实验动物学(第3版)

上篇基本概念 **章 绪论 动物用于实验源于古代人们对动物治病的本能及人为对动物施加某种因素后的观察，已有几千年的历史。在其后的漫长岁月里，随着自然科学和生物医学的发展，至20世纪50年代以后，实验动物学逐渐发展成为一门具有自身理论体系的独立学科。该学科从动物学、兽医学、畜牧学、解剖学、组织学、胚胎学、遗传学、生理学、营养学、环境生态学、微生物学和病理学等角度，对实验动物的群体及个体、各器官组织及细胞直至分子生物学水平做了多层次全方位的系统研究，培育出多种符合标准的实验动物，并制作出一系列人类疾病的动物模型，供生物医学、环保、商检、质检和军事科学等广阔领域应用。实验动物学的发展为生命科学的高水平研究奠定了物质基础。 一、实验动物学的研究内容 实验动物学（ laboratory animal science，LAS）是以实验动物为主要研究对象，并将培育的实验动物应用于生命科学等研究的一门综合性学科。简而言之，它是研究实验动物和动物实验的一门综合性学科。前者指对实验动物本身进行生物学及生理学特性的系统研究，实施遗传育种、保种以维持其遗传学和生物学特性，培育新品系，并生产繁殖出标准化的实验动物。后者是用标准的实验动物进行科学实验，研究其生命过程的组织形态、功能反应和代谢的变化，并在动物自然发生的疾病及人为制作的病理模型中观察疾病发生发展的规律，研究药物等因素的作用，以适应生物学、医药学、环保、商检、质检和军事科学等广阔领域的研究需要。 二、实验动物 实验动物（ laboratory animal，LA）是指经人工培育，对其携带微生物和寄生虫实行控制，遗传背景明确或者来源清楚，用于科学研究、教学、生产、检定及其他科学实验的动物。 实验动物追溯其祖先，可来源于野生动物、经济动物（家畜、家禽）、警卫动物和观赏动物（宠物），却又有异于这些动物。 实验动物一般具有以下三大特点： 1. 遗传学要求必须是人工培育、来源清楚、遗传背景明确的动物，即实验动物应是遗传限定，且经人工培育的动物。根据遗传特点的不同，常把实验动物划分为近交系、封闭群（或远交群）和杂交群三大类群。 2. 微生物和寄生虫的监控要求在实验动物繁育的全过程中，必须严格监控其所携带的微生物和寄生虫。目前，我国根据对微生物、寄生虫的控制程度将实验动物划分为 4个等级，即普通级动物、清洁级动物、无特定病原体级动物（ SPF级）和无菌级动物。 SPF级动物和无菌级动物不仅对其携带的微生物、寄生虫进行人工监控，而且是经剖宫产净化获得的。而国际上较通用的分级法则是将实验动物分为普通级动物、SPF级动物和无菌级动物 3个等级。 3. 应用要求实验动物主要应用于科学实验。有学者称实验动物为“活的分析天平”，犹如理化实验需要精密仪器和高纯度化学试剂一样，生命科学研究和相关实验更要求实验动物对实验因素的敏感性强、反应一致，从而使研究结果具有可靠性、精确性、可比性、可重复性和科学性特点。未经驯化的野生动物虽然也用于实验，但由于其遗传背景不清楚，健康状况有差异，机体反应性不一致，对实验因素的敏感性也不同，因此实验结果的重复性较差、可信性较低，而难被国际学术界公认。只有通过驯化培育，才能获得遗传性稳定、纯合性好的实验动物，发现和保留具有不同生物学特性的品种、品系，培育和制作出有关疾病的动物模型。还可以在人工培育中控制环境条件和监控动物所携带的微生物、寄生虫，培育出无菌级动物或 SPF级动物，从而为生命科学及医药研究提供符合要求的标准化实验动物。 此外，某些动物如家禽、家畜等，由于它们对特定实验物敏感性较高，或实验操作较方便的缘故，亦被开发提供实验应用，但目前尚未完全达到实验动物的标准要求，称为实验用动物。实验用动物实际上是指一切可以用于实验的动物，包括野生动物、经济动物、警卫动物、观赏动物和实验动物。 三、实验动物学的分支学科 实验动物学吸收其他学科的知识、积累本学科的研究成果，至今已形成了较完整的理论体系，并派生出以下分支学科。 1. 实验动物遗传育种学（laboratory animal genetic breeding science）是应用遗传调控原理，控制实验动物的遗传特性，培育新的实验动物品系和多种动物模型，以实现实验动物化的目标。 2. 实验动物微生物学与寄生虫学（laboratory animal microbiology and parasitology） 是研究实验动物的微生物、寄生虫分类，以及与人类的相互关系，探讨与实验动物疾病作斗争的措施，实行对实验动物微生物与寄生虫的质量监控，以达到控制和消灭实验动物疾病的目的。 3. 实验动物环境生态学实验动物通常是在人工控制的昀适环境中生长发育并存活，它们不断通过人工环境与自然环境进行物质及能量交换，从而构成与环境的统一。实验动物环境生态学 （laboratory animal environmental ecology）就是研究实验动物与环境相互关系的分支学科，主要研究气候因素（温度、湿度、气流、风速、气压等）、理化因素（光照、噪声、粉尘、有害气体等）、生物因素（病原体等）、栖居因素（动物密度等）对实验动物的影响。维持实验动物的人工控制环境恒定的是实验动物设施，分为普通环境、屏障环境（ SPF级动物设施）和隔离环境。国家技术监督局于 1994年颁布的实验动物国家标准中，还设有亚屏障系统（清洁级动物设施）这一等级实验动物设施。 4. 实验动物营养学（laboratory animal nutriology） 是研究饲料（营养素）与实验动物机体生长、发育、繁殖、健康及实验结果关系的学科。 5. 实验动物医学（laboratory animal medicine）是专门研究实验动物疾病的诊断、治疗、预防及其在生物医学领域中应用的分支学科。 6. 比较医学（comparative medicine）是对实验动物与人类基本生命现象的异同进行比较研究。对在实验动物与人类都会发生的疾病，建立有关疾病的动物模型，以研究人类相应疾病的发生、发展规律。对实验动物与人类发病的不同点进行研究，还有助于寻找治疗人类相关疾病的手段和方法。 7. 动物实验是应用标准的实验动物进行科学研究，观察实验过程中实验动物有关器官的组织形态改变、机能反应变化及其发生发展规律。 8. 实验动物饲养管理（laboratory animal husbandry）是研究实验动物的繁育和生产管理，并使管理标准化和规范化。 9. 中医实验动物学（laboratory animal science of Chinese medicine） 是以中医药理论为基础，运用实验动物学的理论和方法，进行中医药研究的实验学科。中医实验动物学将实验动物学与中医固有的实验研究融为一体，既要在内容上为现代医学有关的理论方法所包容，更要在具体的实验方法和思路上体现、忠实于中医的学术思想。 一、实验动物学的产生与发展概况 （一）古代国外的动物实验 实际上，古代各国对毒药的研究与使用都很普遍。古希腊帝王为谋取权位，往往用毒物杀人，因而重视毒物与解毒药的研究。史载 Mithridates Ⅵ（公元前 120～前 63年）酷嗜研究毒药与解毒药，其中许多毒药知识即来自动物实验。他研制的一个由 50余种药物组成的解毒秘方，后来命名万应解毒方（Mithridaticum），并在欧洲流传应用达数世纪之久。古代阿拉伯名医 Rhazes（公元 841～926年）研究汞软膏时曾试用于猴子，发现纯汞并不十分危险，虽可引起剧烈腹痛，但其后可排出体外，服汞制剂后活动可加速其排出。这些动物实验为汞制剂的临床应用提供了重要依据。 在欧洲医学发展史上，动物实验推动医学发展的事例颇多，现今临床常用的输血疗法就是由同种动物及不同种动物的大量实验来奠定基础的。而 19世纪初，法国医药学家 F. Magendie（1783～1865年）则从箭毒研究入手，开创了近代实验药理学。 （二）古代中国有关动物实验的记载 1. 观察动物的治病本能蛇衔草、刘寄奴等中药即由观察动物使用植物疗伤而得名。南朝刘敬叔在《异苑》中描述：“昔有田父耕地，值见伤蛇在焉，有一蛇衔草著疮上，经日，伤蛇走。田父取其余叶以治疮，皆验，本不知草名，因以蛇衔为名。 ”《抱朴子》有：“余数见人以蛇衔膏连已断之指，桑豆易鸡鸭之足，异物之益，不可诬也。” 《抱朴子》曰：“张相国庄内有鼠狼穴，养四子为蛇所吞，鼠狼雌雄情切，将蛇当腰咬断而劈腹，衔出四子，尚有气，以大豆叶嚼而傅之，皆活，后人本于此而以豆汁治蛇咬。 ”《南史》传说：“宋武帝刘寄奴见一蛇妖中箭后，寻草治伤，遂采此草治人伤亦效。 ”《本草衍义》载：“蜈蚣畏蛞蝓，不敢过所行之路，触其身即死，故人取以治蜈蚣毒。” 2. 观察动物应用药物的效果我国古代典籍中，通过观察药物对动物的作用而获取药物知识的事例比比皆是，其中有关药物毒性试验的记载尤为多见。如《山海经》按功能划分的五类药物中，即有“毒药”与“解毒药”等记载，并称“无条（草类）可以毒鼠”，“焉酸（草类）治毒”，这显然是先民长期观察动物对草药的反应所得。关于毒药对人影响的认识，早在先秦时期已用于攻战与守备。《墨子 守杂篇》中有“常令边县预种蓄芜、芸、乌喙、袜味”，以备城池陷落后投毒于水源，杀伤敌人。宋初，官修《太平圣惠方》收载毒药 46种，详述了药物中毒的症状及其轻重鉴别。如口含熟银可鉴别是否有毒，此法在民间一直沿用。明代倭寇侵扰沿海地区，大将胡宗宪将倭寇频犯地区列为“海市”，嘱用毒药渍米，以毒杀倭寇。后来倭寇为防中毒，逼令边民先行尝试，然后才敢下箸。明代揭暄《揭子战书 饮食篇》卷十四有以上记载。显然，对毒药的认识源于人误服毒药或给动物服食毒药的经验总结。 乌头（箭毒）是人类较早认识的麻醉药，中外均有用于战争和狩猎的早期记录。《北史 勿吉传》第八十二载：“常以七八月造毒药傅矢以射禽兽，中者立死；煮毒药气，亦能杀人。”而确切将“酒调服草乌头”用于整骨，则*见于中唐的《仙授理伤续断秘方》。由介绍常用整骨药（方名）的文字中“如未觉”“再添”“俟了”“用生葱嚼解”等记录看，唐代中期的骨伤医家已熟练掌握以草乌作全身麻醉的方法及量效关系，并知道解毒方法。宋代僧养宁在《物类相感志》中还谈道：“草乌切碎，同米做饭，喂雀儿，尽皆醉倒。”由上述史料可以推断，古代关于草乌作用的探索绝不只在捕捉小鸟，而有许多较深入的动物实验。 元代《世医得效方》更发展了曼陀罗花麻醉法。为验证该药的效果，李时珍还进一步做了人体实验，认为“饮须半酣，更令人或笑或舞引之，乃验也”（《本草纲目》卷一，曼陀罗条）于毒药和麻醉药的研究大大推动了中医外科和骨伤科的进步。 在中国古代文献中，还有许多由动物实验而发现新药物、新疗法，其后进一步通过医疗实践总结经验的记载。如《抱朴子》载：“韩氏以地黄苗喂五十老马，生三驹，又一百三十乃死。”从而得出地黄苗的药物作用。又如《本草纲目》记载：“赤铜屑主折伤，能焊人骨，六畜有损者，细研酒服，直入骨损处，六畜死后，取骨视之，犹有焊痕，可验。”宋代《本草衍义》描述：“有人以自然铜饲折翅胡雁，后遂飞去，今人用治打扑损。”而《朝野佥载》则有：“定州人崔务坠马伤足，医令取铜末和酒服之，遂痊平。及亡后十余年改葬，视胫骨折处有铜末束之。 ”《外台秘要》载：“取钴莽铜错取末仍捣，以绢筛，和少酒服之，亦可食物和服之，不过两方寸匕以来，任意斟酌之。”李唐以来，陈藏器、朱震亨、李时珍等医家都说铜末有接骨作用，而江湖铃医治疗骨折秘方的枳马金钱散，也以铜末为主药。 3. 观察动物对其他人为因素的反应前人还以动物实验结果判断讼案。如和凝《