常用实验动物及其在生物医学研究中的应用 (1)

实验动物及其在生物医学研究中的应用医学实验中心程杰用于生物医药科学研究的实验动物种类繁多，其中常用的有：啮齿目的小鼠、大鼠、豚鼠、地鼠、长爪沙鼠、棉鼠等，兔形目的家兔，食肉目的猫、犬、雪貂，偶蹄目的猪、羊，灵长目的恒河猴、猩猩、狒狒、绒猴，两栖纲的青蛙、蟾蜍，鸟纲的鸡、鸭、鹅等。虽然非人类灵长目动物与人类在进化与解剖等方面十分接近，是医学科学研究中的理想实验动物，但由于其数量有限、繁殖较慢、价格昂贵，所以在使用中受到一定的限制。本章主要介绍常用的实验动物的生物学特性和解剖生理特点、应用、常用品种及品系。以利于在应用实验动物时进行正确的选择。小鼠Mouse，Musmusculus小鼠属脊椎动物门，哺乳纲，啮齿目，鼠科，小鼠属的动物，别名鼷鼠，实验用小鼠来源于野生鼷鼠，经人们长期选择培育而成。具有20对染色体和相同数量的连锁群。小鼠来源于中国，最早仅作为宠物来饲养，从17世纪开始就用于解剖学研究及其他动物实验中，此后在欧洲小鼠用作被毛毛色遗传性状的研究中。小鼠是目前应用最广泛、被研究的最清楚、最深入的实验动物；已育成的品种品系有500多种。是一般实验室所用实验动物中体格最小、用量最多的实验动物之一，约占全部实验动物用量的40%～80%。一、生物学特性1、生活习性和体形(1).外观、体形、适应性小鼠面部尖突，头呈锥体形，耳耸立呈半圆形，眼睛大。尾长约与体长相等，尾部覆有短毛和环状角质鳞片。健康小鼠皮毛光滑紧贴皮肤，四肢匀称，眼睛亮而有神。小鼠有多种毛色。小鼠是啮齿目实验动物体形中较小的动物，一般雄性大于雌性；对环境要求较高，怕热畏寒，不耐饥饿，对外部刺激极为敏感，抵抗力弱。当遇到传染病时往往成群死亡，如果饲料或饮水中断常会发生休克。特别怕热，一出汗就易感染疾病而死亡。小鼠对外界温度的变化，特别对低温非常敏感，由于运输、环境改变而导致的低温可很快引起死亡。(2).喜居光线暗的安静环境，昼伏夜出(3).性情温顺，易于饲养管理小鼠经过长期的人工培育，性情温顺，易于抓捕，不会主动咬人；一般很少相互咬斗，是理想的实验动物。雄性好斗，性成熟的雄鼠放在一起时，易发生互斗并咬伤，但同窝的小鼠离乳后放在同笼内饲养，则不发生互斗。雄鼠分泌的醋酸铵有臭味。当饲养室内有人时，小鼠的活动受到一定的抑制，甚至停止。受惊时，尾巴挺直并猛摇，如强光或噪声刺激可导致哺乳母鼠神经紊乱，发生食仔现象。(4).喜群居为群居性动物。群饲时，饲料消耗量比单个时多，生长发育也快。群养时雌雄要分开，并不能过为拥挤，否则会抑制生殖能力。群居时，群居优势在雄性中很明显，表现为群体中处于优势者保留胡须，被称为“理发师”，而处于劣势者胡须被拔光。(5).喜欢啃咬小鼠是典型的啮齿类动物，门齿终生生长。小鼠有啃咬习惯，以此来磨损门齿并保持其长短的恒定。2.生理学特性(1).生长发育刚出生时体重约为1.5g，1月龄时为12～19g，1.5～2月龄时可达20～39g。新生仔鼠赤裸无毛，皮肤肉红，两眼不睁，耳廓和皮肤粘连，头大尾短，出生后即可发出声音，有触、嗅、味觉。生后1～2h即可吃奶，3日龄时脐带脱落，皮肤转为白色，开始长毛，4～5日龄时两耳张开，1周后能爬行，被毛逐渐浓密，8日龄长出下门齿，10日龄后有听觉，12日龄开眼，14日龄长出上门齿，13～15日龄可从窝内爬出，开始活动和觅食、饮水，3周龄左右即可独立生活，故一般3周可断奶分离，4周龄时雌鼠阴腔张开，5周龄时雄鼠睾丸降落至阴囊，开始生成精子。成年小鼠体重随品系不同略有差别，体重范围在18～45g。一般雄鼠比雌鼠体重增长快；普通小鼠比近交系小鼠生长快。实际上小鼠生长发育的快慢与品系、营养、环境、带仔数的多少，哺乳能力和生产胎次有密切关系。(2).生殖生理小鼠发育迅速，性成熟早。6～7周龄时性成熟；体成熟，雄鼠为70～80日龄，雌鼠为65～75日龄。小鼠一年四季均有性活动，性周期明显，为4～5d，一般在发情后2～3h即可排卵，性活动一般分为发情前期、发情期、发情后期和发情休息期。性周期各阶段的特征，可用阴道分泌物涂片和组织学检查加以区分。精囊、前列腺、尿道球腺等生殖器官具有分泌精液的功能，这些分泌物是推动精子前进的必要条件，并在雌鼠阴道和子宫颈中凝固，形成阴道栓。小鼠为“Y”型双角子宫。妊娠期为20d左右，哺乳期为20～22d，每胎产仔6～15只，年可产6～9胎。雌鼠性周期在同笼雌鼠密度过大时可延长甚至被抑制，在有雄鼠存在时可恢复甚至缩短，这种现象称为whitten反应。雌鼠还有产后发情的特点。小鼠性活动可维持1年左右，作为种鼠使用时间一般为6～8个月。(3).消化小鼠的颌下腺仅能分泌一种类型的唾液—浆液性粘液。小鼠食管衬以厚的角质化鳞状上皮，邻近食道的胃粘膜也是角化的，靠近幽门的区域为腺体区，无论胃内有无食物，胃腺都持续分泌。(4).营养、水代谢小鼠对蛋白质的要求较高，一般为饲料营养比例的20%以上。对维生素E缺乏敏感，体内自身可合成维生素C。小鼠体表蒸发面与整个身体相比所占比例比其它动物大，水分在体内的周转期比其它哺乳动物快。小鼠对环境温度的波动有明显反应，对寒冷的应答为不发抖性产热。没有汗腺，也不能加大喘气量，唾液分泌能力有限，不易散热，环境温度升高则体温也随着升高，而且体温调节不稳定。(5).呼吸、心率与血压小鼠代谢率高、耗氧量大，在静止状态下，每小时每克体重约耗氧3.5mL。为了适应如此高的代谢率，小鼠具有高的肺泡氧分压、呼吸频率、红细胞总数、血红蛋白浓度、碳酸脱氢酶浓度、血氧浓度及血糖浓度等。(6).泌尿小鼠每次排尿仅1～2滴，且是高度浓缩的，小鼠能将尿浓缩到4300mOsm/L，而人类最大限度为1160mOsm/L。小鼠正常情况下，其尿液中含有大量的蛋白质，还常排出氨基乙磺酸(牛胆碱Taurine)和肌氨酸酐，禁食小鼠的肌氨酸酐与肌氨酸的比率为1:1.4，排出的尿囊素比尿酸多，但没有色氨酸。(7).血液学指标小鼠的血液量约占其体重的1/5，易发生贫血。幼年小鼠的红细胞略小于成年小鼠。3.解剖学特点小鼠的骨骼分为中轴骨骼和四肢骨骼两大部分，中轴骨骼包括头骨、脊柱、肋骨和胸骨；四肢骨骼包括肩、前肢骨、腰带和后肢骨。小鼠的下颌骨是遗传力极高的性状，由某些多态性位点决定，其形态有品系特征，各近交系小鼠下颌骨形态和大小有显著差异。50日龄后小鼠下颌骨的形态和大小几乎不再变化。下颌骨分析是一种定量技术，主要对大、小鼠右侧下颌骨形态做对比性检查。小鼠齿式为：1003/1003=16。上下颌相同，各有2个门齿和6个臼齿，门齿终生不断生长，故需经常啃咬有一定硬度的食物等，以使磨损的门齿维持适当的长度，这是啮齿类动物的特性，需要经常磨牙，故在饲养过程中应注意。小鼠喜食香脆，有一定硬度的食物。小鼠胃为单室，分为前胃和腺胃，有嵴分隔，前胃为食管的延伸膨大部分，胃容量小，约1.0～1.5mL，消化功能较差，不耐饥饿，胃底及脾门处淡红色，不规则，似脂肪细胞。盲肠较短，呈“U”形，有蚓状突。小鼠肠道较短，盲肠不发达。小鼠的消化腺有唾液腺3对（耳下腺、颌下腺和舌下腺）、肝脏分4叶（中叶、左叶、尾叶和右叶。肝脏是最大的腺体，具有分泌胆汁、调节血糖、储存肝糖、中和毒物等功能。胰腺分泌胰液。肺由5叶组成，右肺4叶（上、中、下和心后叶），左肺为1整叶，但在左肺上有1条不太深的沟，因此左肺不是完全的整叶。气管由15个白色环状软骨环组成，气管及支气管腺不发达，不适于作慢性支气管炎模型及去痰平喘药的疗效实验。肾脏位于背壁两侧，右肾稍高，肾脏呈赤褐色蚕豆状。雌鼠生殖器官包括卵巢、输卵管、子宫、阴道、阴蒂腺及乳腺等。卵巢1对，在肾脏下方，呈小球状，表面凹凸不平，具有产生卵子和分泌雌激素的功能。输卵管由不规则的弯曲管组成，前端呈漏斗状，喇叭口朝着卵巢，末端接子宫。子宫呈“Y”字形，左右子宫角在膀胱背侧汇合成子宫体，其前部以中隔分成两部分，后部中隔消失，逐渐形成子宫颈，开口于阴道。小鼠乳腺极为发达，有5对，其中3对位于胸部，可延续到背部和颈部。腹部有2对。雄鼠生殖器官包括睾丸、附睾、输精管、凝固腺、前列腺、贮精囊等。睾丸1对，呈椭圆形，淡红色，未成熟时位于膀胱附近，成熟后降入阴囊内，其表面被纤维性结缔组织包被，内部由无数曲精细管和间质组织组成。睾丸的功能是产生精子。附睾是分布在睾丸上的不规则管道，由头、体、尾3部分组成，是储存、浓缩精液的地方。输精管自附睾尾发出，进入腹腔内，通过输尿管上方及膀胱背面，左右会合后开口于尿道基部。前列腺位于精囊内侧，分背、腹2叶，背叶位于尿道背侧，腹叶位于尿道腹侧。储精囊位于膀胱附近，呈倒八字形。4.遗传学特性目前，小鼠是遗传学背景知识研究最详尽的动物之一，研究的最为充分的是组织相容性复合体、毛色基因等。小鼠有20对染色体和相同数量的连锁群。推测小鼠共有3万多个结构基因，已查明定位的仅有648个。小鼠的毛色变化多种多样，其遗传学基础已研究得比较清楚。因此毛色常作为小鼠遗传学分析中的遗传标记和品系鉴定的依据之一。毛色基因主要受C-c、A-a、B-b3个基因位点支配，英文字母为大写时表示显性，小写为隐性，当基因型是CC或Cc时，则小鼠被毛是有色的。小鼠的遗传性疾病小鼠黑色素病，即Chediak-Higashi综合征，为自发性遗传病，与人相似；还有白化病、家族性肥胖、遗传性贫血、系统性红斑狼疮、尿崩症、肌肉萎缩症、侏儒症、糖尿症、骨骼硬化症、白内障等，适宜遗传性疾病研究。二、小鼠在生物医学研究中的应用1.药物研究药物毒性和安全评价实验各种药物的筛选性实验生物效应测定和药物的效价比较实验药效学研究2.肿瘤学研究肿瘤实验研究人体肿瘤研究动物移植性肿瘤研究如常选用昆明种封闭群小鼠做S180（肉瘤）、H22（肝癌）、S37（乳腺癌）等肿瘤接种和移植实验。肿瘤遗传学研究3.微生物学研究4.遗传学和遗传学疾病研究5.计划生育研究6.内分泌疾病的研究如肾上腺皮质肥大造成肾上腺皮质功能亢进，发生类似人类柯兴综合征，肾上腺淀粉样变性造成肾上腺激素分泌不足可引致Addison病症状。7.老年病学研究8.免疫学研究9.其他小鼠无呕吐反应，不宜作呕吐实验。小鼠没有汗腺，体温调节不稳定，在选择应用时应注意回避。小鼠不易形成动脉粥样硬化，故不宜作此类实验。另外，烧伤、冻伤、放射病、肝硬化、胰腺炎等疾病模型均可用小鼠来复制。三、常用品种及特点远交群毛色白化。适应性强，体格健壮，繁殖力强，生长速度快，实验重复性较好，雌鼠自发性畸胎瘤和管状腺瘤发病率为0%～1.0%，是国际通用的封闭群小鼠，ICR/JCL小鼠是进行免疫药物筛选，复制免疫学疾病病理模型较常用的实验动物。也是良好的血液学实验用动物。1926年美国Rockfeller研究所从瑞士引入白化小鼠培育成瑞士种小鼠。毛色白化，毛色基因为aabbcc。适应性强，抗病力强，繁殖力高，受孕率在98%以上，产仔平均为9只以上。常见的自发肿瘤为乳腺癌，发病率约25%。广泛应用于教学，生殖生理、肿瘤、毒理、药理、免疫和微生物的科研工作以及药品、生物制品的制造和鉴定工作。KM美国国立卫生研究所培育成的，即N:NIH.SW。毛色白化，适应性强，体格健壮，雄性好斗易致伤，繁殖力强，产仔成活率高，容易饲养繁殖。2月龄时体重与昆明种小鼠相似，免疫反应的敏感性比KM强，是国际上通用的实验动物，是某些生物制品检定实验的法定动物。NIH起源于Webster小鼠。毛色白化。适应性强，繁殖力强，体格健壮，2月龄时体重与昆明种小鼠相似，对放射性物质感受性强等特点，适用于辐射损伤研究，也可用作检测小鼠迟发型超敏反应的足垫肿胀等试验。CFW(LACA)ICR昆明种小鼠（KM）ICR白化近交系突变系视网膜退化突变鼠无胸腺裸鼠无脾突变鼠无毛鼠侏儒症小鼠糖尿病小鼠肥胖症鼠骨骼硬化症鼠白内障突变鼠肌萎缩症小鼠或肌失营养症小鼠近交系黑色近交系野生色近交系浅黑色(灰色、淡棕色)近交系棕色(深褐色)近交系白化近交系毛色基因为aabbcc。80%繁殖母鼠患乳腺癌。肝脏β葡萄糖醛酸酶活性很低；血压较低；肾上腺贮藏的脂酯较多。年轻鼠易引起中度听觉性痉挛发作；对X射线高度敏感