專家談“冠” | 與子同袍，豈曰無模式動物！
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與子同袍，豈曰無模式動物！
--寫于全國抗擊新冠病毒疫情之際
文 | 蘇州大學劍橋蘇大基因組資源中心 潘德京
生命，千姿百態(tài)，但組成物質相通，這是借助模式動物進行科學研究的物質基礎。生命，種類繁多，卻都具有相同的生物化學過程、類似或趨同的生理學系統(tǒng)，所以我們借助模式動物，探尋生命的原初奧秘和微觀機制、解析生命的宏觀個體生理表型。
什么是模式動物？在生命科學、人類醫(yī)藥和健康研究領域，某些特定研究，無法在人、珍稀動物、大型動物、難操作動物上進行，需要采用取材容易、操作簡便的另一類動物來代替，這類動物被稱為實驗動物。為保證實驗更科學、準確和重復性好，把待研究的遺傳、生理或病理特征，標準化地呈現(xiàn)在相對合適的實驗動物身上，這時，該類實驗動物就被稱為模式動物。比如，海膽等低等動物模型奠定了發(fā)育生物學；果蠅模型推動了遺傳學和發(fā)育生物學的進展；小鼠是全面解析人類基因組功能的主力軍；而獼猴等非人靈長類，則是醫(yī)學和生物學研究動物模型中的明珠。
在當下對抗新冠病毒肺炎的前線，模式動物也當仁不讓！
雪貂，是抗病毒研究的老兵，病毒感染后表現(xiàn)出與人類似的臨床癥狀，如體溫升高、打噴嚏、淋巴細胞計數(shù)增加、呼吸道損傷和肺泡水腫，有助于研究發(fā)病機制和評估疫苗。中國農(nóng)業(yè)科學院哈爾濱獸醫(yī)研究所、長春軍事獸醫(yī)研究所、中科院系統(tǒng)、廈門大學、上海藥明康德、蘇州昭衍等均陸續(xù)開展新冠肺炎雪貂動物模型工作。
小鼠，作為模式動物排頭兵，更是主力。2020年2月28日，北京協(xié)和醫(yī)學院秦川及中國疾控中心武桂珍公布了感染新冠病毒的人源ACE2轉基因小鼠，觀察到了體重減輕和肺中的病毒復制。病理學檢測顯示發(fā)現(xiàn)被感染的轉基因小鼠典型的組織病理特征是間質性肺炎，肺部多處觀察到病毒抗原以及免疫細胞的浸潤聚集。其他人源ACE2轉基因小鼠資源，比如源自美國愛荷華大學的Stanley Perlman教授和北卡大學的Ralph Baric教授，也都在全球科學家中迅速分享，共抗疫情。
非人靈長類實驗動物，在進化上與人類的親緣關系最近的兄弟物種，更是不離不棄。中國科學院院士周琪2020年2月15號介紹:“目前，在靈長類動物模型里已經(jīng)看到了跟人相似的癥狀包括病毒載量的變化，包括肺部的CT影像檢驗，這批模型已經(jīng)通過驗證，即將投入到藥物的篩選和功能評價上?！?，說明在抗擊新冠肺炎病毒的領域，我國已進入非人靈長類動物模型的試驗研究階段。
在構建模式動物時，研究者通過宏觀和微觀兩個層面，實現(xiàn)可自由“時空調控”精準研究。通俗地說，在指定的時間、特定的細胞組織部位呈現(xiàn)出所需要的模擬狀態(tài)，實現(xiàn)更精準的研究，同時更好地保護動物福利。
宏觀層面，往往為大家熟悉理解。常見的是采用模擬病理生理的外在條件來刺激形成動物模型，諸如從簡單的高脂飲食誘導肥胖、四氯化碳誘導肝硬化、到懸掛模擬失重狀態(tài)下的骨質疏松等等。
微觀層面，則是借助生命科學最核心的中心法則：遺傳信息的三個層次流向DNA<->RNA->蛋白質，類似于工業(yè)生產(chǎn)中的圖紙-生產(chǎn)線-產(chǎn)品。研究者通過對這三個層面的控制，完美地展示“時空調控”的精妙，實現(xiàn)基因定點定時的“時空開關”、“調整產(chǎn)能”和“售后與升級”。1）在DNA層面編輯，就好比修改圖紙。從傳統(tǒng)的化學誘導突變，同源重組，再到核酸酶系統(tǒng)（Meganuclease、ZFNs、TALEN和CRISPR / Cas9）。以小鼠為例，研究者實現(xiàn)了比如在小鼠近25億堿基對的基因組DNA中，精準改造單個堿基。好比在兩噸重約80袋大米中找到一粒米。此外，通過特定的基因改造，可以實現(xiàn)在外界溫度、藥物等條件誘導時，在特定的細胞組織器官，實現(xiàn)“時空開關”！比如只在某個年齡、某一種類神經(jīng)細胞或某一內臟中特異性的敲除一段基因（改寫遺傳圖紙）；2）再在RNA層面編輯，好比這幾年關停鋼材水泥生產(chǎn)線，淘汰過剩產(chǎn)能。從RNA干擾到最新出現(xiàn)的RNA編輯，可以在“時空開關”的基礎上實現(xiàn)“產(chǎn)能大小”的調控；3）最后在蛋白質層面編輯，好比產(chǎn)品售后服務。通過引入特定的氨基酸序列，然后通過外界刺激誘導，致使蛋白質降解或者修飾各類化學基團以調整功能，實現(xiàn)更加精密的微調控。好比完善的產(chǎn)品“售后與升級服務”，或回收老舊、或精細加工、或升級換代。
動物疾病模型，是聯(lián)結基礎到臨床的橋梁。新藥獲批上人體臨床研究之前，須通過實驗動物進行安全性評價，排除藥物嚴重的毒副作用，包括致癌、致畸、致毒、致突變等之后，方能應用于人體。模式動物主要有同源、同構和預測三種類型。同源動物和患有相同疾病的人類有相同的病因、癥狀和治療選擇；同構動物只有相同的癥狀和治療方法；預測模型僅在幾個方面與特定的人類疾病相似。主要應用在科研和醫(yī)藥開發(fā)兩大領域！在基礎科學研究中，基本涵蓋生命科學的所有領域，不再一一敘述；在醫(yī)藥開發(fā)上，集中體現(xiàn)在各類藥物藥效與治療手段評價。
除了小鼠、大鼠這類廣為公眾所知的模式動物外，我們依舊不能忘記默默奉獻的模式動物方隊中的其它成員。不能全述，僅依照進化順序，挑選一些業(yè)內較推崇的分別介紹如下：
果蠅：堪稱經(jīng)典，為證實孟德爾定律和基因連鎖交換定律立下大功。是1933、1946、1955和2017年諾貝爾獎的基礎模式動物基礎！
線蟲： 全身透明，易于觀察，是研究細胞分裂、分化、死亡等的好材料。人體有數(shù)十兆的體細胞，而線蟲僅有一千多個體細胞，可以精準定點觀察研究。
文昌魚：不起眼，但它是從低級無脊椎動物進化到高等脊椎動物的中間過渡的動物，也是脊椎動物祖先的模型，是系統(tǒng)生物學家的至愛。
斑馬魚：如同果蠅一樣經(jīng)典。與人類基因的相似度達到87%，可用于神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等研究，以及對小分子化合物大規(guī)模新藥篩選。胚胎透明，易觀察藥物對器官影響。一次產(chǎn)卵200枚，胚胎24小時成形，方便同一代魚的研究。
非洲爪蟾：是胚胎學研究中的重器。它可以常年產(chǎn)卵，取卵方便，卵子和胚胎個體較大，很方便進行實驗胚胎學研究，如顯微注射、胚胎切割和移植等。
雞：與爪蟾和斑馬魚相比，雞的胚胎發(fā)育過程與哺乳動物更為接近，且在體外發(fā)育，相對于哺乳動物更容易進行試驗研究。
家兔：廣為人知的抗體，許多來自家兔，用以制備高效價和特異性強的免疫血清。
豚鼠：對多種病菌和病毒敏感，血清中有大量補體，可用于免疫學實驗；自身無法合成維生素C，對維生素C缺乏敏感，特別適合壞血病研究。
犬：在生理學和解剖學上的特點與一般哺乳動物比較更接近于人，被廣泛用于生理、電生理、病理、藥理、遺傳、營養(yǎng)等方面的研究。
非人靈長類：生物學特性與人類極其相似，是其它動物無法相比的，特別是艾滋病、衰老、精神病類如自閉癥等研究的首選模型，是醫(yī)學和生物學研究最重要的動物模型，廣泛應用于各類生命科學研究。
減少 (Reduction)、優(yōu)化 (Refinement) 和替代 (Replacement) 是我們善待模式動物這些好戰(zhàn)友的基本原則，通常稱為3R原則。
最近在抗擊新冠疫情過程中，媒體廣為流傳的“豈曰無衣？與子同裳”源自《詩經(jīng)·秦風·無衣》，其首句為“豈曰無衣，與子同袍”，嗣后，“同袍”便引申為戰(zhàn)友?？蒲腥藛T是人類探索新世界的先鋒隊員，孤獨寂寞。模式動物與他們一路相隨，并肩作戰(zhàn)，是科研人員的好戰(zhàn)友，好伙伴！
為了善待模式動物這位戰(zhàn)友，國內外制定了一系列法律和標準，確保動物福利！發(fā)達國家普遍制定了動物保護的相關法律。最為突出的是瑞士，在憲法中明確保護所有生命體的尊嚴。在專業(yè)操作層面，有國際實驗動物評估和認可委員會（Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care，簡稱AAALAC），從實驗動物中心和研究實驗室，從硬件到軟件，從人員培訓到管理、監(jiān)督體制，確保人道、科學地對待動物。美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和歐共體強力推薦在有AAALAC認證的實驗室開展的動物實驗。全球各大醫(yī)藥公司都聯(lián)合承諾只采用AAALAC認證的動物實驗。我國也有專業(yè)委員會關注動物福利和標準化操作，如中國實驗動物學會實驗動物福利委員會、全國實驗動物標準委員會委員和中國實驗動物學會CRO 實驗動物管理工作委員會。而近日2月25日全國人大常委會通過關于全面禁止非法野生動物交易、革除濫食野生動物陋習等決定，暨為保障人民群眾生命健康安全，也是對野生動物保護法的補充。
在科研工作中，保護集中體現(xiàn)在執(zhí)行3R原則：減少（Reduction）、優(yōu)化（Refinement）和替代（Replacement），學界統(tǒng)稱為3R。“減少”指減少數(shù)量，“優(yōu)化”指減少動物的痛苦，“替代”指不用活體動物，以單細胞生物、微生物或細胞與擬器官甚至電腦模擬來加以替代。
科學“愛吾師更愛真理”，質疑證偽，迭代前行！科學恪守邊界、心懷敬惜，敬而不畏，珍惜當下! 科學尊重規(guī)律，呵護自然和生命！人類使用實驗動物研究不僅僅是為了人類服務，而是因為人類是目前這個藍色星球上認知能力最高的物種，通過研究認識生命的基本原理，知道“我是誰”、“從哪里來”、“到哪里去”，唯如此，人類才能成為所有生命的“諾亞方舟”，呵護和推動所有生命體的演化和可持續(xù)發(fā)展！科研人員從未忘記“魂歸自然，功留天地”的模式動物戰(zhàn)友！每年的4月24日--“世界實驗動物日”，是1979年由英國反活體解剖協(xié)會（NAVS）發(fā)起的重要的實驗動物保護節(jié)日，呼吁人類減少和停止不必須的動物實驗。其前后一周則被稱為“實驗動物周”，旨在倡導科學、人道地開展動物實驗，嚴格遵守3R原則，積極宣傳使用動物實驗的替代辦法，最終完全取消動物實驗。
（以上圖片來自互聯(lián)網(wǎng)）
參考資料
1.劉民編，醫(yī)學實驗動物學,安徽大學出版社，2012.05，第121頁
2.Bao, L., et al.www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.07.939389v3
3. 中國實驗動物信息網(wǎng)
作者簡介
潘德京，博士/副研究員。中山大學生物化學學士碩士、瑞士巴塞爾大學生物醫(yī)學博士、2012-15年擔任南京大學模式動物研究所副所長，2015年至今擔任蘇州大學 劍橋-蘇大基因組資源中心副主任。長期從事與小鼠模式動物相關的管理工作和交叉學科研究。相關工作發(fā)表在Blood, J Biol Chem，Protein & Cell，Sensors & Actuators: B. Chemical，Micromachines。
注：本文轉載自蘇州大學醫(yī)藥部。
