動物模型

動物疾病模型主要用於實驗生理學、實驗病理學和實驗治療學（包括新藥篩選）研究。人類疾病的發展十分複雜，以人本身作為實驗對象來深入探討疾病發生機制，推動醫藥學的發展來之緩慢，臨床積累的經驗不僅在時間和空間上都存在局限性，而且許多實驗在道義上和方法上也受到限制。而藉助於動物模型的間接研究，可以有意識地改變那些在自然條件下不可能或不易排除的因素，以便更準確地觀察模型的實驗結果並與人類疾病進行比較研究，有助於更方便、更有效地認識人類疾病的發生髮展規律，研究防治措施。

基本介紹

• 中文名：動物模型
• 概念：人類疾病的動物模型
• 指：具有人類疾病模擬表現的動物
• 意義：可複製臨床上一些疾病不常見

概念

人類疾病的動物模型(animal model of human disease)是指各種醫學科學研究中建立的具有人類疾病模擬表現的動物。

意義

意義1

可複製臨床上一些疾病不常見,如放射病、毒氣中毒、烈性傳染病、外傷、腫瘤等。還有一些如遺傳性、免疫性、代謝性和內分泌、血液等疾病，發生髮展緩慢、潛伏期長，病程也長，可能幾年或幾十年,在人體很難進行3世代以上的連續觀察。人們可有意選用動物種群中發病率高的動物，通過不同手段複製出各種模型，在人為設計的實驗條件下反覆觀察和研究，甚至可進行幾十世代的觀察，同時也避免了人體實驗造成的傷害。

意義2

可按需要取樣動物模型作為人類疾病的“複製品”,可按研究者的需要隨時採集各種樣品或分批處死動物收集標本，以了解疾病全過程，這是臨床難以辦到的。

意義3

可比性一般疾病多為零散發生,在同一時期內,很難獲得一定數量的定性材料,而模型動物不僅在群體數量上容易得到滿足，而且可以在方法學上嚴格控制實驗條件，在對飼養條件及遺傳、微生物、營養等因素嚴格控制的情況下，通過物理、化學或生物因素的作用，限制實驗的可變因子，並排除研究過程中其它因素的影響，取得條件一致的、數量較大的模型材料，從而提高實驗結果的可比性和重複性，使所得到的成果更準確更深入。

意義4

有助於全面認識疾病的本質在臨床上研究疾病的本質難免帶有一定局限性。許多病原體除人以外也能引起多種動物的感染，其症狀體徵表現可能不完全相同。但是通過對人畜共患病的比較，則可以充分認識同一病原體給不同機體帶來的各種危害，使研究工作上升到立體的水平來揭示某種疾病的本質。

因此，一個好的疾病模型應具有以下特點：①再現性好，應再現所要研究的人類疾病，動物疾病表現應與人類疾病相似。②動物背景資料完整，生命周期滿足實驗需要。③複製率高。④專一性好，即一種方法只能複製出一種模型。應該指出，任何一種動物模型都不能全部複製出人類疾病的所有表現，動物畢竟不是人體，模型實驗只是一種間接性研究，只可能在一個局部或一個方面與人類疾病相似。所以，模型實驗結論的正確性是相對的，最終還必須在人體上得到驗證。複製過程中一旦發現與人類疾病不同的現象，必須分析差異的性質和程度，找出異同點，以正確評估。

分類

按產生原因分類

（一）自發性動物模型（Spontaneous Animal Models）

是指實驗動物未經任何有意識的人工處置，在自然情況下所發生的疾病。包括突變系的遺傳疾病和近交系的腫瘤疾病模型。突變系的遺傳疾病很多，可分為代謝性疾病、分子疾病和特種蛋白質合成異常性疾病。如無胸腺裸鼠、肌肉萎縮症小鼠、肥胖症小鼠、癲癇大鼠、高血壓大鼠、無脾小鼠和青光眼兔等。它們為生物醫學研究提供了許多有價值的動物模型。近交系的腫瘤模型隨實驗動物種屬、品系的不同，其腫瘤的發生類型和發病率有很大差異。

很多自發性動物模型在研究人類疾病時具有重要的價值，如自發性高血壓大鼠，中國地鼠的自發性真性糖尿病，小鼠的各種自發性腫瘤，山羊的家族性甲狀腺腫等；利用這類動物疾病模型來研究人類疾病的最大優點，就是疾病的發生、發展與人類相應的疾病很相似，均是在自然條件下發生的疾病，其套用價值就很高，但是這類模型來源較困難，不可能大量套用。由於誘發模型和自然產生的疾病模型是有一定差異的，如誘發的腫瘤和自發的腫瘤對藥物的敏感性是不相同的，加之有些人類的疾病至今尚不能用人工的方法在動物身上誘發出來，因此大家十分重視對自發的動物疾病模型的開發，有的學者甚至對狗、貓的疾病進行大規模的普查，以發現自發性疾病的病例，然後通過遺傳育種，將這種自發性疾病模型保持下來，並培育成具有特定遺傳性狀的突變系，以供研究。許多動物遺傳病的模型就是通過這樣的方法建立的。在這方面小鼠和大鼠的各種自發性疾病模型開發和套用得最多。這類模型在遺傳病、代謝病、免疫缺陷病、內分泌疾病和腫瘤等方面的套用正日益增多。

（二）誘發性或實驗性動物模型（Experimental Animal Models）

實驗性動物模型是指研究者通過使用物理的、化學的和生物的致病因素作用於動物，造成動物組織、器官或全身一定的損害，出現某些類似人類疾病時的功能、代謝或形態結構方面的病變。誘發性疾病動物模型具有能在短時間內複製出大量疾病模型，並能嚴格控制各種條件使複製出的疾病模型適合研究目的需要等特點，因而為近代醫學研究所常用，特別是藥物篩選研究工作所首選。但誘發模型和自然產生的疾病模型在某些方面畢竟存在一定差異。因此在設計誘發性動物模型要儘量克服其不足，發揮其特點。

按系統範圍分類

（一）疾病的基本病理過程動物模型

這類動物疾病模型是指各種疾病共同性的一些病理變化過程的模型。致病因素在一定條件下作用於動物，使動物組織、器官或全身造成一定病理損傷，出現各種功能、代謝和形成結構的變化，其中有些變化是各種疾病都可能發生的，不是各種疾病所特有的一些變化，如發熱、缺氧、水腫、炎症、休克、瀰漫性血管內凝血、電解質紊亂、酸鹼平衡障礙等，我們稱之為疾病的基本病理過程。

（二）各系統疾病動物模型

是指與人類各系統疾病相應的動物型。如心血管、呼吸、消化、造血、泌尿、生殖、內分泌、神經、運動等系統疾病模型，還包括各種傳染病、寄生蟲病、地方病、維生素缺乏病、物理損傷性疾病、職業病和化學中毒性疾病的動物模型

按模型種類分類

疾病模型的種類包括整體動物、離體器官和組織、細胞株以至數模型。疾病的動物模型是常用的疾病模型之一，也是研究人類疾病的常用手段。

設計原則

生物醫學科研專業設計中常要考慮如何建立動物模型的問題，因為很多闡明疾病及療效機制的實驗不可能或不應該在病人身上進行。常要依賴於複製動物模型，但一定要進行周密設計，設計時要遵循下列一些原則。

相似性

在動物身上複製人類疾病模型。目的在於從中找出可以推廣（外推）套用於病人的有關規律。外推法（Extra polation）要冒風險，因為動物與人到底不是一種生物。例如在動物身上無效的藥物不等於臨床無效，反之也然。因此，設計動物疾病模型的一個重要原則是，所複製的模型應儘可能近似於人類疾病的情況。

能夠找到與人類疾病相同的動物自發性疾病當然最好。例如日本人找到的大白鼠原發性高血壓就是研究人類原發性高血壓的理想模型，老母豬自發性冠狀動脈粥樣硬化是研究人類冠心病的理想模型；自發性狗類關節炎">風濕性關節炎與人類幼年型類關節炎">風濕性關節炎十分相似，也是一種理想模型，等等。

與人類完全相同的動物自發性疾病模型畢竟不可多得，往往需要人工加以複製。為了儘量做到與人類疾病相似，首先要注意動物的選擇。例如，小雞最適宜做高脂血症的模型，因它它的血漿甘油三酯、膽固醇以及游離脂肪酸水平與人十分相似，低密度和極低密度脂蛋白的脂質構成也與人相似。其次，為了儘可能做到模型與人類相似，還要在實踐中對方法不斷加以改進。例如結紮兔闌尾血管，固然可能使闌尾壞死穿孔並導致腹膜炎，但這與人類急性梗阻性闌尾炎合併穿孔和腹膜不一樣，如果給兔結紮闌尾基部而保留原來的血液供應，由此而引起的闌尾穿孔及腹膜炎就與人的情況相似，因而是一種比較理想的方法。

如果動物型與臨床情況不相似，在動物身上有效的治療方案就不一定能用於臨床，反之也然。例如，動物內毒性性休克（Endotoxin Shock，單純給動物靜脈輸入細菌及其毒素所致的休克）與臨床感染性（膿毒性）休克（SepticShock）就不完全一樣，因此對動物內毒素性休克有效的療法長期以來不能被臨床醫生所採用。於是有人向結紮膽囊動脈和膽管的動物膽囊中注入細菌，複製人類感染性休克的模型，認為這樣動物既有感染又有內毒素中毒，就與臨床感染性休克相似。

為了判定所複製的模型是否與人相似，需要進行一系列的檢查。例如有人檢查了動物壓、脈率、靜脈壓、呼吸頻率、動脈血pH、動脈氧分壓和二氧化碳分壓、靜脈血乳酸鹽濃度以及血容量等指標，發現一次定量放血法造成的休克模型與臨床出血性休克十分相似，因此認為些法複製的模型是一種較理想的模型。同理，按中醫理論用大黃餵小鼠使其出現類似人的“脾虛症”，如果又按中醫理論用四君子湯把它治好，那么就有理由把它看成人類“脾虛症”的動物模型。

重複性

理想的動物模型應該是可重複的，甚至是可以標準化的。例如用一次定量放血法可百分之百造成出血性休克，百分之百死亡，這就符合可重複性和達到了標準化要求。又如用狗做心肌梗死模型照理很合適，因為它的冠狀動脈循環與人相似，而且在實驗動物中它最適宜做暴露心臟的剖胸手術，但狗結紮冠狀動脈的後果差異太大，不同狗同一動脈同一部位的結紮，其後果很不一致，無法預測，無法標準化。相反，大小白鼠、地鼠和豚鼠結紮冠脈的後果就比較穩定一致，可以預測，因而可以標準化。

為了增強動物模型複製時的重複性，必須在動物品種、品系、年齡、性別、體重、健康情況、飼養管理；實驗及環境條件，季節、晝夜節律、應激、室溫、濕度、氣壓、消毒滅菌；實驗方法步驟；藥品生產廠家、批號、純度規格、給藥劑型、劑量、途徑、方法；麻醉、鎮靜、鎮痛等用藥情況；儀器型號、靈敏度、精確度；實驗者操作技術熟練程度等等方面保持一致，因為一致性是重現性的可靠保證。

可靠性

複製的動物模型來應該力求可靠地反映人類疾病，即可特異地、可靠地反映某種疾病或某種機能、代謝、結構變化，應具備該種疾病的主要症狀和體徵，經化驗或X光照片、心電圖、病理切片等證實。若易自發地出現某些相應病變的動物，就不應加以選用，易產生與複製疾病相混淆的疾病者也不宜選用。例如鉛中毒可用大白鼠做模型，但有缺點，因為它本身容易患動物地方性肺炎及進行性腎病，後者容易鉛中毒所致的腎病相混淆，不易確定該腎病是鉛中毒所致還是它本身的疾病所致。用蒙古沙土鼠就比較容易確定，因為一般只有鉛中毒才會使它出現相應的腎病變。

適用性和可控性

供醫學實驗研究用的動物模型，在複製時，應儘量考慮到今後臨床套用和便於控制其疾病的發展，以利於研究的開展。如雌激素能終止大鼠和小鼠的早期妊娠，但不能終止人的妊娠。因此，選用雌激素複製大鼠和小鼠終止早期妊娠的模型是不適用的，因為在大鼠和小鼠篩選帶有雌激素活性的藥物時，常常會發現這些藥物能終止妊娠，似乎可能是有效的避孕藥，但一旦用於人則並不成功。所以，如果知道一個化合物具有雌激素活，用這個化合物在大鼠或小鼠觀察終止妊娠的作用是沒有意義的。又如選用大小鼠作作實驗性腹膜炎就不適用，因為它們對革蘭氏陰性細菌具有較高的抵抗力，很不容易造成腹膜炎。有的動物對某致病因子特別敏感，極易死亡，也不適用。如狗腹腔注射糞便濾液引起腹膜炎很快死亡（80%24小時內死亡），來不及做實驗治療觀察，而且糞便劑量及細菌菌株不好控制，因此不能準確重複實驗結果。

易行性和經濟性

在複製動物模型時，所採用的方法應儘量做到容易執行和合乎經濟原則。靈長類動物與人近似，複製的疾病模型相似性好，但稀少昂貴，即使獼猴也不可多得，更不用說猩猩、長臂猿。幸好很多小動物如大小鼠、地鼠、豚鼠等也可以複製出十分近似的人類疾病模型。它們容易作到遺傳背景明確，體內微生物可加控制、模型性顯著且穩定，年齡、性別、體重等可任意選擇，而且價謙易得、便於飼養管理，因此可儘量採用。除非不得已或一些特殊疾病（如痢疾、脊髓灰白質炎等）研究需要外，儘量不用靈長類動物。除了在動物選擇上要考慮易行性和經濟性原則外，而且在模型複製的方法上、指標的觀察上也都要注意這一原則。

動物模型的意義和優越性

生物醫學研究的進展常常依賴於使用動物模型作為實驗假說和臨床假說二者的試驗基礎。人類各種疾病的發生髮展是十分複雜的，要深入探討其疾病的發病機理及療效機理不能也不應該在病人身上進行。可以通過對動物各種疾病和生命現象的研究，進而推用到人類，探索人類生命的奧秘，以控制人類的疾病的衰老，延長人類的壽命。

人類疾病的動物模型（Animal Model of Human Diseases）是生物醫學科學研究中所建立的具有人類疾病模似性表現的動物實驗對象和材料。使用動物模型是現代生物醫學研究中的一個極為重要的實驗方法和手段，有助於更方便、更有效地認識人類疾病的發生、發展規律和研究防治措施。

長久以來人們發現，以人本身作為實驗對象來推動醫學的發展是困難的，臨床所積累的經驗不僅在時間和空間上存在著局限性，許多實驗在道義上和方法學上還受到種種限制。而動物模型的吸引力就在於它克服了這些不足點，其在生物醫學研究中所起到的獨特作用，正受到越來越多的科技工作者的重視。動物模型的優越性主要表現在以下幾下方面。

（一）避免了在人身上進行實驗所帶來的風險

臨床上對外傷、中毒、腫痛病因等研究是有一定困難的，甚至是不可能的，如急性和慢性呼吸系統疾病研究進很難重複環境污染的作用。輻射對機體的損傷也不可能在人身上反覆實驗。而動物可以作為人類的替難者，在人為設計的實驗條件下反覆觀察和研究。因此，套用動物模型，除了能克服在人類研究中經常會遇到的理論和社會限制外，還容許採用某些不能套用於人類的方法學途徑，甚至為了研究需要可以損傷動物組織、器官或處死動物。

（二）臨床上平時不易見到的疾病可用動物隨時複製出來

臨床上平時很難收集到放射病、毒氣中毒、烈性傳染病等病人，而實驗室可以根據研究目的要求隨時採用實驗性誘發的方法在動物身上複製出來。

（三）可以克服人類某些疾病潛伏期長，病程長和發病率低的缺點

一般遺傳性、免疫性、代謝性和內分泌等疾病在臨床上發病率很低，例如急性白血病的發病率較降，研究人員可以有意識地提高其在動物種群的中發生頻率，從而推進研究。同樣的途徑已成功地套用於其他疾病的研究，如血友病、周期性中性白細胞減少症和自身免疫介導性疾病等。

臨床上某些疾病潛伏期很長，很難進行研究，如腫瘤、慢性氣管炎、肺心病、高血壓等疾病，這些疾病發生髮展很緩慢，有的可能要幾年、十幾年、甚至幾十年。有些致病因素需要隔代或者幾代才能顯示出來，人類的壽命期相對來說是很長的，但一個科學家很難有幸進行三代以上的觀察，而許多動物由於生命的周期很短，在實驗室觀察幾十代是容易的，如果使用微生物甚至可以觀察幾百代。

（四）可以嚴格控制實驗條件，增強實驗材料的可比性

一般說來，臨床上很多疾病是十分複雜的，各種因素均起作用，患有心臟病的病人，可能同時又患有肺臟疾病或腎臟疾病等其他疾病，即使疾病完全相同的病人，因病人的年齡、性別、體質、遺傳等各不相同，對疾病的發性發展均有影響。採用動物來複製疾病模型，可以選擇相同品種、品系、性別、年齡、體重、活動性、健康狀態、甚至遺傳和微生物等方面嚴加控制的各種等級的標準實驗動物，用單一的病因作用複製成各種疾病。溫度、濕度、光照、噪音、飼料等實驗條件也可以嚴格控制。

無論營養學、腫瘤學和環境衛生學等方面，同一時期內很難在人身上取得一定數量的定性疾病材料。動物模型不僅在群體的數量上容易得到滿足，而且可以通過投服一定劑量的藥物或移植一定數量的腫瘤等方式，限定可變性，取得條件一致的模型材料。

（五）可以簡化實驗操作和樣品收集

動物模型作為人類疾病的“縮影”，便於研究者按實驗目的需要隨時採取各種樣品，甚至及時處死動物收集樣本，這在臨床是難以辦到的。實驗動物向小型化的發展趨勢更有利於實驗者的日常管理和實驗操作。

（六）有助於更全面地認識疾病的本質

臨床研究未免帶有一定的局限性。已知很多病身體除人以外也能引起多種動物感染，其表現可能各有特點。通過對人畜共患病的比較研究，可以充分認識同一病原體（或病因）對不同機體帶來的各種損害。因此從某種意義上說，可以使研究工作升畢到立體的水平來揭示某種疾病的本質，從而更有利於解釋在人體上所發生的一切病理變化。

動物疾病模型的另一個富有成效的用途，在於能夠細緻地觀察環境或遺傳因素對疾病發生髮展的影響，這在臨床上是辦不到的，對於全面地認識疾病本質有重要意義。

因此利用動物疾病模型來研究人類疾病，可以克服平時一些不易見到，而且不便於在病人身上進行實驗的各種人類疾病的研究。同時還可克服人類疾病發生髮展緩慢，潛伏期長，發病原因多樣，經常伴有各種其它疾病等因素的干擾，可以用單一的病因，在短時間內複製出典型的動物疾病模型，對於研究人類各種疾病的發生、發展規律和防治疾病療效的機理等是極為重要的手段和工具。

注意事項

設計動物模型時除了要了解掌握上述一些原則外，還要注意下列一些問題：

注意模型要儘可能再現所要求的人類疾病

複製模型時必須強調從研究目的出發，熟悉誘發條件、宿主特徵、疾病表現和發病機理，即充分了解所需動物模型的全部信息，分析是否能得到預期的結果。例如誘發動脈粥樣硬化時，草食類動物兔需要的膽固醇劑量比人高得多，而且病變部位並不出現在主動脈弓。病理表現為纖維組織和平滑肌增生為主，可有大量泡沫樣細胞形成斑塊，這與人類的情況差距較大。因此要求研究者懂得，各種動物所需的誘發劑量、宿主年齡、性別和遺傳性狀等對實驗的影響，以及動物疾病在組織學、生化學、病理學等方面與人類疾病之間的差異。要避免選用與人類對應器官相似性很小的動物疾病作為模型材料。為了增加所複製動物疾病模型與人類疾病的相似性，應儘量選用各種敏感動物與人類疾病相應的動物模型，可參考相關文章《各種敏感動物與人類相似的疾病模型》。

注意所選用動物的實用價值

模型應適用於多數研究者使用，容易複製，實驗中便於操作和採集各種標本。同時應該首選一般飼養員較熟悉而便於飼養的動物作研究對象，這樣，就無需特殊的飼養設施和轉運條件，經濟上和技術上容易得到保證。

此外，動物來源必須充足，選用多胎分娩的動物對擴大樣本和重複實驗是有益的。尤其對慢性疾病模型來說，動物須有一定的生存期，便於長期觀察使用，以免模型完成時動物已頻於死亡或斃於併發症。

野生動物在自然環境中觀察有助於正確評價自然發病率和死亡率。但記錄困難，在實驗條件下維持有一定難度，且對人和家畜有直接和間接的威脅，使用時要特別加以注意。因此，複製模型時必須注意動物種群的選擇，要了解各類動物種群的特點和對複製動物的影響。

用於生物醫學研究的動物種群，可按其遺傳成分和其環境被研究人員控制的程度，分為三種基本類型：⑴實驗室類型，它們可提供最大程度的遺傳和環境操作；⑵家養類型，不論是鄉村或城市飼養的，人類對其干擾的程度不同，且動物環境與人類環境可為能極為接近；⑶自然生態類型。幾乎沒有人為的干擾。可能某種動物（齧齒目、食肉目、兔形目）可按所有三類類型進行研究，這就增加了對環境和遺傳因素作比較研究的可能性。在選用三類動物種群複製動物模型時，必須了解它們各自的優點和缺點

注意環境因素對模型動物的影響

複製模型的成敗往往與環境的改變有密切關係。擁擠、飲食改變、過度光照、噪音、屏障系統的破壞等，任何一項被忽視都可能給模型動物帶來嚴重影響。除此以外，複製過程中固定、出血、麻醉、手術、藥物和併發症等處理不當，同樣會產生難以估量的惡果。因此，要求儘可能使模型動物處於最小的變動和最少的干擾之中。

不能盲目地使用近交系動物

不然會導致不能控制的因素進入實驗，例如自發性糖尿病大鼠(BB、Wistar)除具有糖尿病臨床特徵外，還發現多種病理變化（外周神經系統嚴重病變、睪丸萎縮、甲狀腺炎、胃潰瘍、惡性淋巴瘤等）。因此要有目的地選擇。半個世紀以來，近交系的開發不斷提供著新的動物模型材料，大、小鼠疾病作為模型在醫學使用量已高達70～90%。利用近交系作動物模型時還必須認識到： 1.動物形成亞系後不應該再視為同一品系。要充分了解新品系的特徵和背景材料。

2.即使作為已形成模型的品系，由於不適當的育種方法和環境改變，還可發生新的基因突變和遺傳漂變；即存在著變種甚至斷種的危險。

3．國外經常取用二種近交系的雜交一代（F1）作為模型。其個體之間均一性好，對實驗的耐受性強，又多少克服了近交系的缺點。但盲目引進F1代動物對複製所要求的模型是缺乏意義的。

動物進化的高級程度無法接近於人

動物進化的高級程度並不意味著所有器官和功能接近於人的程度

複製動物模型時，在條件允許的情況下，應儘量考慮選用與人相似、進化程度高的動物作模型。但不能因此就認為進化程度越高等的動物其所有器官和功能越接近於人。例如，非人靈長類誘發動脈粥樣硬化時，病變部位經常在小動脈、即使出現在大動脈也與人類分布不同。據報導用鴿（White Gameau Pigeon）作這類模型時，胸主動脈出現的黃斑面積可達10%，鏡下變化與人也比較相似，因此也廣泛被研究者使用。

正確地評估動物疾病模型

應該懂得沒有一種動物模型能完全複製人類疾病真實情況，動物畢竟不是人體的縮影。模型實驗只是一種間接性研究，只可能在一個局部或幾個方面與人類疾病相似。因此，模型實驗結論的正確性只是相對的，最終必須在人體身上得到驗證。複製過程中一旦出現與人類疾病不同的情況，必須分析其分岐範圍和程度，找到相平行的共同點，正確評估哪些是有價值的。