小动物 大作为

表达荧光蛋白的神经元细胞 　　1.小脑绒球细胞　　2.动眼神经的轴突　　3.胶质细胞　　4.大脑皮质细胞

　　导语

　　在今天的医学研究领域，无论是对基因功能的研究，还是对新药疗效的验证，都需要首先借助实验动物寻找初步的答案。如实验动物中的基因工程动物模型是研究基因功能的主要工具，而疾病动物模型则是分子医学、系统医学、转化医学、比较医学等多个医学领域的研究工具。

　　随着实验动物科学在各个医学领域的应用发展，至今已经制作了数万种基因工程动物模型、几千种自发突变动物模型。其中有3000种可以在一定程度上反映200种人类疾病病理表型或发病机制的人类疾病动物模型。

　　今后，随着更加深入和细化的医学研究发展，医学科研对于实验动物必然会有越来越高的要求。如何在早期就预测到未来可能需要的实验动物，并把它们真真切切地培育出来，其本身就是一门高深的、基础的、必要的学问。


　　造血干细胞小鼠模型 点燃白血病治疗新希望

　　2010年6月，日本利用诱导性多能干细胞（iPS细胞）在小鼠体内培育出造血干细胞。将其移植到其他小鼠体内后，仍能成功造血。该成果为白血病等疾病的治疗提供了新希望，有可能作为替代骨髓移植的新疗法。

　　研究人员首先从小鼠尾巴上提取细胞培育出iPS细胞，然后与促进iPS细胞向造血干细胞转变的物质一起移植回小鼠体内。3个月后，研究人员在小鼠骨髓中发现了由iPS细胞生成的造血干细胞，并确认其能正常发挥造血功能。

　　随后，研究人员提取这种造血干细胞，并将其移植到自身造血干细胞被破坏的小鼠体内。经过一段时间后，研究人员在这些小鼠的骨髓中同样发现了能正常造血的干细胞。目前，研究小组正在研究将人的iPS细胞移植到小鼠体内，看是否会出现类似结果。

　　研究人员指出，如果能找到一种新方法，即利用人的iPS细胞在正常人体内培育出造血干细胞，然后移植到白血病等患者体内，那么就有可能开发出能替代骨髓移植的新疗法。

　　点评：

　　干细胞研究是近年来生命科学的热点领域，其在细胞治疗、组织器官移植和基因治疗中具有重要意义，并且在新药开发筛选与药效、新基因发掘与基因功能分析、毒性评估等领域具有重要的影响。

　　实验动物在干细胞研究中立下了“汗马功劳”。从“多莉”绵羊到由iPS细胞制备的活体小鼠，实验动物一直作为人类的“替代品”用于科学研究。由于胚胎干细胞研究面临着很多伦理问题，目前研究热点是诱导性多能干细胞（iPS细胞）。

　　iPS细胞是由体细胞诱导而成的干细胞，也被称为“万能细胞”。2007年11月，美国和日本科学家将人类细胞诱导为iPS细胞，被《科学》杂志评为2008年世界十大科技进展之首。而2009年我国科学家周琪等人成功地利用iPS细胞制备的活体小鼠，首次证实了iPS细胞的全能性，其研究成果发表在2009年7月两个权威期刊Nature和Cell Stem Cell上。这项工作为iPS技术在干细胞、发育生物学和再生医学领域的应用提供了技术平台。

　　iPS细胞在生物和医学领域具有广阔的应用前景，有望成为实施再生医学和细胞治疗的重要细胞来源。Science杂志预测iPS在2010年依旧炙手可热，并有可能迎来一个新的研究浪潮。


　　脑虹转基因小鼠拥有彩色的大脑

　　神经系统是人类的生命中枢所在，神经细胞是神经系统的基本组成单位，不同部位的神经细胞病变可以引发许多不同疾病表现，如神经元变性疾病、海绵状脑病、脱髓鞘疾病和炎症、肿瘤等。

　　脑虹（Brainbow）转基因小鼠的产生就是为了观察复杂的神经系统细胞形态的变化。我们实验室通过转基因技术，将红绿两种颜色荧光蛋白基因连接到能在各神经细胞广泛表达的一个基因上，并将该改造的基因导入小鼠基因组中，利用重组酶技术使不同神经元细胞表达不同组合以及不同程度的荧光蛋白。这样，在显微镜下就能观察到不同颜色的细胞，从而成功制备脑虹转基因小鼠。

　　不同部位、波长和重组方式的荧光蛋白在不同的神经细胞表达会产生不同的颜色，最终可以达到随机产生不同颜色的目的。使用这种技术能够一次性对几百个神经元细胞染出近百种颜色，大大方便了研究人员对神经系统中神经元运动的观察，有利于对神经系统发育和脑细胞功能的研究（如图）。该模型可以用于观察不同疾病中和药物作用于神经系统后的神经细胞形态改变情况。

　　点评：

　　2008年的诺贝尔化学奖由美籍华裔科学家钱永健等三人共同获得，其主要贡献是对绿色荧光蛋白（GFP）的研究。通过该荧光蛋白，研究人员能够在分子和细胞水平观察到各种形态变化和反应，照亮了细胞生物及分子生物学的研究。脑虹（Brainbow）转基因小鼠就是利用GFP荧光蛋白和其他荧光蛋白研发出来的。由于“Brainbow”一词和彩虹“Rainbow”只有一个字母之差，且主要是研究脑细胞，因此该技术被叫做“脑虹”。

　　脑虹转基因小鼠模型作为一种新的转基因模型，其在大规模研究细胞相互关系中有很重要的作用。该模型有利于对神经元细胞的形象化，可以追踪大量的神经细胞，辨别它们是否存在假定的连接性。

　　不仅仅是对神经元细胞，脑虹转基因小鼠模型的产生使得对所有能进行位点特异性重组的细胞类型和组织都能进行多颜色的染色变为可能。因此，“Brainbow”技术能够运用到谱系分析中，其能够以不同的颜色标记相邻的克隆。另外，“Brainbow”技术能够通过调整基因表达，利用色彩变化来比较许多不同遗传改变的影响。


　　易患流感的雪貂加入甲流研究

　　由于甲型流感经常变异，以往制备的季节性流感疫苗常常不能防御新变异的甲流病毒。所以，动物模型的研制变得尤为重要，需要用动物模型来筛选药物和开展疫苗的安全性、有效性评价。

　　雪貂除对人流感病毒高度易感外，对禽流感、猪流感等病毒也高度易感，且感染后出现典型症状。正是因为雪貂对多种流感病毒具有高度的敏感性，且发病过程、临床表现与人类相似，所以目前雪貂已被作为各类流感病毒研究的理想感染动物模型。雪貂感染流感病毒后，一般经过48小时的潜伏期开始发病。最初的症状是发烧，此时体温可以达到40℃以上，病貂食欲下降，体重会在短期内明显下降，甚至死亡。病变部位主要集中在肺，病毒会引起肺脏发生各种炎症反应。

　　我们已成功建立了甲型H1N1流感病毒感染雪貂模型。经比较医学分析，雪貂的临床和病理表现与甲型H1N1流感患者极为相似，可为发病机理研究、药物筛选和疫苗评价提供可靠的技术平台。

　　点评：

　　近期频繁暴发的流感疫情，使得我们加大了对甲型流感的研究力度，筛选并成功建立了甲型H1N1病毒感染雪貂模型。利用该模型，我们评价了数十种药物和疫苗，为指导临床用药提供了重要的实验室基础数据。

　　基于动物模型或动物实验，科学家们已经对甲型H1N1流感病毒开展了全方位的研究。例如美国科学家利用实验鼠、雪貂和猴等实验动物作为受试对象，已接近开发出能够帮助人类预防所有类型流感的长效通用型流感疫苗。通过启动/增强分步法接种流感疫苗的实验鼠和雪貂产生的抗体能抵抗1999年以前和2006年、2007年出现的所有流感病毒毒株，甚至包括禽流感H5N1病毒。该论文发表在2010年7月15日《科学》在线版上。


　　借基因工程制备“痴呆”小鼠

　　阿尔茨海默病是最常见的神经变性疾病，是导致痴呆的主要病因。阿尔茨海默病相关的基因主要包括淀粉样前体蛋白（APP）、Tau蛋白、早老素1（PS1）、早老素2（PS2）、载脂蛋白E（ApoE）等位基因ε4和α2-巨球蛋白等。研究人员应用这些基因可制备相应的基因工程小鼠模型，我们实验室制备保存的阿尔茨海默病动物模型包括以下几种：

　　1.APP基因动物模型。包括PDGF-hAPPV717I转基因小鼠、PDGF-hAPPLondon/Swedish转基因小鼠、prp-hAPP/hPS1双转基因小鼠、APP/ PSN双转基因小鼠、APP基因剔除小鼠等。不同基因突变制作的APP基因小鼠具有不同的病理、行为等方面的改变，可以从不同层面为阿尔茨海默病的研究提供帮助。

　　2.ApoE基因动物模型。ApoE基因敲除小鼠表现出异常高血脂症状，出现动脉脂肪堆积，表现出突触损伤和学习记忆能力障碍。

　　3.PS1基因动物模型。PS1基因突变体具有加快凋亡的作用，加速了阿尔茨海默病患者脑部的退行性变性过程。

　　4.tau基因动物模型。tau蛋白转基因小鼠表现出进行性的中枢神经系统病理改变，包括高度磷酸化的不溶性tau蛋白，皮质、脑干和脊髓区出现含tau蛋白阳性细丝等。

　　点评：

　　神经退行性疾病是一组以原发性神经元变性为特征的慢性进行性神经系统疾病，其中以阿尔茨海默病最常见，危害最大。

　　科学家们已经建立了近百种阿尔茨海默病动物模型，并以此为基础，开展了大量的致病机理研究、药物研发和疫苗评价等工作，取得了丰硕的成果。我们研制的阿尔茨海默病动物模型已经实现了产业化运作，为国内三十多家单位使用，取得的科研成果已经获得国际同行的认可，产生了较大的社会效益和经济效益。


　　实验小鼠“献身”手足口病研究

　　今年由EV71病毒引起的较大的手足口病疫情，严重威胁着我国儿童的健康。目前尚无针对该病原较理想的疫苗和治疗药物，因而研发该病的动物模型是进行疫苗评价和治疗药物筛选的必要条件之一。

　　我们研究所已经成功建立了两类手足口病的小鼠模型。一种是利用1日龄的新生小鼠作为研究对象，经腹腔注射病原，建立了可以再现病毒复制和病理损伤的病毒感染小鼠模型。模型主要表现为：体重下降；肌肉内病毒复制滴度较高，在感染5天后达到高峰，7天后开始消退；小鼠肌肉和小肠发生明显的病理改变。另一类是将人类的EV71受体、P-选择素配体蛋白和清道夫受体2基因通过转基因的方式导入到小鼠基因组，建立了表达人类EV71受体蛋白的转基因小鼠模型。这两类模型的建立将为手足口病的疫苗评价和药物筛选提供有效的工具。

　　点评：

　　手足口病的病原体有20多种，其中人肠道病毒71型（EV71）病毒感染最为严重，是引起我国手足口病疫情的主要病原。积极开展EV71病动物模型的研制，并开展药物和疫苗研发，是扑灭和防范疫情的关键所在。

　　人类是EV71病毒的唯一天然宿主，这使得EV71病毒不至于在自然界中大范围蔓延，但也使选择实验动物建立模型时困难重重。

　　我们建立的1日龄小鼠模型，无明显的神经症状，不宜用于药物和疫苗评价，需要建立成年动物模型。通过构建转基因小鼠，将人的病毒受体在小鼠体内表达，是提高病毒对小鼠感染能力的常用方法。通过这种途径，可以建立成年动物模型，有利于免疫、给药等操作，从而使疫苗和药物评价过程更简单易行。（孔  琪  张连峰）


　　用小鼠干细胞培植人造肝脏

　　美国马萨诸塞州总医院的研究人员在实验室利用小鼠多能干细胞以人工方式培植出了人造肝脏，为今后实现“定做器官”技术开辟了一条新道路。如该技术进展顺利，未来5年内或将用于人体肝移植。

　　研究人员先去掉小鼠肝脏上的细胞，剩下一个由胶原蛋白和血管充当的“支架”。然后，将由小鼠皮肤细胞制备的多能干细胞（iPS细胞）填充到“支架”中，最终得到人造肝脏。人造肝脏在人工血液的补给下，在培养皿内存活达10天之久。研究人员把人造肝脏移植入小鼠体内，但仍保留小鼠部分原有肝脏，小鼠存活了数小时。这是首次在实验室培植出可与真正肝脏相媲美的人造肝脏，它可以像真正的肝脏一样分解有害物质，修复因为受伤、疾病、酗酒等而受损的肝脏。由于这种人造肝脏可由患者自己的细胞培育而成，取代受损的肝脏后，患者免疫系统不会排斥它。该研究结果发表在今年6月份的《Nature Medicine》上。

　　点评：

　　在器官移植领域，目前使用较多的异体器官面临着免疫排斥反应和供体稀缺的限制，成活率很低。人造器官是未来能够替代异体器官的理想选择。

　　多年来，科学家们就不断使用小型猪、犬、鼠等实验动物探索人造器官的可能性。这篇论文为人造器官提供了一种新的方法，并有望应用于临床。该方法使用多能干细胞技术，将使用自体皮肤制备的iPS细胞填充到肝脏原有支架上，制备出不会产生免疫排斥反应的自体人造肝脏，并具备肝脏基本功能。

　　当然，此次实验培育的人造肝脏也只能发挥肝功能的一部分作用。造出真正能够植入人体、功能完整而持久的肝脏，还有很长的路要走，并且困难重重。