实验动物 基础

实验动物学基础第一节

导论

实验动物学是进行生物医学研究的基础性学科，它应用生物学、畜牧、兽医学及医学基本理论、基本技术和有关学科的基础知识，系统地阐述实验动物的生物学特性、育种、繁殖、饲养管理，疾病的预防、治疗，环境、遗传、微生物、营养，动物实验设计、实验方法的优化、实验过程的控制，以及实验动物的麻醉、镇痛和安乐死，动物实验的替代，动物实验的伦理，动物福利的保障等。一、实验动物学

20世纪50年代后期，在近代生物医学发展过程中，对实验动物质量和动物实验结果准确性的要求，越来越高，于是就诞生了一门独立的专门研究实验动物和动物实验的科学——实验动物学。前者是研究实验动物的遗传、育种、质量控制、疾病防治以及动物福利等内容；后者指以科学实验研究为目的，在动物福利得到保障的前提下，对动物进行各种处理，获得新的、科学的实验数据。

实验动物学是一门比较年轻的科学，但它已经建立起自身完整的理论体系，也派生出相关分支学科，如：实验动物育种学、实验动物微生物学、实验动物环境生态学、实验动物营养学、实验动物医学、比较医学、动物实验、实验动物饲养管理等。二、实验动物

（一）实验动物的种类

自然界动物种类繁多，到目前为至已知的约为150万种以上。采用物种的自然分类法，以动物的外部性状、内部构造、生活方式、生物的发生和彼此间的血缘关系等为依据，可以将所有动物以门（phylum）、纲（class）、目（order）、科（family）、属（genus）、种（species）进行分类，除此之外，还可用亚门、亚纲、亚目、亚科、亚属、亚种等来表示更细的分类等级。（二）实验动物和实验用动物

1．实验动物

实验动物指人工培育的、来源清楚、遗传背景明确、对携带的微生物实行控制、用于科学实验、药品、生物制品生产、检定的动物。

实验动物标准化：指实验动物生产条件（环境和设施）标准化、实验动物质量标准化（微生物学和寄生虫学控制，以及遗传质量控制）、动物实验条件标准化。按照以上提到的条件和标准，小鼠、大鼠、地鼠、豚鼠、兔子等进行多年人工饲养，已经完全成为合格的实验动物，其它一些哺乳类、鸟类、鱼类以及非人灵长类实验动物化的工作正在进行，还不是严格意义上的实验动物。经济动物也称家畜家禽，是以人类社会生活需要为目标，以经济性状（肉、乳、蛋、皮毛等）作为人工选择指标，定向驯养、培育、繁殖的动物。

野生动物是指自然状态下生存的动物。为了研究的需要，人类有时从自然界捕获的这些动物进行动物实验研究，而没有进行人工繁殖、饲养。(1)实验动物微生物学质量的影响（1）威胁人的健康和生命流行性出血热病毒（Epidemichemorrhagicfevervirus)淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒（Lymphocyticchoriomeningitisvirus）猴B病毒(Bvirus)狂犬病病毒(Rabiesvirus)布氏杆菌(Brucella)流行性出血热病毒宿主动物主要是小型啮齿动物，实验动物中小鼠和大鼠比较常见。传播途径以接触感染为主，常由带毒动物咬伤抓伤为主。典型表现有发热、出血和肾脏损害三类主要症状，以及发热、低压，少尿、多尿与恢复期等五期临床过程。淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒病毒属RNA型病毒，宿主动物主要是仓鼠小鼠、田鼠等鼠类。通过呼吸道及消化道及接触病鼠皮毛排泄物使人感染。临床症状刚开始为流感型症状，后表现为脑膜炎型。猴B病毒病毒属疱疹病毒Ⅰ型，自然宿主为旧世羿猴，猕猴也可感染，无明显症状。人、猴之间的传播主要以密切接触、抓咬为主。人感染后可出现脑炎等严重中枢神经症状，病死率较高。狂犬病病毒病毒属弹状病毒科狂犬病毒属，自然宿主广泛狼、狐狸、鼬鼠、蝙蝠等及家养动物狗、猫、牛等均可感染。人主要被病兽或带毒动物咬伤后感染。一旦感染，如不及时采取有效防治措施，可导致严重的中枢神经系统急性传染病，病死率极高。（2）影响动物生产结核分枝杆菌(M.tuberculosis)鼠痘病毒(Mousepoxvirus)泰泽氏菌(Tyzzer'sorganism)犬细小病毒(CanineDistemperVirus)犬瘟热病毒(Caninedistempervirus)巴氏杆菌(Pasteurella)（3）干扰实验结果隐性感染，不表现临床症状。但改变动物生物学参数，影响实验准确性、规律性、重复性。实验刺激下感染显性化，得病、死亡，实验终止。裸鼠慢性感染一些微生物绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa)感染免疫抑制动物

按微生物学控制标准，实验动物在我国分为四级一级动物普通动物二级动物清洁动物三级动物SPF动物四级动物无菌动物2、实验动物遗传学质量的影响

动物实验结果的重复性取决于动物个体差异，而动物个体特征主要受遗传基因控制，故实验动物的遗传学质量对动物实验结果有重要影响。不同基因型动物，生物学特性有明显差异，对实验刺激有不同反应。BALB/c对放射线比其他品系更为敏感。C57BL/6肿瘤发生率低，A系高。DMBA可致BALB/c产生白血病，对A系却产生皮肤溃疡BALB/c和C3H小鼠对鼠伤寒沙门氏菌的敏感性存在显著差异SHR为自发性高血压大鼠，心血管疾病发生率高

必须推广应用标准品系动物，防止各种品系动物发生遗传污染、基因型及生物学特性的改变，保证动物的遗传质量。按遗传学控制标准即基因的纯合程度，实验动物分为近交系封闭群杂交群动物近交系经至少连续20代的全同胞兄妹交配或亲代与子代交配培育而成，品系内所有个体都可追溯到起源于第20代或以后代数的一对共同祖先。代表动物：BALB/c、C57BL/6、DBA/2封闭群：以非近亲交配方式繁殖生产的一个实验动物种群，在不从其外部引入新个体的条件下，至少连续繁殖4代以上，称为一个封闭群，或叫远交群代表动物：ICR小鼠、SD大鼠、毕格犬杂交群：不同品系或种群之间杂交产生的后代称为杂交群。用于医学生物学研究常指两个近交系杂交后生育的第一代动物。代表动物：如C3H/HeJ♀×AKR/J♂

实验动物生产与实验条件的标准化是对干扰动物实验的周围环境因素进行控制。实验动物生产条件和动物实验条件的标准化

环境因素包括：气候因素（温度、湿度、气流、风速）理化因素（换气、粉尘、臭味、噪音、照明）居住条件（笼具、垫料、房舍）营养因素（饲料、水）同种和异种动物之间的关系2．实验用动物实验用动物指来源于野生动物、经济动物或其它人工饲养的动物，经过人工选择、定向培育发展而来、用于生物医学研究的动物。实验用动物泛指一切用于科学实验的动物，除了严格意义上的实验动物外，还包括经济动物、野生动物或观赏动物，也包括无脊椎动物。实验用动物范围要比实验动物广得多。

实验用动物是指所有用于动物实验的动物，包括实验动物。而实验动物是为研究的需要而培育的。确定是否是实验动物，要经过一系列检测，如微生物和遗传基因等，经专家鉴定才能称其为实验动物.3．遗传修饰实验动物

目前，动物遗传工程技术日益成熟，这些技术经迅速扩展，培育大量的遗传修饰动物（geneticallymodifiedanimals），大大丰富了实验动物的资源，为生物医学研究提供了一个强有力的工具。转基因动物（transgenicanimal）：采用显微注射技术将外源DNA溶液注入到小鼠受精卵的雄原核，用这种方种成功地获得了带有外源基因并能稳定遗传的动物。嵌合体小鼠（chimeramouse）：携带外源基因的胚胎干细胞（embryonicstemcell，ES），被注入于正常囊胚，发育成为嵌合体小鼠（chimeramouse）。基因敲除（knockout）小鼠：内源性的基因被剔除（基因失活）后培育的工程化小鼠。基因替换（knockin）小鼠：与某种生理现象相关的两个基因中的一个基因被另一个基因所替代后（基因功能改变）培育的工程化小鼠。克隆动物（cloneanimal）：采用胚胎分割技术、核移植技术等培育克隆动物。三、动物实验动物实验类型：在此特指生物医学实验研究中使用了动物，并且实验过程会给动物带来疼痛或伤害的实验类型。如果利用动物的器官、组织和细胞进行的体外实验研究，不属于动物实验研究的范畴。意义：进行动物实验研究有助于人们了解生物学基本知识、揭开生命的奥秘；有助于研究人类和动物疾病的成因，寻找新的诊断和治疗措施；有助于生物医学的教育和培训，如，医学院、兽医学院学生外科技术训练等。在动物实验研究中，动物的反应（也就是动物实验的结果）可以简单总结为：

R=（A+B+C）×D+E

其中，R是动物的反应，也就是动物实验处理的结果，A代表动物物种的反应，B代表动物品种或品系的反应，C代表个体的反应，D表示环境因素和动物种、品系、个体相互作用后对实验结果的影响，E代表实验误差。四、医学研究和动物实验

在现代医学生物学研究的领域里，进行实验研究的条件可以概括为AEIR四个基本要素，A代表animal（动物），E代表equipment（设备），I代表information（信息），R代表reagent（试剂）。其实，实验动物作为人类的替代者或模型，是伴随着生物医学一起成长、一起发展起来的。在生命科学研究中，实验动物既是实验研究的载体，又是人类疾病的模型动物，同时还可以用来生产生物制品和进行生物学检测，实验动物也是军事、航天等诸多领域的“功臣”。在未来，实验动物不但可能成为人体器官移植的供体，而且是进行功能基因组和疾病基因组学研究的“核心模型”。

五、动物实验标准化

动物实验标准化指使任何给定动物（或动物群体）的质量及其所处环境保持稳定，即动物质量和实验条件标准化。

标准化动物实验可以增加实验结果的重复性，使实验室内和不同实验室之间动物实验结果的具有可比性。标准化也可以减少给定动物实验中同种动物定量度量值的变异，从统计学观点来看，减少动物个体间度量值变异，可以降低每次实验所需动物的数量。

（一）变异分析

动物实验的标准化只涉及当时已知可能的变异。度量值的变异来源于两种情况：一是我们所知的实验间变异（between-experimentvariation）或组间变异；二是实验内变异或动物个体间差异（within-experiment或inter-individualvariation），也叫组内变异。事实上，两种变异都来源于动物本身以及实验过程中环境的影响。

1．实验间变异

重复一个特定的动物实验，不管使用同一组或不同组动物，结果总是得到不同的度量值。处理会使对照组和实验组平均度量值发生变化，即组间变异。组间变异可以剖分为：动物个体度量值间变异和实验条件间变异。如果处理因素和实验条件之间发生交互作用，还有一个额外的因素使处理在每次实验中发生变化，可能会导致对实验结果错误的解释。为了精确地评价处理效果重复实验是必须的。处理效果应该是真正的效果，系统误差或干扰对它即不削弱、也不夸大。降低实验间效应变异将减少对同一实验的重复性，因而使实验动物的使用量减少。从科学的观点来看，实验结果不应依赖于动物实验进行的时间和地点，必须是建立在可重复实验的基础上。

2．实验内变异在一次实验中，相同的动物之间的定量度量值属于个体间的变异。这种实验内变异包括：实施实验过程造成的变异、分析变异、个体内变异（intra-individualvariation）和固有的个体间变异（intrinsicinter-individualvariation）。固有的个体间变异来源于每个动物个体的度量值，每个动物固有特性不同，而且基本上不依赖于动物所接受的处理。个体内变异是一个动物体不能标准化的变异组成，这种变异会使动物每天度量值上下波动。

3．动物实验间和实验内变异的来源动物实验中变异的一个重要来源是实验动物自身。

一个实验组中动物的差异或两个不同组间动物的差异来源于动物的年龄、体重、同窝动物的数量及其它可能在实验前就已经存在的差异。这些差异可以增加实验间或实验内度量值的变异，如果这个变异影响到对照组和实验组差异，将影响实验结果。个体间基因型的差异（包括性别），同样会增加度量值的变异。动物实验中的生物因素（动物携带微生物状况、性周期等）、物理因素（光照、温度等）、化学因素（营养、睡眠等）、群体因素（饲养密度、个体的相互作用）等环境因素也会增加实验结果的组间和组内变异。

动物实验获取的度量值基本上是由遗传和环境的相互作用决定的。遗传和环境的相互作用表现在各个层次上：环境对受精、胚胎发育到性成熟期的影响，被称作初期环境（primarymilieu），初期环境和基因型的相互作用决定了动物的表型。初期环境后、动物实验前环境继续影响表型，形成演出型（dramatype），这是二期环境（secondarymilieu）。动物受到实验过程和处理因素的影响，即为三期环境（tertiarymilieu）。

根据度量值的类型，基因型和环境之间的相互作用对实验间和实验内变异以及处理有不同的影响。

动物和环境的标准化

理论上讲，由于基因造成的个体差异可以通过使用基因型相同的动物来排除。近交系或F1代是同基因型动物，动物实验中观测度量值的个体间变异比不同基因型的动物（如，封闭群动物）要小的多。当然，遗传只是影响度量值众多因素中的一个因素。

实验动物携带的微生物能够影响度量值的多种变异。一些微生物隐性感染的动物，可以明显的增加不同实验之间和同一实验个体之间度量值的变异。通过使用携带微生物背景明确的动物（如，SPF动物），可使这类变异减少到一定程度。

更换饲养场所的实验动物，至少要经过一周的时间动物才可能达到一种新的稳定的生理状态。动物到达一个新的地方，涉及物理、化学、微生物等