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实验动物与动物实验的研究进展

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实验动物与动物实验的研究进展. 实验动物室. 第一章 实验动物学概论. 21 世纪是生命科学时代。生命科学研究必须具备 4 个要素,即实验动物( laboratoryanimal )、设备 ( equipment )、信息 ( information )和试剂 ( reagent) ,通常称 AEIR 要素。生命科学工作者应该学习实验动物学 ( laboratory animal science) ,掌握有关实验动物与动物实验的知识与技能。. 一、实验动物学研究的对象与范畴. 研究对象:实验动物与动物实验。

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第一章 实验动物学概论
  • 21世纪是生命科学时代。生命科学研究必须具备4个要素,即实验动物(laboratoryanimal)、设备(equipment)、信息(information)和试剂(reagent),通常称AEIR要素。生命科学工作者应该学习实验动物学(laboratory animal science),掌握有关实验动物与动物实验的知识与技能。
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一、实验动物学研究的对象与范畴
  • 研究对象:实验动物与动物实验。
  • 研究范畴:实验动物学是融合生物学、动物学、畜牧学、兽医学、医药学等学科而发展起来的,因此它的研究内容十分丰富,从实验动物扩展到动物实验。研究实验动物主要是研究其生物学特性、育种、保种、繁殖生产、饲养管理、饲料、垫料、设施条件、疾病诊断与防治、质量控制等;研究动物实验主要是研究动物实验的基本条件和基本技术与方法、实验动物的选择与应用、动物模型的建立与应用等。
  • 实验动物学的分支学科:
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1、实验动物遗传育种学
  • 2、实验动物微生物学与寄生虫学
  • 3、实验动物解剖学与生理学
  • 4、实验动物生态学
  • 5、实验动物营养学
  • 6、实验动物医学
  • 7、比较医学
  • 8、实验动物饲养管理学
  • 9、动物实验方法学
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二、实验动物学的发展概况
  • 实验动物学是从生物学、动物学、畜牧兽医学,特别是实验医学中衍生出来的,它源于动物实验,奠基于实验动物的育种繁殖。
  • 动物实验的发展:具有实验科学意义的动物实验是从动物的活体解剖开始。公元2世纪的古罗马医学家盖伦(Galen)是动物活体解剖技术的创始人。研究动物活着的时候,损伤、毁坏或切除动物某一部分后所产生的后果,以此推断这一部分器官的功能。他用猪、猴等动物进行的动物实验,创立了医学知识和生物学知识体系,并提出实验研究是科学发展的基础。
  • 实验动物的发展:19世纪末到20世纪60年代是实验动物学发展的奠基时期。在此期间,近交系动物、免疫缺陷动物和悉生动物的培育成功为实验动物学独立于其他学科奠定了基础。
  • 动物模型的发展:20世纪60年代提出动物模型的概念。
  • 组织机构的发展
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第二章 实验动物的基本内容
  • 基本概念
  • 常用实验动物及生物学特性
  • 实验动物环境设施控制
  • 影响实验动物和动物实验的因素
  • 动物实验技术
  • 动物模型
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一、实验动物的基本概念

(一)、定义

★ 实验动物

是指经人工饲养、繁育,对其携带的微生物及寄生虫实行控制,遗传背景明确或来源清楚,而应用于科学研究、教学、生产和检定以及其他科学实验的动物。

★ 实验用动物

是指能够用于科学实验的所有动物,也就是说,实验用动物不仅包含了实验动物,而且还包括野生动物、经济动物和家畜等。

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(二)、分类

目前在实际培育和应用中,实验动物是按遗传学控制和微生物学控制进行分类。

1、 按遗传学控制分类分为:

★ 近交系动物,即纯系动物。是指经至少连续20代的全同胞兄妹交配培育而成的一群动物。品系内所有个体都可追溯到起源于第20代或以后代数的一对共同祖先。其特点是具有相同的基因类型,基因纯合程度高。

★ 封闭群动物,即远交群动物。是指以非近亲交配方式进行繁殖生产的一个实验动物种群,在不从其外部引入新个体的条件下,至少连续繁殖4代以上,称为一个封闭群,或叫远交群。其特点 是具有不同的基因类型。可分为远交种和突变种。。

★ 杂交一代动物(F1代)。是由两个不同的近交品系杂交而繁育的第一代动物,各个体具有相同的表型和基因型。

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2、按微生物和寄生虫控制程度分类可分为四个等级: 2、按微生物和寄生虫控制程度分类可分为四个等级:

一级 普通动物(CVA)

二级 清洁动物(CLA)

三级 无特定病原体动物(SPFA)

四级 无菌动物(GFA)和悉生动物(GNA)

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二、常用实验动物及生物学特性

(一)、 常用的近交系小鼠 :

C57BL/6 黑色 A 白色

C3H/He 野生色 AKR 白色

BALB/c 白色 TA1 白色

DBA/2 浅灰色 TA2 白色

CBA 野生色 615 深褐色

这些近交系小鼠大多用于肿瘤学和免疫学研究。

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(二)、常用的封闭群小鼠:

广泛使用的有: KM小鼠 白色

NIH小鼠 白色

常用于药理、毒理及药品、生物制品的检定。

不常用的有: ICR小鼠 白色

CFW小鼠 白色

LACA小鼠 白色

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F1代动物的优势在于具有清楚的遗传背景和双亲的特性,而且均一性比亲代好。生活力强,对各种实验重复性好,得到广泛的使用。F1代动物的优势在于具有清楚的遗传背景和双亲的特性,而且均一性比亲代好。生活力强,对各种实验重复性好,得到广泛的使用。

如:DBA∕2 ♀× C57BL∕6♂

D2B6F1

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◆小鼠一般生物学特性

★ 性情温顺,不主动咬人。非同窝雄性易斗,常咬上背部和尾部。

★ 对外部环境反应敏感,适应性差,强光或噪声刺激时,能导致哺乳母鼠神经紊乱,发生食仔现象。温度过高或过低时,生殖能力下降,严重时会发生死亡。

★ 对多种毒素和病原体易感,对致癌性物质敏感,自发性肿瘤多。

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(三)、 豚鼠
  • 英国种,亦称荷兰种:该品种是我国使用最多的品种,多是封闭群动物。毛短而光滑,毛色有白、黑、棕、灰、淡黄、巧克力等单色,也有两种或三种毛色混合的。
  • 近交系2、近交系13:毛色为黑棕白三色,不常用。
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◆ 豚鼠一般生物学特性

(1)豚鼠为草食性动物。

(2)豚鼠胆小,温顺,对外界刺激极为敏感。

(3)豚鼠喜欢群居,单笼饲养时易发生足底溃疡。

(4)豚鼠血清中含有丰富的补体,其补体非常稳定,免疫学实验中所用补体多来源于豚鼠。

(5)豚鼠体内不能合成维生素C,对其缺乏十分敏感。

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(四)、 仓鼠 又名地鼠

◆ 地鼠一般生物学特性

(1)地鼠为杂食性动物。

(2)地鼠昼伏夜出,一般在晚8—11点最为活跃,有嗜睡的习惯。

(3)室温以20±2为宜,当室温低于9℃时可出现冬眠。

(4)地鼠口腔内两侧各有一颊囊,颊囊缺少腺体和完整的淋巴通路,因此对外来组织不产生免疫排斥反应,可用于异体移植。

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(五)、 家兔

我国常用的实验用家兔品种有:

  • 日本大耳白兔 毛色纯白
  • 新西兰兔 毛色纯白
  • 青紫兰兔 毛色分三段颜色,即毛根灰色,中段白色,毛尖黑色。
  • 中国白兔 毛色白色,毛短而密。
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◆ 家兔一般生物学特性

(1)家兔属草食性动物,群居性差。

(2)听觉、嗅觉灵敏,胆小怕惊。

(3)家兔喜干怕热,汗腺不发达。

(4)白天表现安静,夜间活跃,晚间采食量占全天的75%。若使其仰卧,全身肌肉松驰,顺毛抚摸其胸腹部并按摩太阳穴时,可使其进入睡眠状态。

(5)家兔属恒温动物,正常体温在38.5—39.5之间,对致热物质反应敏感,适于作做热源实验。

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三、实验动物环境设施控制

实验动物设施是保障动物能正常繁殖、生长发育以及达到各种动物实验成功的必要条件。

根据实验动物体内微生物控制程度将其分成四级,不同级别动物对饲养环境要求不同,因此饲养设施也分为: 开放系统 , 亚屏障系统, 屏障系统 , 隔离系统。

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(一)、开放系统

是指饲养室与外界相通,无空气净化装置的饲养系统,饲养普通动物。

1 人员:进入饲养室前必须更换工作服、鞋,戴工作帽和口罩,工作前用肥皂水洗手。

2 所用物品(均指未经污染的):须经适当处理方可使用,笼具、水瓶集中洗刷消毒。

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3 饲养室内应具有的设施:换气扇;上下水,下水道不设明沟,下水口安装翻水弯,且加盖;安装纱门纱窗;饲养室的外通门口应设40cm高的防鼠挡板;室内设最高最低温、湿度计;每饲养单元(或每层楼)入口处门前设消毒池。

4 普通动物的饲养管理要求:

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(1)、 工作人员必须更换工作服、鞋、帽、口罩后方可进入饲养间,饲养各个品种动物的饲养员及物品不得随意窜动,以防止交叉感染。

(2)、每天定时观察室内温度,并作好记录。饲养室温度控制在18—29℃范围内。

(3)、生产繁育的动物饲养管理按其标准操作规程操作,实验中的动物饲养管理要按照实验要求、实验时间的长短、动物笼具的大小,每笼动物数量而定换窝、换水及饲喂次数。

(4)、保持室内环境清洁。工作人员操作完毕后,要清洁地面,整理物品,笼架每周用消毒液擦拭一次,用具每周清洗消毒一次,夏季打开门窗通风,冬季加强排风换气。

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(二)、 屏障系统

是指设有恒温、恒湿、除菌换气系统的相对密封环境,进入空气洁净度达10000级,室内保持正压,具有严格的微生物控制系统,可以饲养清洁级或SPF级动物。

1 人、物、动物按指定方向流程。

2 所用物品全部消毒灭菌。

3 清洁级或SPF级动物饲养要求: (1)每天定时记录温湿度,日夜有人值班。

(2)饲养过程严格执行标准操作规程。

(3) 饲养环境隔月做一次落下菌检查。

(4)动物每季度做一次质量监测。

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(三)、 隔离系统

指具有超高效过滤器的动物饲养隔离器,送入空气的洁净度达100级,进行最严格的微生物控制,使实验动物与外界生物环境完全隔离的装置,适用于饲养SPF动物、悉生动物及无菌动物。

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四、影响实验动物和动物实验的因素 (一)影响实验动物的因素
  • 主要是环境因素。
  • 环境是指生物体以外的客观事物,是生物赖以生存的外部条件。
  • 实验动物终生生活在饲养室内,是唯一能够人为控制环境的动物群体,可以说没有环境控制就没有实验动物。这就要求实验动物设施应原离居民区、工厂、家畜家禽养殖场,环境力求清洁安静,周围要有一定绿化面积,动物实验室与动物繁育室要分开。在实验动物的生命过程中经常受到各种因素制约。
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1 、 温度
  • 动物的最适温度范围为18—29℃,环境温度缓慢地变化,在一定范围内机体可以自行调节而适应,气温变化过大或过急时对动物的健康将产生不良影响,长时间的温度变化常常引起动物形态方面的变化。例如,在寒冷的地区生长的兔耳较短,在寒冷环境生长的大鼠尾巴比在温暖环境下生长的同胎大鼠短。实验证明,在不同温度下饲养的动物,由于代谢不同,即使在相同实验条件下结果差异也很大。
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2 、 湿度
  • 动物最适应的相对湿度在40—70%之间。空气相对湿度与动物机体热调节有密切关系,相对湿度高,微生物易繁殖,饲料和垫料易霉变,动物易患呼吸道疾病。

3 、 气流、气流速度及换气次数

  • 人类一般可感觉的气流速度为0.2—0.25m/s,而实验动物以0.13—0.18 m/s,为最佳。室内通风要柔和,不宜直吹,过堂风不利于动物正常生活。
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4 、噪声
  • 动物赖以生存的环境GB要求噪声应控制在60dB以下。噪声过大可引起动物紧张,使动物流产、产仔率下降,出现咬仔现象。还可能造成实验动物生理机能变化,如心率、呼吸频率和血压升高。有的动物易诱发癫痫病。

5 、照明

  • 光对动物的生殖功能有很大影响。一般采用明暗交替的方式照明,以渐暗渐明为最佳。GB要求昼夜明暗交替为14/10或12/12。
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6 、空气中的微生物、粉尘和有害气体
  • 饲养室空气中漂浮着颗粒物和有害气体,微生物多附着在颗粒物上,而这种空气污染途径有两条,其一为室外空气未经过滤处理,直接进入饲养室。其二为动物本身也产生许多污染物,如动物体表被毛、皮屑,动物的粪尿及饲料、垫料等材料的碎屑。
  • 饲养室中的主要有害气体有氨气、甲基硫醇、硫化氢等尤其是氨气,是一种刺激性气体,对呼吸道、眼、咽部粘膜均有刺激,浓度过高会导致支气管炎、肺炎。易合并细菌、支原体感染。GB要求氨浓度应小于14mg/m3。
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7 、笼具、垫料和饮用水
  • 笼具:选用无毒、耐腐蚀、耐高温、耐冲击的材料制造,使用时保持清洁无菌。
  • 垫料:使用无毒、无异味、无油脂、吸湿性强、粉尘少的材料,使用前消毒灭菌。
  • 饮用水:一级动物饮用符合城市饮用水标准的饮用水,清洁级以上的动物应饮用酸化灭菌水或高压灭菌水。
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(二)影响动物实验的因素
  • 生物因素对动物实验的影响
  • 遗传因素对动物实验的影响
  • 环境因素对动物实验的影响
  • 实验操作对动物实验的影响
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1 生物因素对动物实验的影响

(1) 在实验过程中同一笼内的动物之间相互争斗可影响到内分泌系统的功能。

(2) 实验动物饲养要有合理的密度,防止传染病的发生,影响实验结果。

(3) 不同品种、品系的动物分开饲养,防止交叉感染。

(4) 病原微生物对实验动物的影响。特别是动物潜在性感染,往往无临床体征和症状,在进行动物实验时容易激活一些潜在的病原体,引起发病,影响实验结果。

(5) 饲养人员和动物实验人员的素质直接影响动物实验结果。一定要爱护动物,善待动物,合理设计实验,严格按标准实验操作去做。

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2 遗传因素对动物实验的影响

不同种属的哺乳类动物,其生命过程有一定的共性,但在解剖、生理生化特征和各种反应上有个性。因此在做实验设计中就应选定动物品种、品系、年龄、雌雄比例、数量等因素。

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3 环境因素对动物实验的影响
  • 主要是温度、湿度、通风、光照、噪音、有害气体、笼具和垫料等。
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4 实验操作对动物实验的影响

(1) 动物实验要求按照实验室操作规范(GLP)和标准操作规程严格执行。

(2) 养成日常善待动物的习惯,熟练掌握、捉拿、固定、注射、给药、手术等技能,以减少对动物的不良刺激。

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五、动物实验技术

1、动物实验前的准备

  • 实验动物的抓取与固定
  • 编号:染色法,耳缘剪孔法,挂牌法,烙印法。
  • 被毛的去除:剪毛法,拔毛法,脱毛法。
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2、实验动物的麻醉
  • 全身麻醉:吸入法,腹腔和静脉给药麻醉法。
  • 局部麻醉:方法很多,有表面麻醉,浸润麻醉和阻断麻醉等,使用最多的是浸润麻醉。常用1%盐酸普鲁卡因。
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3、实验动物的给药途径和方法
  • 经口给药法:灌胃法,口服法。
  • 注射给药法:皮下注射,皮内注射,肌肉注射,腹腔注射,静脉注射。
  • 其它途径给药法:如呼吸道给药,皮肤给药,脑内给药,直肠给药,关节腔内给药。
  • 给药容量(参考)
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不同种类实验动物一次给药能耐受的最大容量(ml)不同种类实验动物一次给药能耐受的最大容量(ml)
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4、实验动物的采血和采尿
  • 采血:(1)小鼠和大鼠:剪尾采血,眼眶后静脉丛采血,股动脉采血,断头采血,心脏采血。(2)豚鼠:耳缘切口,背中足静脉,心脏采血。(3)兔:耳缘静脉,心脏采血。(4)犬:前肢内侧皮下头静脉和后肢外侧小隐静脉,颈静脉采血。(5)猴:毛细血管采血,静脉采血。(6)鸡:翼下静脉和心脏采血。(7)猪:耳静脉,颈静脉,锁骨下静脉采血。
  • 采尿:代谢笼法,导尿法,压迫膀胱法。
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5、实验动物的处死
  • 处死实验动物应遵循动物安乐死的基本原则,即尽可能缩短动物致死时间,尽量减少其疼痛痛苦。
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六、动物模型
  • 动物模型概述
  • 自发性疾病动物模型
  • 诱发性疾病动物模型
  • 免疫缺陷动物模型
  • 转基因动物
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1、动物模型概述
  • 医学研究常常使用动物模型作为临床和实验假说的试验基础,人类疾病的发生发展是十分复杂的,要深入探讨其机理及防治离不开动物实验,许多研究不可能也不允许在人体上施行,因而可以通过动物体复制出类似人类的 各种疾病及某些生命现象的研究,推论到人类,来探索人类的生命奥秘,控制人类疾病。
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2、自发性疾病动物模型
  • 定义:
  • 自发性疾病动物模型是指实验动物未经任何有意识的人工处置,在自然情况下所发生的疾病。
  • 常见:遗传性疾病(如白内障小鼠、糖尿病大鼠、青光眼兔等)和近交系自发性肿瘤
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对自发性疾病动物模型的评价
  • 很多人类疾病的病因和发病机制远未完全清楚,由于自发性疾病动物模型是动物未经人为因素处理而自然发生的疾病,因此,它与人类疾病有较好的相似性,是一类珍贵的动物模型。但是,这一类模型数量有限,有些模型实验应用较困难,而且有些疾病也不易发现,多数情况下这类动物模型保种和繁殖困难价格较贵。
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3、诱发性疾病动物模型
  • 定义:
  • 诱发性疾病动物模型是指以物理的、化学的、或生物的致病因素作用于动物,造成动物组织、器官或全身一定的损伤,出现某些类似人类疾病时的功能、代谢或形态结构方面的改变,以供研究用。
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常用诱发性疾病动物模型
  • (1)传染病:以人工方法在动物体复制传染病模型,是研究人类疾病的一个重要手段。即把传染病患者的临床材料或者是分离出来的病原,接种给实验动物,就可产生相应的疾病模型,它的好处是比自然感染更单纯一些,更便于操作和复制。
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(2)药物诱发性疾病动物模型
  • 药物诱发性疾病动物模型很多,仅以糖尿病模型为例。
  • 比如:四氧嘧啶是一种ß细胞毒剂,可选择性地损伤多种动物的胰岛ß细胞。
  • 比如:链佐霉素亦能选择性损伤胰岛ß细胞。它与四氧嘧啶不同的是链佐霉素引起的糖尿病高血糖反应及酮症均较温和,不被葡萄糖或肾上腺素阻断。
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(3)化学物质诱发性肿瘤模型
  • 物理、化学和生物因素均能诱发肿瘤,但人类肿瘤发病原因的80-90%认为是环境中的化学物质引起的,因此,诱发性疾病动物模型的研究集中在化学物质致癌上。
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对诱发性疾病动物模型的评价
  • 通常情况下,除传染病外,一般疾病很难在临床上获得大量的定性材料。而诱发性动物疾病模型不仅在群体数量上容易达到要求,且可通过投服一定剂量药物或移植一定数量肿瘤等方法,取得条件一致的、数量较大的模型材料。因此,利用动物疾病模型来间接研究人类疾病,可以克服某些疾病在研究中的困难,还可以克服人类疾病发展缓慢、潜伏期长,病因多样,经常伴有各种其他疾病等因素的干扰。
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4、免疫缺陷动物模型
  • 。严格讲也可归类于自发性或诱发性动物模型定义:免疫缺陷动物是指由于先天遗传突变或用人工方法造成免疫系统某种或多种成分缺陷的动物。
  • 应用:(1)T淋巴细胞缺陷动物模型。代表动物主要有裸小鼠、裸大鼠。饲养在SPF环境中,应用于生物医学的免疫学、肿瘤学和疾病发生机理的研究中。
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(2)B淋巴细胞缺陷动物模型
  • 代表动物主要是CBA/N小鼠,应用于研究B淋巴细胞的发生、功能与异质性。
  • (3)严重联合免疫缺陷小鼠(SCID小鼠):SCID小鼠是一种患SCID遗传病的小鼠,是自发性突变个体。应用于研究人类生理学、病理学、病毒学、免疫学和血液病学的研究,也可应用于药物筛选和疫苗效应与安全性的试验。应用前景十分可观。
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5、转基因动物
  • 定义:转基因动物是指用实验方法将外源基因稳定整合到动物基因组中,并稳定地遗传给下一代动物。
  • 应用:可以用来研究外源基因在整体动物中的表达调控规律,及有关疾病的病因、发病机理和治疗作用。还可以改变动物基因型使其更符合人类需要;用转基因动物生产人类所需要的生物活性物质。可以设想随着转基因动物的深入研究,必将促进生物医学科学的高速发展。
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结束语
  • 在广泛开展实验动物法制化管理的基础上,由技术上的严格要求转向人道主义的管理,提倡实验动物福利保护,严禁粗暴对待或虐待实验动物,选用恰当的实验动物进行规范化的动物实验,提高实验动物的利用率,从而减少使用动物数量;以单细胞生物、微生物或细胞、组织、器官甚至计算机模拟替代整体动物实验;或尽可能地改进实验程序,减少动物在实验过程中的痛苦与不安,这就是目前各国广泛提倡的“3R”原则,即减少(reduction)、替代(replacement)和优化(refinement)。