证动物实验结果科学、可靠的前提下，针对人的活动对动物所产生的影响，从伦理方面提出保护动物的必要性。它是人类对待实验动物所持有的道德观念、道德规范和道德评价的理论体系，它所关注的是人对与自己的生存和发展密切相关的实验动物抱什么态度的问题。因此，它作为实验动物学和伦理学相结合的产物，是传统伦理学在动物实验和实验动物繁育中的具体体现。 6动物实验替代方法学(Alternatives to Animal Experiments ) 在满足人类科技活动最终目的的基础上，应用无知觉材料替代有知觉的脊椎动物进行实

10、验；通过科学的设计，减少实验中的动物数量；在必须使用动物时，如何优化实验程序，以降低对实验动物造成的不良影响，这是动物实验替代方法学研究的主要内容。替代、减少和优化是彼此独立而又相互联系，实验技术的优化、替代方法的采用，客观上都减少了动物使用量，达到了减少的目的。反之，减少动物使用量的要求促进了实验技术的改良，也促进了替代方法的研究进程。 7实验动物福利(Animal Welfare) 实验动物的福利问题，就是在生产和使用中对实验动物的一种保护，强调的是对各种不良因素的有效控制和条件改善，而不是那种不宰不杀的极端“动物保护”。在兼顾科学问题探索和最大限度的满足动物维持生命、维持健康和提高舒适程

11、度的需求两个方面，研究动物生活环境条件、动物 “内心感受”、人道的实验技术等是科学的实验动物福利的主要研究内容。 （二）实验动物科学所涉及的领域 1生命科学领域 在生命科学领域，人类的健康和研究是头等重要的事情，离不开应用实验动物。在对人的各种生理现象和病理机制及疾病的防治研究中，实验动物是人的替代者。例如癌症是威胁人类健康的重大疾病之一，由于在肿瘤移植、免疫、治疗等研究中使用裸鼠、悉生动物和无菌动物，因而各种恶性肿瘤的致癌原因，尤其是化学致癌物质、病毒致癌、免疫、治疗等方面的研究有了重大的进展。人类各种疾病的发生、治疗与痊愈的机制及其生理、生化、病理、免疫等各方面的机制，都要经过动物实验加以

12、阐明或证实，离开了实验动物和动物实验，生命科学研究就寸步难行。 2制药工业和化学工业领域 药物和化工产品的不良反应，对生命的影响程度包括致癌、致病、致畸、致毒、致突变、致残、致命，都是从实验动物的试验中获得结果。如果制药和化学工业产品不用实验动物进行安全评价，包括三致（致癌、致畸、致突变）试验，而直接应用于人类将会造成十分严重的恶果。 制药、化工等工业的劳动卫生措施，特别是各种职业性中毒（如铅、苯、汞、锰、矽、酸、一氧化碳、有机化合物等）的防治方法，都必须选用实验动物进行各种动物实验后才能确定。 实验动物也是医学工业上生产疫苗、诊断用血清、某些诊断用抗原、免疫血清等的重要材料。例如，从牛体制备

13、牛痘苗，猴肾制备小儿麻痹症疫苗，马体制备白喉、破伤风或气性坏疽等血清，金黄地鼠肾制备乙脑和狂犬病疫苗，小鼠脑内接种脑炎病毒后的脑组织制备血清学检验用的抗原等。 3畜牧兽医科学方面 生理试验、胚胎学研究、营养价值的评估、动物生物制品质量检测都要使用实验动物。特别是在畜禽传染病的研究工作中，必须要有合格的实验动物进行实验。在兽医科学研究上，如果所用实验动物或鸡卵不合乎标准，质量很差，将严重影响科研效果，甚至在某些疫病的研究工作中，若无SPF动物和SPF蛋，所制备的疫苗的效果难以保证，将导致大量畜禽发生免疫事故，造成经济上的重大损失。如 1981 年，我国某兽医生物制品厂生产的猪瘟疫苗混有猪瘟强毒株

14、，结果注射后引起大批猪死亡，造成局部地区养殖业经济损失，其原因是由于安全检验用的实验动物质量和数量都不符合要求。 4农业科学方面 化学肥料、农药的残毒检测，也要通过动物试验来确定。20世纪70年代，我国从瑞士的汽巴嘉基公司花巨资引进的杀虫眯生产流水线，就是因为忽略了动物的安全性试验，投产后才知道杀虫眯能致癌，国外已经不再使用。此后我国只好停止生产，造成巨大的经济损失。 5轻工业科学方面 人们的吃穿用，包括食品、食品添加剂、皮毛及纤维、日常生活用品，特别是化学制品等有害成分的影响，都要用实验动物进行试验。按照规定，食品、食品添加剂、皮毛制品、化妆品等上市销售，都要求必须先经国家指定的检测机构采用

15、实验动物进行安全性试验，以证明其对人体无急、慢性毒性，且无致癌、致畸、致突变作用，才能供应上市。 6重工业和环境保护方面 在重工业上，对有害物的鉴定和防治，以及国土的整个环境保护，包括废弃物、气体、光辐射、声干扰等各方面的研究工作中，实验动物都是监测和研究防治措施的前哨。 7国防和军事科学方面 各种武器杀伤效果，化学、辐射、细菌、激光武器对人类的损伤与防护，以及在宇宙、航天科学试验中，通过动物实验，研究人体在太空条件下，失重、辐射和太空环境因素对机体生理状态的影响。在核武器爆炸的试验中，实验动物被预先放置在爆炸现场，以观察光辐射、冲击波和电离辐射对生物机体的损伤。此外，在战伤外科的研究中，在防

16、军事毒剂和细菌武器损伤的研究中，实验动物均被用来代替人类作为战争中的受难者，从而研究对各种战伤的有效防治措施。 8商品鉴定和国际贸易方面 在进出口商品的检验检疫中，许多商品的质量检验都规定必须进行动物实验鉴定，或直接利用警犬、警鼠担任安全警察，它直接影响着对外贸易的数量、质量和信誉。 9行为科学的研究方面 实验动物在行为科学的研究中也占有重要地位。例如，汽车设计中的撞击，土建设计中震动的允许程度，灾难性事故的处理等，国外已经采用实验动物模拟人类。 10实验动物科学研究方面 在实验动物科学本身的研究中，由于其综合性很强，涉及数学、物理、化学、生物学、微生物学、遗传学、免役学、生态学、建筑学等，所

17、以各个学科与实验动物科学相辅相成，相互渗透。虽然它的直接研究目的是取得适用于各种特殊研究需要的实验动物，但对生命科学的微观领域也进行了更为深入的探索，例如，在遗传学、生殖生理学等学科的基础理论以及实用技术方面，都取得了突破。 总之，实验动物科学作为医学、兽医学和有关生物学的理论研究以及生物药品制造、化学药物筛选、鉴定、环境保护等实现现代化的重要的工具之一，有力地推动着国民经济的发展。 第二节 实验动物与生命科学的过去、现在和未来 人们在探索生命科学历程中，难能可贵的是研究者们成功地找到“替代者”实验动物。用实验动物进行研究，可以进行验证，可以反复地试验，更加科学地分析疾病现象、验证疾病的本质、

18、阐明生命活动在正常条件和异常条件下的表现与规律，摆脱了迷信和愚昧。因此，实验动物科学与人类医学发展密切相关。 一实验动物对过去生命科学发展的推动作用 从1901年诺贝尔生物医学奖创立以来的100多年来，共有67项奖涉及到实验动物。涉及基础生物学研究、重大疾病预防和治疗。 1877年德国科学家Robert Koch通过动物实验提出炭疽杆菌不但从一个发病个体感染给另外一个个体动物，而且从原宿主分离出的炭疽杆菌可以引起另外一个新宿主出现相同症状的疾病，从此在微生物学界诞生了普遍认可的Koch理论。即使在 100 多年后的今天，Koch 理论仍然适用于病原的确定、分子生物学研究和突发性疾病的确认，如2

19、003年香港、广东和北京地区流行的SARS，后经过猴子发病实验，新型冠状病毒被确认为是主要病原。 相反没有动物实验，人类不可能开发出有效控制传染性疾病的疫苗。天花、狂犬病疫苗是典型的例证，具有划时代的意义，这两种疫苗的成功开发和应用，打破和消除了人们一直对这两种致死性流行疾病的恐惧。 众所周知，肝炎已成为世界性传染病。在非灵长类动物中，对B型肝炎病毒敏感的狒狒仍然被作为动物模型，用于研究疫苗和观察各种药物的疗效。同时作为进化过程中与人类最接近的非灵长类动物被广泛应用到其它研究领域中，包括意识、行为和基础神经研究。目前被人们作为宠物的雪貂在研究人类流感病毒方面具有重要的价值，原因在于开发有价值的

20、流感疫苗需要敏感宿主，雪貂无疑是最好的动物模型。 猫和狗在生命科学中的使用数量正在逐渐减少，最主要和最为重要的原因是啮齿类动物被广泛应用在基础生物学中研究中；另一个因素是人们比以往更加关注猫和狗的福利，城市居民甚至视他们为家中的成员，某些发达国家已经立法禁止使用猫和狗做动物实验。 二实验动物对现代生物医学的推动作用 （一） 诺贝尔奖获得者和实验动物 回顾 1996 年-2001 年间，生理和医学诺贝尔奖获得者的研究工作，无不体现实验动物对生命科学的贡献。1996年兽医Peter Dohrty和Rolf Zinkernagel 在应用近交系和远交系小鼠研究病毒和免疫系统关系时，发现主要组织相容性

21、抗原在免疫系统中自我信号识别作用，这一研究成果对于探索自体免疫疾病和移植医学免疫识别具有积极作用，获得了1996年生理学和医学奖。1997年生理学和医学奖授予 Stanley Prusiner，他发现一种全新的蛋白病原-朊蛋白。朊蛋白能引起绵羊、山羊神经萎缩性失调（痒病）、牛海绵状脑病（疯牛病）、鹿（慢性消耗性病）和人类（克亚氏病），这些发现也有助于研究人的Alzheimer病。1998年生理和医学奖授予Rebort Furchgott，Louis Ignarro和 Ferid Murad，以表彰他们在兔大动脉实验中偶然发现内皮生长因子（NO）是心血管系统信号分子，可引起血管扩张，同时参与炎症

22、、细胞凋亡和神经传递活动。2000 年生理学和医学奖授予Arvid Carlsson,Paul Greeberg 和 Eric Kandel，他们利用海洋生物鼻涕虫做模型，发现了神经细胞间慢突触传递现象，阐明了学习和记忆神经通路。2001年生理学和医学奖授予Leland Hartwell,Timothy Hunt 和 Paul Nurse 以表彰他们在细胞生物周期主要调节因子所做的研究工作。他们分别使用海瞻和酵母细胞，发现了调节细胞生长和分化的关键基因和产物。 以上6位获奖者研究成果都是来源于实验动物和动物实验，推动了生命科学的发展，再次证明了实验动物的重要地位，也充分说明生物医学研究中实验动

23、物的不可替代性和被科学家认可的广泛性。 （二） 啮齿类动物胚胎干细胞和分子生物学发展 过去的20年一个最重要的研究发现就是利用组织培养液繁殖胚胎干细胞。如果将早期胚胎移植给受体动物，受精卵就有可能形成复杂的整体动物，这一发现奠定了目标基因技术，产生了基因敲除动物和转基因动物。小鼠自然成为应用基因敲除技术和转基因技术最重要的群体，动物转基因技术在大鼠及其他种类动物方面也得到了较广泛研究和应用。 （三）遗传修饰小鼠 遗传工程小鼠的出现是令人瞩目的技术成就之一，这一成就与人类基因图谱、鼠类基因图谱的破译，共同对研究人类疾病的遗传特性具有重要意义。探索基因和基因产物与疾病发生机制的关系有助于早期诊断疾

24、病并及时采取有效的防治措施。遗传修饰动物模型有利于研究单个或多个基因对人类疾病的影响。科学家指出，人类疾病很少是由单一基因作用而引起的，而是多基因的协同表达、功能上相互作用的结果。要从基因组的破译转向功能基因组分析，就要将目前以分子水平为主的研究方法转向以整体模型动物分析为主，研究不同基因在整体动物中是如何相互作用，以及所产生的表现型或疾病现象。令科学家惊叹不止的是有 3000040000 个人类基因与鼠类是相似的。利用鼠类做动物模型研究这些基因的功能，有利于探索基因组在人类生命中的作用。可以设想今后将诞生数以千计的基因修饰小鼠，应用前景更加广泛。 （四）人类和鼠类基因图谱绘制完成 历经 10

25、 年的艰辛，人类基因组“工作草图”于 2000 年 6 月 26 日面世。该草图破译了人体 97%的遗传基因密码，完成了 85%基因的碱基对测序，标志着人类彻底解读自身“生命天书”走完了第一步。2001 年 4 月，私营企业 Celera Genomics 宣布绘制完成三个品系鼠类基因图谱，共有 15.9 亿碱基对，接近 99%所有鼠类基因。在绘制的三个品系鼠类中，Celera公司发现了2.5万单核苷酸多态性。如果利用鼠类做模型，可以确定这种基因的多态性与人类疾病的相关基因功能间的联系。比较基因组学可以使研究者探究人类基因组功能和人类疾病发病机制间的关系，开发治疗性药物。 （五）不同寻常的动物

26、种类斑马鱼、有爪蟾蜍和果蝇 近年来利用鱼类做动物模型越来越受到关注，其原因多种多样。首先一个重要因素是鱼类属于卵生动物，可产生大量的卵，这些卵比较透明，容易观察。可用于早期监测各种化学成分和刺激物的危害，因此可用于研究严格限定环境中鱼类畸形的机制。其次，鱼类单个群体可生产大量的后代,资源比较丰富。绝大多数研究使用的鱼类都是先前水产贸易中常见的品种，包括斑马鱼、剑尾鱼和新月鱼。培育出的大量近交系种类已经用于遗传研究，以探索它们与人类疾病和其他哺乳类动物疾病的遗传对应性。当然作为动物模型,鱼类也存在着一些其它问题。如水质是比较重要的因素，因水质问题带来的疾病难以确定，从而影响水中鱼类生存。目前在这

27、方面也取得了一定进展，尤其是在大型实验室进行集中饲养，可以较好地解决上述问题。 非洲有爪蟾蜍（Xenopus，sp） 属于水生动物，是研究胚胎发育较好的动物模型。其胚胎容易进行外科处理和化学处理若除去特定的细胞所产生的影响胚胎早期容易确定。 多年来果蝇作为遗传学研究模型，已经获得了许多研究成果，推动了动物遗传学的发展。最近人们开始转向研究特殊基因的表达和描绘基因图谱。如果大量使用这些非哺乳动物种类，单个动物种群保育费用会相应降低。 三实验动物对未来生命科学发展的影响 （一）遗传工程技术 众所周知，基因技术为生命科学发展开辟了前所未有的可能性，了解和探索相关特定基因图谱，包括病理性和优良特性基因

28、组，人类有可能在基因水平上控制疾病的发生，这与传统对症治疗，缓解发病症状的治疗方法有明显不同。应用靶基因技术，可以引进特定的基因、外源基因，并且实现表达，获得设想、带有病理特性动物种类。探索基因组功能，可以前所未有地开辟基因治疗新方法，毫无疑问这些技术都需要研究和培育更多相关的实验动物模型。因此未来更加关注小鼠、大鼠和其他啮齿类动物的利用和开发，这意味仍然需要改善实验动物相关设施，促进技术交流和合作。 （二）转基因和基因敲除技术的动物种类与应用 目前在基因敲除技术应用研究中，小鼠是应用数量最多、成功率最高的品种，再次突出了鼠类实验动物的重要地位。从哺乳类动物上看，小鼠、大鼠、兔子、猪、绵羊和恒

29、河猴都被成功应用到转基因研究方面，而两栖类蟾蜍、鱼类斑马鱼，也应当属于转基因表达的范畴。在未来转基因技术的应用会促进实验动物种类的增加，同时也将加速生命科学的发展进程。 转基因动物不仅可生产出医药产品，还可以生产出其他有价值的产品。如加拿大蒙特尔公司以蜘蛛丝蛋白基因构建的转基因山羊可用来生产生物钢（Bio-steel），它比任何人造材料都具有优势，强度大、重量轻、可生物降解；可用来制作防弹衣、人造韧带和肌腱以及美容术、手术胶、航天缆索等等。有理由相信，转基因动物乳腺生物反应器将成为 21 世纪最具有高额利润的生物医药新的生产模式和新型产业。 器官移植是当今世界医学领域所关注的重要课题之一。通过

30、基因工程技术，构建携带人类基因的转基因猪，有可能克服器官移植的排异问题，为人类的器官移植提供新的材料来源。我国是养猪大国，从20世纪60年代初开始，我国一些学者就开始了对小型猪资源的调查和实验动物化的研究。其主要品系和资源有中国小型猪西双版纳小耳猪近交系、五指山小型猪近交系、广西巴马小型猪、贵州小型香猪、甘肃蕨麻小型猪和藏猪等。有些品系的近交系数已达到98.3%，而且建立了分子生物学的检测技术。小型转基因猪将成为比较医学和人类异种器官移植研究的热点。 （三）实验动物新资源开发与利用 动物种质资源的综合开发和实验动物化也是实验动物学科发展的重点内容之一，科学家通过不懈努力，一些动物资源的实验动物

31、化已为医学生物学的发展做出了重要贡献。 未来生命科学的发展需要四种形式的实验动物模型：常规实验动物、改进型常规实验动物、非传统实验动物和新实验动物模型。我国特有的动物资源鼠兔、黑线仓鼠、东方田鼠、小型猪、水生动物等的开发利用，为肝炎、心血管病、血吸虫病、异种器官移植等人类疾病的研究提供了广泛而又丰富的实验材料和研究手段，引起国外相关领域的关注。 未来细胞培养体系将可能代替现有实验动物。胚胎干细胞研究进展和系列技术展示了单个、多个细胞系统在生命科学研究的重要作用。计算机存储能力以及潜在的生理、病理变化，无疑让未来的生命科学研究更加模型化，甚至超越我们的想象。 四生命科学对实验动物发展的支持 各国

32、政府和各种基金组织强有力的资金支持是保证实验动物科学更好满足解读生命科学奥妙的基础。各种来源的基金旨在解决基础生命科学的问题、特定疾病发病机理或者研究疾病模型。广阔的研究领域要求共享研究手段、设施、特殊实验动物、动物种群、基础支持条件。除了常规的研究资金，各国组织设立特定基金支持研究特定研究工具、建立核心动物种群、培养兽医人员和加大高等教育中相关专业知识的教育。支持的范围包括了微生物研究、无脊椎动物到高等脊椎动物研究。其中一个显著的特色就是实验动物随时应对生命科学研究者的旺盛需求，而不能成为限制生命科学发展的障碍物。 动物实验研究也依赖不断更新的研究手段，如核磁共振、超声技术和射线技术。这些研

33、究工具虽然是基础科学研究的必要手段，在科学发展的今天促进了疾病的诊断和治疗。基于计算机技术平台技术、数据分析系统和数据传输系统不断影响实验动物科学的发展，必将会影响未来实验动物科学的发展。因此生物信息科学也将成为现在和未来实验动物科学发展的一个强有力工具。 第三节 实验动物科学发展概况 一、 国外实验动物发展概况 实验动物科学飞速发展从 1950 年为界，分为两个阶段，20 世纪 50 年代以前仅在几个国家取得进展，50 年代以后世界各国分别从美国引进技术、设备、资料，逐步发展起来。1909 年美国 Jackson实验室 Little 教授在研究小鼠毛色基因时首次采用近交方法，培育出 DBA

34、纯系小鼠。1913 年 Bagg 培育出 BALB/c 小鼠。1928 年至 1930 年美国圣母大学 Lobund 实验室 Reynier 博士研制成功第一台金属隔离器，并培育出无菌大鼠。1962-1969 年间英国 Grist 医师培育出裸鼠，其后科学家进一步确定裸鼠无胸腺，缺少T细胞。免疫缺陷动物的问世，为肿瘤学研究提供了极好的动物模型。国际上公认的近交系小鼠已有 300 多个品系，大鼠 100 多个品系。近年来，利用生物工程技术不断推出新动物模型。1982年Palmiter 等报道，将大鼠生长激素基因导入小鼠受精卵中，成功创造出的“超级小鼠”，即第一例转基因小鼠的问世，开辟了实验动物新

35、纪元。至今，美国Jackson 实验室采用转基因技术建立的人类疾病动物模型有 610 余种。 20 世纪50年代以来，世界发达国家先后成立实验动物学会、协会及实验动物管理机构，并制定法律、法规，推动了实验动物学科的发展。 二、我国实验动物发展概况 我国实验动物工作始于20世纪初。1918年北平中央防疫处开始饲养繁殖小鼠，其后，陆续有学者从国外引进一些品种品系动物，但仅限于几个大城市的少数科研单位。1955 年中国医学科学院用昆明小鼠培育出中国 1 号（C1）。1956年天津医学院李漪教授培育出津白1低癌系白化小鼠，这是国内第一例近交系小鼠。随后，津白2高癌系小鼠、615小鼠相继问世。从20世纪

36、80年代开始，我国实验动物工作有了飞速的发展。1985 年北京农业大学成立实验动物专业，招收本科生。与此同时，我国老一代科学家从国外引进裸鼠繁育成功，并建立实验动物屏障设施。目前，仅北京地区的实验动物屏障设施就有 100 余座。1987 年成立“中国实验动物学会”，编辑出版实验动物学专业杂志，不断加强与国外的技术合作与学术交流。1988 年，经国务院批准，原国家科委发布了实验动物管理条例。还先后制定实验动物质量管理办法（1997）、实验动物许可证管理办法（2002）。1996 年 10 月，北京市实验动物管理条例经北京市人大常委会审议批准，成为我国第一部有关实验动物管理工作的地方性法规。200

37、4 年12 月北京市实验动物管理条例再次修订。1998 年国家科技部建立了“国家啮齿类实验动物种子中心”，向全国供应实验动物种子。2005年国家遗传工程小鼠资源库验收通过，成为我国医药研究领域提供重要实验动物模型基地。虽然我国实验动物工作起步较晚，但由于国家重视和实验动物科技人员的努力，发展极为迅速，在某些方面已赶上国际先进水平。 第四节 动物替代试验在生命科学中的应用和发展 1954年，动物福利大学联合会（UFAW）Charles Hume 教授制定了一项有关动物试验人道主义技术的科学研究计划。这项由诺贝尔奖获得者免疫学家 Sir Peter Medawar和英国研究保护协会秘书长Lane

38、Petter领导，美国动物福利委员会奠基人Christine Stevens提供研究经费，指定英国的动物学家Russell 和微生物学家 Burch 承担这项工作。1959 年，发表了人道主义实验技术原理（The Principles of Humane Experimental Technique）一书。在这本书中，他们提供了大量的资料、许多卓越的思路和见解。第一次全面系统地提出了包括动物实验和实验动物的减少、替代与优化的动物实验替代方法（简称 3R）理论。他们的研究工作和人道主义试验技术原理的出版，对启动3R研究起到了非常重要的作用。 一人性化的概念 英国动物福利联合会的专家提出保证最低限

39、度的动物福利至少要满足动物五种基础需要，包括足够饮水和营养良好的食物；任何时间不受饮水的限制；免受痛苦和疾病的折磨；免受焦虑和害怕的折磨；能够表达正常生理学行为，如躲藏、犊和互相关照等。良好的动物福利能有助于获得良好的科学结果。开展动物实验时，研究者尽可能为动物提供良好环境来满足良好的动物福利，同时必须清醒认识到优良的动物生存环境不能与试验操作程序冲突。 二3R 的基本内涵 (一)减少 减少（Reduction）是指在科学研究中，使用较少量的动物获取同样多的实验数据或使用一定数量的动物能获得更多实验数据的科学方法。绝不能以节省时间或为了人员的方便以及其他不科学的原因为理由，使用超过能获取有意义

40、的实验结果所需要的最少动物数量。要达到这一目的，在实验前进行周密合理的设计和取得实验数据后的统计学分析是非常必要的。但也不能单纯为达到减少动物使用数量而采取违反科学原则的做法。 在减少动物使用量的问题上，对不同的实验应采用不同的处理方式。如在药品、食品等产品的法定检验中，要减少某一实验中使用动物的数量，则应采取非常慎重的态度和科学的程序。只有经过反复的验证并写入有关规程之后，才可在实际检测工作中应用。相反，在科研工作中，减少动物的使用量则是比较容易做到的。科研与法定检验很大不同点就在于研究方案的“多样性”和“可调整性”。不同课题研究的最终目的千差万别，为达到其研究特有的目的，研究手段（或研究方

41、案）各不相同。即使要达到同一目标，也可以采取不同的研究路线，如何在研究工作开始之前，选择最佳的实验方案，以达到减少实验中动物使用量的目的。 （二）替代 替代(Replacement)是指使用其它方法而不用动物所进行的试验，或者说是使用没有知觉的试验材料代替以往使用神志清醒的活的脊椎动物进行试验的一种科学方法。替代有不同的分类方法：根据是否使用动物或动物组织，替代方法可分为相对性替代和绝对性替代两个方面，前者是指采用人道的方法处死动物或使用细胞、组织及器官进行体外试验研究，或利用低等动物替代高等动物的实验方法；后者则是在实验中完全不用动物。按照替代物的不同，可分为直接替代（如志愿者或人类的组织等

42、）和间接替代（如鲎试剂替代家兔热原试验）。根据替代的程度，又可分为部分替代（利用其他替代实验手段来代替动物实验中的一部分或某一步骤）和全部替代（用新的替代方法取代原有的动物实验方法）。 对于认识和评价某个特定领域的替代方法是否有应用价值，需要认真对待。有些人认为，在生物医学的许多领域中，应用体外方法不仅能够获得与动物实验所提供的相同的技术资料，而且还能提供最佳的科学途径以解决某些难题。生物医学研究中的动物实验替代方法完全可以通过学术出版物和研讨会等形式进行交流而得到不断的完善和发展。而另外一些人则认为，替代的方法和技术可作为动物研究的补充，有助于减少使用动物的数量和改进以后的工作，但不可能完全

43、取代整体动物实验。以毒理学研究和安全性评价实验中采用的细胞培养方法为例，尽管它具有可用不同类型的细胞（包括人类细胞）和来自特定组织的细胞研究靶器官特性的优点，但它不能像整体动物模型那样作为完整的生物系统，用于评价不同途径（如吸入、摄入、皮肤接触）和长期染毒的后果，以及用来预测某些毒性作用的可逆性等。 在替代方法使用方面，还需要注意的是，在基础研究、医药、化学试剂和化妆品的安全检测、危险环境的检测、危险物品的检测等领域之间，毕竟存在着差距，在应用替代方法时应具体考虑。特别是在法定的检验工作中，如果非动物实验要作为动物实验的替代方法被采纳的话，则需经过严格的验证后被检验法规所认可，方可在法定检验中

44、使用。 （三）优化 优化（Refinement）是指在符合科学原则的基础上，通过改进条件，善待动物，提高动物福利或完善实验程序和改进实验技术，避免或减轻给动物造成的与实验目的无关的疼痛和紧张不安的科学方法。优化包括诸多内容，总体说来是一个科学化、规范化、标准化的过程，包括实验动物和动物实验两个方面。研究内容涉及到实验设计、实验技术、仁慈观点、人员的培训、饲养环境及设施、动物运输、动物自然习性等方面，其中动物实验程序的优化是一项主要内容。 在欧、美等发达国家，一个动物实验设计方案要经过实验动物管理委员会伦理审查委员会的审批才能得以实施，主要内容必须包括：充分阐明实验的必要性，并证明没有任何其它方

45、法可以取代该动物实验。充分阐明实验的合理性，即所用的实验动物种类、品系、数量、性别、日龄等都是科学合理的。能用小动物进行实验就不能选用非人灵长类以及犬、猫等动物，用 10 只动物能完成实验就不许用 11 只动物。明确实验过程可能给动物造成的疼痛、痛苦，有些国家制定了疼痛等级的评分标准。如果是用非人灵长类动物做实验，对实验完成后退役的动物必须有妥善安置措施。如 1999 年美国在佛罗里达洲的沙漠上建造了一所具有相当舒适度的设施，将多年研究退役的百只大猩猩放在这里“颐养天年”。 三3 R 研究的意义 （一）3 R 作为提升突破技术壁垒能力的载体和具体体现“标尺”，在经济发展和国际贸易中发挥不可替代

46、的重要作用 2002年11月7日欧洲议会与欧盟理事会在布鲁塞尔达成协议，决定从2009年起在欧盟范围内禁止用动物进行化妆品毒性和过敏实验，也不允许成员国从外国进口和销售违反上述禁令的化妆品。欧盟的这项决定是为了在不损害消费者利益的前提下，尽可能保护动物。欧盟希望化妆品公司在 2009 年以前能够找到替代检测方法。如果出现特殊安全需要，欧盟委员会可以允许成员国在经过特殊程序后，在动物身上进行化妆品成分安全性能测试。目前，英国、奥地利和荷兰已经禁止在动物身上进行化妆品成分测试，但并未禁止进口和销售此类产品。其中法国和意大利是进行动物实验最多的欧盟成员国。 （二）为科学发展提供了新思路和新方法 倡导

47、3R 一方面是为了适应动物保护主义运动、缓和动物保护与动物实验之间日益尖锐的矛盾冲突的一种需要。从 3R 研究成果的应用来看，确实对科学的发展起到了很大的推动作用。因此说，3R 研究也是科学发展的需要。有许多事例可使我们清楚地了解到 3R 与生命科学研究之间的内在联系。例如，利用携带有人脊灰病毒受体的转基因小鼠（TgPVR），替代猴子做口服活脊灰疫苗的神经毒性试验（安全性试验），不仅解决了灵长类动物的来源问题，也使用于疫苗检定的动物质量得到保证，检定结果的可靠性也大大提高。在生物学和药学研究中，利用遥测技术测定不同品系高血压大鼠在正常生活条件下的各种生理指标（包括收缩压、舒张压、心率等），从而

48、解决了必须对动物进行麻醉和固定，在这种非正常条件下获取动物各种生理参数的问题，使获得的数据更加准确。 （三）开展“3R”研究，从保护动物，或是关注动物福利的角度出发，这也是时代发展、社会进步在科学技术上的一种体现国外从动物保护发展到关注科研用的实验动物，在法规上是经历过一个较长的过程。从科学的角度上看，已有许多例子说明，深入研究人类对待实验动物所持有的道德观念、道德规范和道德评价标准与动物实验的关系，善待动物，关注动物实验中的动物福利，是有利于科学的发展。为了加强这方面的工作，国家科技部在目前修订的实验动物管理条例中增加了动物福利这一章。说明国家开始关注这方面的问题，动物福利也将是今后在实验动

49、物管理当中的重要内容。 四国外动物替代研究进展 自1981 年美国霍普金斯动物实验替代法研究中心成立以来, 欧洲替代法验证中心、荷兰动物应用替代研究中心等实验动物替代的专门研究机构相继成立。欧美和日本的科学家与化妆品、制药企业合作, 也开展了相应领域的研究工作。从20 世纪60 年代开始, 西方许多人道组织和政府开始为替代方法研究提供基金。1969 年英国建立了医学实验动物替代基金, 资助“不需用动物的医学研究”,其他国家也有类似的项目, 如德国每年提供600 万美元的研究拔款, 1992 年建立的“欧洲替代方法中心”, 欧盟每年要求增加900 万美元的经费以加强替代方法研究和验证工作，现在几

50、乎每天诞生新开发的优化技术和新的替代方法。 （一）怀孕检测 目前一个明显的例证就是人们可以在家中使用试剂盒来确诊是否怀孕，而不用兔子或青蛙做怀孕实验。这得益于新推出的试剂盒具有价格低廉、方便快速和灵敏度高的优点，可以实现早期怀孕诊断。 （二）内毒素测定 早期热原的测定，主要依据观察注射被检物质后，家兔 24-48h 时体温的变化（图1-1）。家兔法虽然能直观地反映各种热原的致热程度,但不易标准化，不易定量，重现性差和灵敏度差，受某些药品本身的药理活性及理化性质的影响较大，费用高且费时等。如果测定半衰期短的放射性物质，兔子热原试验则无法进行。直到 1968 年,Levin 等创建了微量细菌内毒素

51、的鲎试验检查法(Limulus Ameboytelysate Test ， LAT),现称细菌内毒素检查法(BacterialEndotoxin Test,BET)。由于其简便、快捷、稳定等特点,许多学者致力于细菌内毒素检查法取代家兔热原质检查法的尝试。1980年,美国药典开始正式收载细菌内毒素检查法之后,各国药典也纷纷效仿,1987 年欧洲药典、1989 年英国药典增补本、1988年日本药典第11增补本、1993年中国药典(1990年版增补本)都开始收载细菌内毒素检查法。国外许多科学家致力于热原检测的另一种体外替代试验的研究-用细胞因子法检测热原。其原理是当免疫细胞特别是血液单核细胞和巨噬细胞与热原接触后,能够释放出引起机体发热的内源性热原物质, 如白细胞介素 1(IL1)、白细胞介素 6(IL6)、肿瘤坏死因子(TNF)和干扰素。利用血清学试验(如ELISA)对其进行检测, 从而可以对供试品中有无热原做出判断。 （三）活体组织试验 针对毒理学研究中皮肤、眼睛的LD50试验,现在采用腐蚀性替代物, 只需3只动物即可完成实验。同样, 传统的LD50测定在经过50年的发展后, 也采用类似化合物替代实验, 减少动物用量。欧洲替代法验证中心和美国替代法确认协调委员会采纳了局部淋巴结试验（LLNA）、Cor