上海实验动物科学17(4):191～196,1997
・专家论坛・
实验动物科学的现状与未来
刘瑞三3
、、、消耗低的“高
21世纪—生命科学的世纪
19前导。
在21世纪科学舞台上,它们将唱主角。
有人说19,命和实验医学,但最重要的是门捷列夫的元素周期表的问世,新元素一个个被发现。20世纪则是物理学的世面,有相对论、宇宙守恒定律、核裂变、核聚变。21世纪还没到来,已有了基因转移技术、单克隆无性繁殖。有人预言生命科学是21世纪科技的主宰,一点也不过分。
生命科学要探索的问题很多,领域极其宽广。首先,要研究生命的奥妙、生命的起源和人类的起源(不要认为这些问题早已解决了,现在还有人向达尔文进化论挑战)。我们要弄清楚人类的基因组图,尤其是中国人自已的基因组图。其次,要研究与我们生存(生老病死)和生活(衣食住行)息息相关的问题,前者属生物医学范畴,后者与农业和环保等有关。当然,还有一个不能回避的大问题:人类自身要不要改造?这绝不是危言耸听。人类为了生存或生活得好,一直在改造环境、改造世界,叫一切为自已服务,让谷类植物提高产量,让动物多产肉奶,都获得了成功,但还不能解决所有的问题。自然界无时无刻不在变,人为什么要以不变应万变?至今,对人的所有保护性措施都是消极的。人可否改造
3
从医学史看实验医学与动物实验
在生物科学和医学发展的历史长河中,19世纪初实验医学的兴起是一个转折点。在巴士德、科赫、巴甫洛夫、埃尔里希等先驱引导下,一个接一个的生物与人体秘密被揭开,一些疾病的原因和转归清楚了,不少防治办法也找到了,其造福人类之功劳大矣!所谓实验医学,主要就是现在所说的动物实验研究。不能拿人来做实验,只能用动物,所以就培养出专用的实验动物。果蝇对遗传学的贡献、青蛙对生理学的贡献、犬对实验外科的贡献、各种啮齿类动物对人类疾病研究的贡献,均已载入科学发展史册,功不可没。实验动物科技已成为人类征服自然、保护自己的重要工具之一。实验动物代替人类承受各种危害因子的挑战,实验动物代替人类用以摸索一切可能的防御途径。最后,为了进行在人体所不能进行的实验,它还要奉献出生命。它是灵敏的活仪器,它是生命科学研究的探针。
用动物间接地来研究人类的生理或病理过程不仅是不得已而为之,还有其独特的优点。例如,研究人的老化过程,在人要几十年,用大动物要几年,小动物只要几个月,用蚊子研究生理老化现象只需几个小时。对人的病理学研究多在病的末期,用动物可以研究全过程,特别是前
—191—
作者系中国农业科学院研究员、上海市实验动物管理委员会副主任、上海市技监局实验动物标准化委员会主任。本文是作者于1997年5月26日在全国科研条件工作会议上的发言,本刊略有删节
期研究;而前期研究结果往往非常有价值。同一病原在不同动物致病的结果也不同,不同生理学过程、不同生活方式各有其表现。把这些情况综合分析,能得出某一疾病的全息图象。回顾一下医学发展史,可以看到动物的贡献有多么大。最早发现血液循环是通过对螃蟹、鱼和犬的观察(1628),1665年Wren用羽管对犬施行静脉注射,1665年Lower用犬成功地进行了输血。
“实验Bernard(1813)用动物研究疾病,开创了医学”。1846年乙醚麻醉术在鸟体试验成功。
1878年Koch由研究牛羊疾病证实了细菌与疾病的关系。早在1792年,Jenner保护人不生天花、1878),第1(1877),第2年才在人体分离到此病原。最早发现的病毒病是犬的狂犬病(1885)和牛羊口蹄疫(1897)。最早发现的原虫病是骆驼的苏拉病(1880),不久又发现鸟的疟原虫,然后才发现人的原虫病。虫媒病也是先在动物中发现的(牛的德克萨斯热,1893),以后方知道疟疾、黄热病、斑疹伤寒都是昆虫传播的。到了20世纪,类似的例子就更多了。如肿瘤的病毒学说(鸡,1910)、胰岛素的发现(犬,1912)、休克及其处理(犬,1927)、抗菌药的应用(小鼠,1935)、心肺分流(猫,1953)、索尔克小儿麻痹疫苗(狨猴,1954)、心脏移植(犬,1967)、单克隆抗体技术(小鼠,1975),基因转移(小鼠,1980),单克隆无性繁殖(绵羊,1996)等。
实验动物应用领域
实验动物在生命科学方面的应用价值人所
共知。了解人的各种生理、病理现象以及疾病防治方法离不开动物实验。例如癌症研究,因为有了裸鼠、SCID小鼠等免疫缺陷动物,使得建立任何一种癌症模型都已成为可能,大大加快了研究进展。
(猫、。其他如心、矽肺等等难题都。这些年培养出的成百成千的医学博士和硕士,其学位论文有90%以上是应用实验动物来完成的。
实验动物又可作为人类器官代用物的供体动物。首选的竟是猪。1980年代有2次“猪在生物医学方面的应用”国际会议,每次都有几百篇论文。猪除了可用以制备30多种人类疾病模型外,它的皮肤、心脏瓣膜、血管,甚至重要的器官如心脏、肾脏、肝脏都可能供应给人,分别用作烫伤病人伤面的敷料(上海有70家医院在用,年产值100万元),用于修补先天性瓣膜闭锁不全、置换血管(已进入临床试验阶段)和器官异种移植。转基因技术更是神奇,人已经能把转基因动物开发成为活体发酵罐,把目的基因与乳汁蛋白基因及其启动子连接起来,基因产物表达在动物奶里,产量高,易提纯,产物稳定性和生物活性也好,据说促红细胞生成素(EPO)和促血小板生成素(TPO)这样重要的药物,只需几十头转基因奶山羊就足够全世界用了。国外正在研究的还有能调节凝血的人C蛋白(hPC)基因、抗血栓的TAP基因(组织与血浆纤溶酶原激活剂)、人Α1抗胰蛋白酶(hΑ-1IAT)基因、人凝血因子VIII基因、人血红蛋白(hHb)基因和能让动物生产人奶的人铁蛋白HLF基因,还有一些生产抗体的基因等等。有人还把目的基因与卵白蛋白启动子相连接,转入禽类受精卵,建立家禽输卵管表达系统,那就更方便了。
转基因动物的出现也促进了器官异体移植
就以大家熟悉的流行性感冒的发现过程来看,最早是研究犬的犬瘟热(这其实是另一种病毒所致),然后发现猪流感(1931),后来才确认人的流感病毒(Shope,1933)。现在谈虎变色的慢病毒(包括艾滋病毒在内),最初是在绵羊的痒病中发现的,后来才在库鲁病人中分离到慢病毒。再从免疫学方面看,各类疫苗无不是先在动物中研究成功,尔后移用到人的。死毒疫苗的鼻祖是猪瘟疫苗,弱毒疫苗则来自巴斯德的禽霍乱疫苗,第1例寄生虫病疫苗是牛的网尾线虫疫苗,第1个肿瘤疫苗则是鸡的马力克氏病疫苗等。—192—
的突破,由于猪的血液和不少内脏组织器官与人十分相象,现已试用转基因猪生产人血和医用器官作为移植的供体,开发价值极大。日前英国剑桥大学已将抑制人体免疫排斥反应的基因导入猪受精卵,获得转基因猪,再将后者心脏移植给黑猩猩,存活了60多天。美国也进行过转基因猪心移植给人的试验,虽未成功,但积累了重要资料,前途乐观。转基因动物用于医学研究(疾病模型)在国外已普及,一般研究单位已不用普通小鼠。
大量使用实验动物的领域,还有药物的研究和生产。药效(功能)(性毒性试验、),不少是取自动物组织()。农药和化肥的研究同样要应用动物。化工部沈阳农药安全性评价中心就是一个实验动物中心。农药筛选过程中,一个样品的安全性测试至少要消耗600只小鼠,用量之大,实为惊人。
农业上,除农产品的营养价值或危害因素需靠动物试验评价外,优良作物品种亦需理化分析和生物学鉴定。至于畜牧业,它本身就是研究动物的,几乎同医学领域对实验动物的需要一模一样。兽药、饲料、添加剂、消毒药都要开展药效和安全性试验,兽医学中的病原分离、疫苗制造,饲养繁育试验,单克隆技术,基因转移研究等也要应用实验动物,对实验动物的质量要求同样很高。
日用品直接与人接触,长期使用或接触会对消费者有影响。它们所带的危害因子对人则是隐形杀手。例如,某些化妆品对人的危害:1920年代因画眉笔弄瞎了眼、染发水引起头部皮肤肿胀,曾造成美国社会骚动,Draige氏点眼试验于是出台。美国各大化妆品公司都不得不建立实验动物中心。我参观过新泽西州的强生和强生(Johnson&Johnson)化妆品公司的实验动物中心,其规模之大,水平之高,没有哪一个医学院校能与之相匹敌。
军事上,杀伤武器的研制以及防护研究,都要做动物试验。第一次世界大战时,使用毒气杀
伤很多人,协约国战壕上挂起金丝雀笼子,成为
检测毒气的原始方法。我曾在美国约翰霍浦金斯大学为美军化学战中心举办的高级实验动物进修班进修1年,那里就是搞如何研制、如何防护有高度杀伤性化学武器的研究。实验动物是精细、灵敏、准确的活仪器。
在计划生育、环境保护、劳动保护、心理行为、宇航生理、潜水生理、化纤织物安全等研究方面,也离不开实验动物。
凡是用于科学实验的动物,一般都可称为实验动物,这样就囊括了整个动物界(除了人)。但对于精密的研究,则要求动物遗传背景明确,不得带有这样或那样病原,那就要有一定标准加以限定了。目前称得上实验动物的仅指小鼠、大鼠、豚鼠、仓鼠、沙鼠、家兔、犬、猫、鸡和非人灵长类。其他的动物如小型猪、牛、羊等,尽管可用于实验,但只有“实验动物化”了之后,方能戴“实验动物”的帽子。小型猪正在“化”的过程中。
两栖类、爬行类、鱼类和昆虫类,将来可能是实验动物“队伍”的强大的“后备军”。例如,用鱼类研究生命科学的课题有其独特优势。鱼的生活环境是水,水质控制远比空气容易,因为空气经粗效、中效、高效过滤,耗能极大;鱼是变温动物,不需耗费能量来维持体温;鱼在水中受到浮力,不需为平衡地球引力而耗能,比其他任何动物耗能小。
目前我国实验动物在微生物学质量上是这样分级的:
(1)普通动物(ConventionalAnimals) 用于普通生物学和基础学科的教学示教,用于比较解剖、生理学实习、遗传性状观察等。对它们只要求不携带主要人兽共患病原和动物烈性传染病病原。
(2)清洁动物(CleanAnimals) 用于普通动物实验,品种系谱清楚,环境符合国标规定的卫生要求。除不携带普通级动物应排除的病原外,它们还不携带对动物危害大和对科学研究
—193—
干扰大的病原。这是我国实验动物工作者共同研究拟定的等级,不同于国外的某些标准。
(3)无特定病原体动物(SpecialPathogen
隔绝母乳FreeAnimals,SPF) 需剖宫取胎、
并在隔离条件下(空气过滤的隔离室、或隔离器、或层流架,饲料、饮水和垫料均需灭菌)饲养。除符合(1)(2)要求外,只允许有正常不致病菌,无专门指出的特定的病原体。
(4)悉生动物(GnotobioticAnimals) “Gnoto”意为“了解”,而“biotic”则意示生命,即能够了解动物体内有多少种微生物。这种动物的来源是,物,,、三菌动物等名称。
(5)无菌动物(GermFreeAnimals) 体内外无任何可检出的生命体,在绝对封闭的无菌环境中饲养。
上列后3种,为高级动物实验研究所必需。它们对实验环境的要求也严格,耗费大,故价格高而供应量不大。经济发达国家对动物实验的动物用量控制很严,我国也只有少数地方有供应。悉生动物和无菌动物的使用机会更少些。
系(如BALB