模式生物
生理学实验之父Bernard曾经说到：“没有动物学的比较研究，实用医学就没有办法获得科学的特性。”希腊心理学和生理学家Pavlov也曾经说到：“毋庸置疑，没有对活体动物的实验和观察，人类就无法理解生命的规律。”
1、什么是模式生物？
模式生物是指用来揭示普遍生命规律的生物物种，又叫“生命试剂”。主要分为两类：转基因模式生物和野生模式生物。
转基因模式生物是指通过将靶基因片段引入生物体细胞或通过生化手段修饰DNA序列从基因组中删除特定基因片段而培育出的具有特定基因型的模式生物。常见的转基因模式生物包括转基因小鼠和斑马鱼。转基因动物具有功能强大、技术壁垒高、满足研发需要等特点。
模式生物主要特点：
- ● 科学家对他们的生命现象、结构基础、基因和新陈代谢有深入的了解。
- ● 该生物的研究对其他生物具有很高的参考价值。
- ● 对人体和环境无害，材料获取方便，实验室饲养繁殖方便，世代短，后代多，遗传背景清楚，易于进行实验操作等特点。
2、模式生物发展
主要分为4个阶段：1. 早期阶段（1900-1973）：20世纪初，全球动物实验产业兴起，Rudolf在1973年将外部DNA片段植入小鼠胚胎中，世界上第一只转基因小鼠成功单诞生。2. 兴起阶段（1981-1989）：1981年科学家将纯化的DNA引入受精卵中，使转基因动物得以大规模繁殖;1982年国家科委召开首届全国实验动物科技工作会议；1989年科学家利用小鼠ES细胞靶向技术建立了第一个常见的敲除小鼠模型，并获得2007年诺贝尔生理学奖。3. 第一代和第二代基因编辑时代（1996-2011）：基因编辑技术突破的里程碑是锌指核酸酶技术（ZFN）的建立，使人工定点诱导双链DNA成为现实；2011年科学家们建立第二代转录激活效应核酸酶(TALEN)基因编辑技术。4. CRISPR/Cas 9时代（2012-至今）：2012年第三代CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑技术被发现，并获得2020年诺贝尔化学奖。
3、模式生物分类
啮齿动物(包括大鼠、小鼠等)、非人灵长类动物、狗、兔子、猪和斑马鱼。另外两种常见的模式生物，果蝇和秀丽隐杆线虫。
图1. 常见模式生物
4、模式生物应用领域
① 临床前开发阶段药效评估
主要用于药物研发领域。适用药物种类涵盖小分子、大分子、细胞基因治疗等，治疗领域包括肿瘤、心血管、神经退行性疾病、罕见病等综合领域。
② 生命科学和医学研究
用于探索人类疾病的发病机制、人类基因功能等基础研究领域。
| 实验动物 | 特征 | 研究历史及意义 |
|---|---|---|
| 果蝇 | 易于饲养，繁殖快，染色体少，容易诱发可观察到的突变，眼睛颜色、翅膀形状等性状变异大。 | 1. 孟德尔定律：果蝇白眼突变的伴性遗传揭示了基因是在染色体上线性排列并可以产生连锁交换。 2. 1946年，摩根的学生米勒证明x射线可以使果蝇的突变率提高150倍，因此被称为“果蝇的突变大师”; 3. 遗传学、发育基因调控、各种神经系统疾病、帕金森病、阿尔茨海默病、药物成瘾和酗酒、衰老与长寿、学习记忆和某些认知行为等方面的研究; 4. 为进一步阐明基因-神经元(脑)-行为之间的关系提供了一个理想的动物模型。 |
| 线虫（C.elegans） | 在实验室方便喂养；包含一个完整的分化组织和带大脑的神经系统；身体是透明的，无需染色就显微镜下就可以看到内脏，性腺等器官；C. elegans 只有一千个左右的体细胞，可以在休眠状态下观察和研究所有的体细胞。 | 1. 线虫是研究细胞分裂、分化和死亡的良好材料。C.elegans被用来研究发育和生理的遗传控制。1963年，Sydney Brenner首先提出了这一模型，作为神经元发育的模型，此后被广泛应用于许多不同的环境中。C.elegans是第一个基因组完全测序的多细胞生物，截至2012年，它是唯一一个拥有完整连接体(神经元的“接线图”)的生物。. 2. Guo和Kemphues等在1995年对C.elegans进行反义RNA实验时，他们发现正义RNA也有很高的基因沉默活性; 3. 1998年，Andrew 和Craig发现了RNA干扰机制，这对防御病毒并找到疾病治疗方法极为重要。 |
| 小鼠 | 繁殖能力强，饲养时间段，喂养成本低；对外界刺激极其敏感，对多种毒素和病原体敏感，反应灵敏； 对致癌物敏感，易诱导自发性肿瘤；方便获取同窝不同种类； 在进化功能上与人类高度相似，可用于几乎所有生命科学基础研究和大多数新药开发领域，将人类疾病的致病突变引入小鼠基因组，可导致小鼠出现类似的临床表型。 |
1.安全性及毒性试验: 常用于食品、化妆品、药品、化工产品等的安全试验；急性、亚急性、慢性毒性试验；致畸、致癌性、致突变性试验，中位致死剂量测定。 2.生物效应测定及药物效价比较: 广泛应用于血清、疫苗等生物制品的鉴定，进行生物效应实验和各种药物滴度的测定。 3.药物筛选:筛选实验大多从小鼠开始，筛选各种药物是否对疾病有预防和治疗作用，通过筛选获得每种药物的疗效后，再用其他动物进一步证实。 4. 微生物学和寄生虫学研究:小鼠对多种病原体敏感。特别是在病毒学研究方面。适用于血吸虫病、疟疾、锥虫、流感、脑炎、狂犬病、脊髓灰质炎、淋巴脉络丛脑膜炎、支原体、巴氏杆菌、沙门氏菌等的研究。 5.放射学研究:小鼠对辐射的反应与人类相当，可用于研究辐射剂量和辐射影响。 6.肿瘤与白血病研究:小鼠肿瘤发生率高，自交系具有良好的组织相容性，肿瘤移植更容易生长。抗肿瘤药物可在小鼠自发性肿瘤中筛选。可诱发多种肿瘤，制作肿瘤模型，开展肿瘤病因病机的研究。近交系小鼠有的属于高癌系，有的属于低癌系，这对肿瘤发生的研究是方便和有益的。 |
| 老鼠 | 繁殖能力强，无胆囊； 垂体-肾上腺系统功能良好，对紧急情况反应敏感，行为多样; 视觉和嗅觉相对敏感，它们对条件反射等测试反应良好，但它们容易对许多药物产生耐药性; 血压和血管阻力对药物反应敏感; 肝脏再生能力强； 对营养、维生素和氨基酸含量敏感，可出现典型的缺乏症状，体内可合成维生素C; 角膜无血管，对炎症敏感。 |
1.神经内分泌实验研究: 垂体-肾上腺系统发育，应激反应敏感，可复制应激性胃溃疡模型。切除大鼠内分泌腺的方法是进行肾上腺、垂体卵巢等内分泌实验的常用方法。 2. 营养与代谢性疾病研究:老鼠是营养学研究中的重要动物，已被用于维生素a、BC、蛋白质缺乏等大量营养代谢研究。也经常用于氨基酸(苯丙氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、蛋氨酸、赖氨酸和精氨酸)和钙磷代谢研究。还可进行动脉粥样硬化、淀粉样变、酒精中毒、十二指肠溃疡、营养不良等方面的研究。 3. 放射医学研究：由于无胆囊，常作为胆总管插管收集胆汁用于消化功能的研究。 4. 传染病研究： 研究支气管肺炎和副伤寒的重要实验动物。流感病毒幼鼠传代、厌氧菌学实验、假结核、麻风病、巴氏杆菌病、葡萄球菌感染(激素治疗后)、念珠菌病、黄曲霉病、烟曲霉等真菌疾病的研究。 5. 多发性关节炎和化脓性淋巴结炎的研究:大鼠足部水肿是筛选抗炎药物最常用的方法。老鼠的踝关节对炎症非常敏感，常用于关节炎的药物研究。 6. 行为表现研究:目前，大鼠已被广泛应用于高级神经活动的研究。它具有行为情绪变化、行为多样性、情绪敏感性等特点。 |
| 灵长类动物（猴子） | 与人亲缘关系较近，大脑发达，有趾，视觉、听觉、味觉、触觉发达， | 1. 生理研究:脑功能、生殖生理学、神经生理学、行为学、内分泌学、血型、老年学等。可以利用猴子建立脑疾病模型来研究脑疾病的机理、干预、诊断和治疗，效果远高于小鼠。 2. 药物性精神病、抑郁症、神经症、精神分裂症和药物性刻板强迫行为的行为学和神经生物学研究。 3. 传染病研究 (1) 可以感染几乎所有人类传染病；(2)是唯一用于生产和鉴定小儿麻痹症疫苗的实验动物。 (3) 其他如肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒、麻疹病毒、HIV病毒、SARS病毒、B病毒、登革热病毒、结核分枝杆菌、志贺氏菌等。 要注意人猴互传。 4. 生殖生理学与人类的生殖生理学非常接近，是研究人类避孕药物的理想实验动物。对麻醉剂和毒品的依赖与人类相似。新的麻醉剂和其他药物必须进入临床试验。在已研究的化合物中，71%的药物在猴子体内代谢与人类相似。 |
| 狗 | 与一般哺乳动物相比，它在生理和解剖上更接近人类发达的神经系统，适应性强，食肉动物，消化系统的结构和功能与人类相似，皮肤汗腺极其不发达; 主要用于药物的药动学和毒理学研究。 |
1. 外科实验：如心血管外科、脑外科、断肢再植、器官或组织移植等。临床外科医生在研究新的手术或麻醉方法时，往往会选择狗进行动物实验，首先是为了获得熟练准确的技能，然后才能在临床实践中正确地使用。 2. 基础医学实验研究。犬发达的神经系统和循环系统特别适合生理学和病理生理学的实验研究。 3. 慢性病研究：由于狗可以通过短期训练配合实验，所以适合进行慢性病实验，如调理实验、各种治疗效果观察实验、毒理学实验、内分泌腺去除实验等。 4. 药理学和毒理学研究。常用于新药临床使用前的毒性试验、代谢试验和药理试验。如磺胺类药物的代谢研究、苯胺及其衍生物的毒理学研究等。 5. 其他疾病的研究，如:先天性白内障、半胱氨酸尿症、遗传性耳聋、血友病A、先天性心脏病、先天性淋巴水肿、蛋白质营养不良、家族性骨质疏松、视网膜发育、功能不全、高胆固醇血症、动脉粥样硬化、糖原缺乏综合征等。 |
| 兔子 | 易于饲养繁殖； 易产生发热反应，发热反应典型且持续。常用于药物生产质量控制、骨关节疾病模型、眼科药物研究中的热原实验； 耳朵大，血管清晰，注射和采血方便; 血清量大，易进行心脏采血，被广泛用于制备高特异性、特异性免疫血清。 |
1.免疫学研究: 免疫的最大用途是产生抗体，制备高效和特异性的免疫血清。免疫学研究中常用的各种免疫血清大多由自制免疫系统制备而成，广泛用于人畜各种抗血清和诊断血清的制备。 2. 生理学研究: 利用国产免疫诱导排卵的特点开展了多种研究。它也可以用于避孕药具的筛选研究。 3. 胆固醇代谢与动脉粥样硬化的研究：最早用于这项研究的动物是兔子。例如，用溶解在植物油中的纯胆固醇喂养兔子会引起典型的高胆固醇血症，动脉粥样硬化，冠状动脉硬化。 |
| 猪 | 在解剖尺寸和结构、生理学、免疫学和基因组上与人类相似; 窝次数量多，易进行基因组编辑； 在心血管疾病研究及相关药物和器械开发、皮肤病药物开发等方面应用较为广泛。 |
1. 药物开发研究和毒理学测试中确定安全剂量范围[1-3]. 2. 与人类的器官生理和大小相似、相对较低的繁殖成本以及与人类基因改造的相容性使猪成为人类异种移植的首选动物 [4-6]. 3.猪的呼吸系统有许多与人类相似的解剖特征，例如：韦氏环、鼻腔相关淋巴组织等，因此，它与呼吸道疾病的研究和疫苗的研制有关 [7-9] . 4. 胚胎已被广泛用于胚胎发育的研究和临床实践工具。 5. 眼睛可用于色素性视网膜炎、青光眼、视网膜脱离和经眼给药的研究 [10、11]. 6. 牙组织疾病和牙再生的大型模式生物 [12][13]. 7. 研究骨骼解剖、形态、骨坏死、愈合和重塑的首选生物医学模型 [14-16]. 8. 用于研究表观遗传修饰对发育和精子甲基化特征对生育能力的影响 [17][18]. 9. 用于神经毒理学研究，并测试药物预防和治疗神经疾病的潜力 [19][20]. |
| 斑马鱼 | 斑马鱼与人类具有很强的遗传同源性(87%)，易于获得大量的实验样本，个体小，易于繁殖，子代多，一次产卵量高(150-200枚)，繁殖成本低，实验操作简单，实验用量小( 小鼠剂量的1/100~1/1000); 体外受精胚胎发育，生殖能力强，性成熟周期短(胚胎成熟24小时); 胚胎的发育过程是完全透明的，整个过程中都可以观察和研究其发育状况。 |
1. 斑马鱼与人类在基因水平上有87%的同源性，其早期发育与人类非常相似。已应用于神经系统、心血管系统、免疫系统等的发育和功能，以及神经退行性疾病、心血管疾病、免疫系统等。已应用于全身疾病、肿瘤等的研究，并已应用于小分子化合物的大规模新药筛选。 2. 斑马鱼修复受损视网膜的独特能力有望应用于盲人患者的治疗。 3. 在发育遗传学研究中的应用。 4. 药物毒性和安全性评价及环境毒理学研究。 (1) 在常规毒性实验中的应用。斑马鱼急性毒性试验用于检测各种农药、有机试剂和污染物的急性毒性。慢性毒性实验确定低浓度污染物在斑马鱼生命周期中的毒性作用，以确定化学物质的最大允许浓度及其影响。慢性毒性实验可用于观察同一鱼类在不同发育阶段（对化学物质的毒性）的差异。蓄积实验是检测外来化学物质在体内积累或积累的实验。(2) 分子和细胞生态毒性的应用。通过胚胎、软骨组织染色或全组织包埋原位杂交等方法在显微镜下观察斑马鱼细胞的行为、生理生化变化，从而在分子和细胞水平上确定某种化学物质 (3) 在水质检测中的应用。利用斑马鱼的某些实用元素来显示它接触的特定污染物可以检测水质的变化。例如，当水体含有需要检测的环境污染物时，基因就会被检测出来。与报告基因GFP激活并共同表达，使鱼显示荧光。 |
模式生物因其和人类的相似性，方便研究人员根据实验需要进行各种操作，随时采集各种样本，甚至可以利用细胞破坏动物组织或杀死动物。但动物和人类并不完全相同，病原体在不同生物体中也因此表现不同。在药物筛选和毒性试验中，对动物无效或无毒的药物不等于临床上无效或无毒。相反，对动物有效的治疗方案不一定适用于临床。
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