人类疾病的动物模型
第一节 概念及意义
一、概念
人类疾病的动物模型(animal model of human disease) 是指各种医学科学研究中建立的具有人类疾病模拟表现的动物。
动物疾病模型主要用于实验生理学、实验病理学和实验治疗学（包括新药筛选）研究。人类疾病的发展十分复杂，以人本身作为实验对象来深入探讨疾病发生机制，推动医药学的发展来之缓慢，临床积累的经验不仅在时间和空间上都存在局限性，而且许多实验在道义上和方法上也受到限制。而借助于动物模型的间接研究，可以有意识地改变那些在自然条件下不可能或不易排除的因素，以便更准确地观察模型的实验结果并与人类疾病进行比较研究，有助于更方便，更有效地认识人类疾病的发生发展规律，研究防治措施。
二、动物模型在生物医学中的意义
1. 可复制 临床上一些疾病不常见,如放射病、毒气中毒、烈性传染病、外伤、肿瘤等。还有一些如遗传性、免疫性、代谢性和内分泌、血液等疾病，发生发展缓慢、潜伏期长，病程也长，可能几年或几十年,在人体很难进行3世代以上的连续观察。人们可有意选用动物种群中发病率高的动物，通过不同手段复制出各种模型，在人为设计的实验条件下反复观察和研究，甚至可进行几十世代的观察，同时也避免了人体实验造成的伤害。
2. 可按需要取样 动物模型作为人类疾病的“复制品”,可按研究者的需要随时采集各种样品或分批处死动物收集标本，以了解疾病全过程，这是临床难以办到的。
3. 可比性 一般疾病多为零散发生,在同一时期内,很难获得一定数量的定性材料,而模型动物不仅在群体数量上容易得到满足，而且可以在方法学上严格控制实验条件，在对饲养条件及遗传、微生物、营养等因素严格控制的情况下，通过物理、化学或生物因素的作用，限制实验的可变因子，并排除研究过程中其它因素的影响，取得条件一致的、数量较大的模型材料，从而提高实验结果的可比性和重复性，使所得到的成果更准确更深入。
4. 有助于全面认识疾病的本质 在临床上研究疾病的本质难免带有一定局限性。许多病原体除人以外也能引起多种动物的感染，其症状体征表现可能不完全相同。但是通过对人畜共患病的比较，则可以充分认识同一病原体给不同机体带来的各种危害，使研究工作上升到立体的水平来揭示某种疾病的本质。
因此，一个好的疾病模型应具有以下特点：①再现性好，应再现所要研究的人类疾病，动物疾病表现应与人类疾病相似。②动物背景资料完整，生命周期满足实验需要。③复制率高。④专一性好，即一种方法只能复制出一种模型。应该指出，任何一种动物模型都不能全部复制出人类疾病的所有表现，动物毕竟不是人体，模型实验只是一种间接性研究，只可能在一个局部或一个方面与人类疾病相似。所以，模型实验结论的正确性是相对的，最终还必须在人体上得到验证。复制过程中一旦发现与人类疾病不同的现象，必须分析差异的性质和程度，找出异同点，以正确评估。
四、人类疾病动物模型的分类
1. 自发性动物模型(naturally occuring or spontaneous animal models)是取自动物自然发生的疾病,或由于基因突变的异常表现通过定向培育而保留下来的疾病模型。如大鼠的结肠腺癌、肝细胞癌模型，家犬的基底细胞癌、间质细胞癌模型等十余种。突变系的遗传性疾病很多,可分为代谢性疾病、分子性疾病、特种蛋白合成异常性疾病等。这类疾病的发生在一定程度上减少了人为因素，更接近于人类疾病，因此近年来十分重视对自发性动物疾病模型的开发。
2. 诱发性动物模型(experimental artificial or induced animal models)
诱发性动物模型是通过物理、生物、化学等致病因素的作用，人为诱发出的具有类似人类疾病特征的动物模型。
诱发性动物模型制作方法简便，实验条件容易控制，重复性好，在短时间内可诱导出大量疾病模型，广泛用于药物筛选、毒理、传染病、肿瘤、病理机制的研究。但诱发性动物模型是通过人为限定方式而产生的，多数情况下与临床所见自然发生的疾病有一定差异,况且许多人类疾病目前还不能用人工诱发的方法复制,因而又有一定的局限性。
第二节 自发性人类疾病动物模型
一、免疫缺陷动物疾病模型
1. B淋巴细胞缺陷疾病模型 临床常表现为免疫球蛋白缺失， 细胞免疫正常。 如CBA/N小鼠，起源于CBA/H品系，为X-染色体隐性遗传，其基因符号为xid。纯和型雌鼠(xid/xid)和杂合型雄鼠(xid/y)对Ⅱ型抗原(非胸腺依赖性抗原)以及双链DNA 等没有反应。对胸腺依赖性抗原缺乏抗体反应，IgG3、IgM低下。如果移植正常鼠的骨髓到xid宿主，B细胞缺失可得到恢复。而将xid鼠的骨髓移植到受射线照射的同系正常宿主，其仍然表现为不正常的表型。
2. T淋巴细胞缺陷动物疾病模型 胸腺分泌淋巴细胞缺陷导致细胞免疫功能丧失，临床表现为毛发缺乏和胸腺发育不全。1966年在苏格兰的一群小鼠中发现了一种突变种--自发无毛小鼠，该鼠生长不良，繁殖力低下，易发生严重感染，到1968年对无毛小鼠进行纵膈连续切片，显示出胸腺缺失，遗传检查为常染色体隐性遗传，这种动物能接受同种或异种组织移植。现在有多种遗传性无胸腺动物，如裸小鼠、裸大鼠、裸豚鼠和遗传性无脾症小鼠动物模型。
3. T、B淋巴细胞联合免疫缺陷动物疾病模型 这是最严重的免疫缺陷疾病,动物临床表现为低γ球蛋白血症、低淋巴细胞血症，由于B淋巴细胞缺乏， 在淋巴结内生发中心消失，由于T淋巴细胞缺乏，在脾动脉周围细胞鞘和淋巴结副皮质区缩小、淋巴细胞减少。SCID(severe combind immuno deficiency)小鼠由美国Bosma M.J于1980 年首次发现，1988年由Jackson实验室引入我国。遗传检查为第16号染色体上隐性突变基因,为C、B17/Icrj同源近交系。
二、遗传性高血压大鼠疾病模型
自发性高血压(SHR)是1963年在日本由冈本和Aoki从Wistar大鼠中筛选培育而成,血压呈持续升高，雄性SHR还拌有广泛结节性动脉周围炎,被用作结节性动脉周围炎动物模型。用遗传育种法已纯化了八个品系遗传性高血压大鼠,即遗传性高血压品系(SHRSP)、盐敏感品系(DS)、自发性高血压品系(SHR)、中风型高血压品系(SHRSP)、Milan 高血压品系(MNS)、Munster品系(SHM)、Sabra高血压品系(SBH)和Lyon高血压品系(LH),病理生理及组织病理学变化与人类高血压疾病有相似之处。
三、自发肿瘤疾病动物模型
几乎所有人类肿瘤疾病在实验动物中都可以有相似的肿瘤疾病，肿瘤在不同种系动物中发病率有差异，利用高发病率品系动物来研究自发性肿瘤疾病，更接近人群发病情况。小鼠乳腺癌在C3H、A/He、DBA/1、DBA/2发病率较高,在C3H雌性动物年龄超过9个月后,乳腺肿瘤发病率可高达100％;肺肿瘤多在A/He、A/JAX,皮肤肿瘤在C57L/He、BR/cd,肝脏肿瘤在C3H、C3Hf、C3He、C57,淋巴网状系统肿瘤在C58、C57L，血管内皮瘤在HK、BALB/c等发病率较高，在实际工作中应进行针对性选择。
第三节 诱发性动物模型的复制方法
诱发性动物模型的复制不外是以生物的、物理的及化学的因素作用于动物，使动物产生类似于人类疾病的生理改变。
物理因素包括机械力、温度和压力的改变、放射线 、噪音等。复制模型时要注意选择适宜的刺激强度、时间和频率。例如要观察Ⅰ度烧伤，若作用时间过长，温度过高，则会出现深度烧伤，达不到观察Ⅰ度烧伤所引起的病理生理改变的目的，模型将失去价值。
生物因素，如病毒、细菌、真菌、寄生虫、生物制品、细胞、毒素等各种致病原，通过注射或接种使动物产生相应疾病。用该方法进行复制时首先要注意易感动物与人临床症状的异同处，选用易感动物。如轮状病毒可引起婴儿急性坏死性肠炎，而犬感染该病毒后仅出现亚临床症状。人畜共患病动物模型是研究人类疾病的极好材料，现有 150多种人畜共患病资料，为流行病学、病理学和临床症状学的研究提供了依据。
化学因素的作用有两方面，一是通过化学物质的烧伤、腐蚀，二是通过化学物质参与代谢实现的。在复制过程中要注意不同品种、不同年龄、体重的动物存在着剂量、耐药性和副作用的差异。如用四氯化碳复制肝脂肪变性动物模型，量过大会引起肝坏死，乃至出现急性中毒而死亡，因此，在试验前要摸出稳定的实验条件。
一、心血管系统疾病动物模型
（一）心肌缺血的动物模型
急性心肌缺血动物模型的制备方法很多，可概括分为两类，一是开胸法诸如冠脉结扎法、冠脉夹闭法、微量直流电刺激法、化学灼烧法及冠脉局部滴敷药物法；二是闭胸法，通过注射或接种使动物产生相应疾病。包括异物法如微珠堵塞法和球囊堵塞法及冠脉内注射药物诱发冠脉痉挛法。开胸法直观省时，易掌握，冠脉病变的部位恒定，个体间差异小,但需行开胸手术并要求以呼吸机辅助呼吸,创伤大,动物死亡率高达30-60％。闭胸法简便易行，手术创伤小，动物死亡率低，术后动物恢复迅速，可以选择任何一支冠脉，定位准确，且动物处于较少的生理扰乱下，用这种方法制备的模型进行实验研究，结果相对准确，误差小。
齐淑英等利用铜圈置入法制备急性心肌缺血动物模型，其机理可能在于铜圈作为异物被置入冠脉内，会诱发冠脉内血栓形成，堵塞冠脉而发生急性心肌缺血。选健康杂种犬，体重19±4kg，硫喷妥钠10mg/kg静脉注射麻醉动物，左侧卧位固定于实验台上。右颈部常规备皮消毒，横行切开皮肤，逐层分离皮下组织，暴露右侧颈总动脉，结扎其远心端，近心端剪开直径约1/2，送入8F动脉穿刺器，Ｘ线下沿穿刺器送入7F 预塑形左冠脉主干，注射38％泛影葡胺显影证实后,沿导管送入PTCA长导丝至左前降支远端， 撤出导管、将自制铜圈（用直径0.2mm铜丝，以12-16号注射针头绕制7圈而成）套在导丝上,再用PTCA导管将铜圈推送至左前降支第一分叉处,撤出导管(PTCA导管)及长导丝，铜圈留于局部，连续心电监护，间断注射造影剂。在实验中，于送入导管前静脉给予肝素钠1.5mg/kg，置铜圈前静注利多卡因2.0mg/kg，然后维持静滴(1.0mg/min)。
其结果,犬于放置铜圈后4-12min出现急性心肌缺血,冠脉造影显示铜圈远端不显影,心电图出现定位的ST-T改变,成功率100％。犬于实验结束后12h内均存活,死亡率为0。
（二）动脉粥样硬化动物模型
除田鼠和地鼠外，一般温血动物只要方法适当都能形成动脉粥样硬化的斑块病变。常选用兔、猪、大鼠、鸡、鸽、猴和犬等动物。常用的复制方法有高胆固醇、高脂肪饲料喂养法，免疫学方法，儿茶酚胺类药物注射法，同型半胱氨酸注射法，幼乳大白鼠法及胆固醇－脂肪乳剂静脉注射法等。
家兔是使用最广的动物，它对造病膳食的敏感性高，容易造成高胆固醇血症与动脉粥样硬化。缺点为家兔的脂质代谢与人类不同，病变的解剖分布以胸动脉为主，小动脉常有病变；病理组织以血源性巨噬细胞吞噬脂质为主，形成泡沫细胞，不容易形成粥样斑块，亦难以形成复合性病变；网状内皮系统常伴有脂质沉积。
在含黄豆粉10％、麦粉38％、麸皮50％，盐1％及鱼粉1％的基础饲料中加进猪油与蛋黄粉，每天每只家兔喂基础饲料30-50g、猪油1.5g和蛋黄粉5g。以上述造病膳食饲喂14周。在喂食后2周内,血浆胆固醇浓度从实验前的124mg/100ml逐渐上升，第8周达到最高水平，平均值为543mg/100ml。继后胆固醇浓度明显下降，停喂造病膳食后,下降更为明显，降至180mg/100ml。主动脉病变Ⅱ-Ⅳ级者达92％，其中Ⅲ-Ⅳ级病变占62％;病变虽以细胞内外脂质沉积为主，但网状内皮系统的脂质沉淀及肝脏损伤明显减轻，死亡率降低。以该方法复制的动脉粥样硬化模型，比较符合人类的饮食情况，实验中动物健康状态稳定，死亡率较低。
二、消化系统动物模型
（一）肝硬化动物模型
选体重150-200g的Wistar大鼠，将D-氨基半乳糖配制成10％的生理盐水溶液，用1NNaOH将pH调节至7.0,以250mg/kg的剂量行腹内注射，每天一次，每周６天，约半年左右即可形成肝硬化。
在复制过程中，自股动脉取血作肝功能试验，包括血清蛋白测定、浊度试验、转氨酶、乳酸脱氢酶（LDH）、单胺氧化酶(MAO)、５'-核苷酸酶(5'-NA)、γ-谷氨酰转肽酶(γ－GT)及胆硷酯酶。分批处死动物进行尸解，观察腹水，心、肝、脾、肺肾等器官形态,用4％甲醛溶液固定,石蜡包埋,切片厚5微米,进行HE、网状纤维（Gordon与Sweet法)、胶原纤维（Van Gieson 法)及弹力纤维(Weiger法)染色。
在采用上述剂量D-氨基半乳糖长期多次注入大鼠腹腔时，动物耐受性较好。逐渐出现进食活动减少，有时解稀糖大便，腹部较为膨隆。半年内与对照组相比，实验组体重平均增长显著延缓。
尸检时可见腹腔内有腹水，0-20ml不等。心、脾、肺、肾、无明显改变。与对照组相比，早期肝明显增大、重量增加，色泽较灰黄，以后体积逐渐缩小，质地变硬，边缘较钝，肝表面可见弥漫性分布的细颗粒状结节，结节大小不一，直径约为0.5-1.5mm,结节间可见弥漫分布的纤维间隔，间隔一般较细小，其凹凸程度随病变而加深。切片HE染色、光镜下检查，在注射氨基半乳糖5个月后，肝小叶结构开始紊乱,形成大小不等的肝细胞团，有的仍见好的中央静脉，但其周围门脉区胆管上皮高度增生，其间夹有残留的个别肝细胞及少量单核多核白细胞及褐色素沉着。随着病程的延长，增生的胆管及纤维母细胞向四周呈星芒状伸展，有的与中央静脉相连。一般肝细胞变性坏死少见，大多呈增生表现。Gordon与Sweet 法染色显示肝细胞团中网状纤维少见而周围组织中存在着大量疏松的网状纤维。胶原纤维及弹性纤维均未见增多。除肝外，其余实质器官切片无异常发现。
实验动物在出现肝硬化时血清白蛋白含量稍有降低,浊度试验略增高,血清GPT、LDH、MAO、5'-NA、γ-GT与胆硷脂酶均无明显改变。
（二）动物大肠癌模型
动物大肠癌的自然发病率很低，仅田鼠较易发生大肠息肉和肿瘤。早期使用诱癌的化学剂多是芳香胺类，1965年Laqueur应用苏铁素(cycasin)及其配基-甲基偶氮氧甲醇(MAM)成功地诱发了大鼠大肠癌,之后,又合成一系列类似物。目前用以诱发大肠癌的致癌剂主要是间接致癌剂二甲阱及直接致癌剂亚硝胺类。选用的动物有小鼠、大鼠及豚鼠等。这里重点介绍二甲阱诱发小鼠大肠癌的方法。
选体重为18-20g的雌性昆明种小鼠，饲以常规饲料，任意饮水。致癌剂：对称的二甲肼(symmetrical 1，1-dimethylhydrazine，DMH)，为白色粉状结晶， 每次临注射前以无菌生理盐水配成0.4％溶液，并用NaHCO3将其pH调至6.5-7.0。每周给小鼠颈部皮下注射DMH 20mg/kg(即0.4％DMH溶液0.05ml/10g)一次， 连续20(或16)次。 于注射日起6(或5) 个月末处死动物，检查大肠的肿瘤。
据资料报导，大肠癌的发病率为81-100％。诱发的大肠肿瘤均系恶性肿瘤。肿瘤发生在肠壁的粘膜面，大多向肠内突出，肿瘤表面光滑，少数有糜烂。全部肿瘤均分布在距肛门6.5cm范围内，以距肛门3-4cm处最密集。肿瘤的组织学检查，绝大多数为腺癌。实验中还诱发了一定量的肛门肿瘤，切片检查均为鳞癌。亦可用C57BL 纯系小鼠诱癌，方法同上，但诱癌率低，仅35％，每鼠带瘤数亦少，说明此系小鼠对DMN不敏感。用DMH诱癌法，小鼠较大鼠合适，因为前者主要诱发大肠癌，后者除诱发出大肠癌外，小肠癌发病率较高，说明大鼠大肠组织对DMH敏感性不如小鼠高。此外诱癌率与小鼠的种系亦有关系，一般认为C57BL纯系小鼠诱癌率低。
注射DMH及处理小鼠、垫料时需戴手套。加强防护措施。
