第一章 基础知识
第一节 实验动物的概念及动物福利
一、实验动物
实验动物（laboratory animals）是指经人工饲养，对其携带的微生物实行控制，遗传背景明确或者来源清楚的，用于科学研究、教学、生产，检定及科学实验的动物。敏感性较强，重复性好及一致的反应性。追溯其祖先，来源于野生动物、家畜家禽或观赏动物，但却不同于这些动物，它具有自己的特点：一是必须经过人工培育，遗传背景清楚。二是对其微生物及寄生虫实行人工控制。三是它的昀终用途为科学实验，为人类的健康服务。
二、实验用动物
实验用动物（animal for research）是指一切用于科学实验的动物，包括野生动物、经济动物、观赏动物和实验动物。实验用动物和实验动物尽管都起源于野生动物，然而两者的概念却不尽相同。区别实验动物与实验用动物，不仅具有实践意义，而且具有理论价值。科学家在全世界范围内进行一切科学实践活动，首先要求不同专业的科学工作者，在各自不同时间、地点所进行的科学实验，彼此能有可比性，可重复性和科学性。因此，要求他们必须应用同一品系的实验动物进行科学实验，这样才有可能在无差异的情况下获得相同的实验结果。也就是说，希望采用同品系动物进行实验时，能获得如同采用“化学纯”试剂进行化学实验那样所达到的精确实验结果一样，才有可能使用同类的动物实验获得可比性或可重复性。为此，必须从遗传学、微生物学、营养和环境生态学上对实验动物进行严格控制。用于一般实验的野生动物、经济学动物和观赏动物，通常来源于自然环境之中，没有严格的人工控制，这些动物种群之间有较大的个体差异和群体差异。采用这样的动物进行实验，很难有可比性、可重复性，也就谈不上科学性。
三、实验动物科学
实验动物科学（laboratory animal science）是一门新兴学科，是研究实验动物和动物实验的科学。前者是指在一定的条件下人工饲养繁殖，具有一定的生物学特性，用于科学研究的动物。动物实验是用标准的实验动物代替人进行科学实验，研究其生命过程的组织形态、机能反应的变化，并在天然的动物疾病模型及人工制作的疾病模型中观察疾病发生发展的规律，研究各种化学、物理等因素的作用，以满足人类对医学、生物学科学领域的研究需要。
四、动物福利
（一）动物福利的概念
实验动物福利的实质是保障其在实验的过程中不受虐待，并得到合理的照料。一些发达国家如美国、英国、日本等都颁布了有关动物福利的条例及法规，以确保动物在实验过程中享有合理的待遇。其基本内容如下：
1.条例中涉及的动物包括非人灵长类、犬、猫、豚鼠、仓鼠、大鼠、小鼠、家兔、水生哺乳动物或其他温血动物。
2.动物经销商和使用者必须持有生产或使用许可证；实验时必须有合格的生物学家、行为学家、医学家亲自或在其临场监督下执行。
3.动物饲养设施、笼具、卫生、喂饲、管理和护理应由符合资格的人员负责；动物的房舍、饲料、垫料、运输方式必须符合有关规定要求。
4.必须确保动物在麻醉、镇痛和镇静剂的作用下进行实验，不使其遭受不必要的伤害或痛苦，麻醉剂的种类和剂量必须被专管兽医师认可。
5.需要处死的动物须用人道的方法实施，并在确认其死亡后，方可焚化处理。
6.有关监督机构应定期进行检查，对违反动物福利条例的单位或者个人将给予处罚。
（二）动物实验中提倡的“3Rs”概念
近年来越来越多的人提倡“3Rs”原则，这一概念是由英国动物学家 William M.S.Rusell和微生物学家 Rex L.Burch在1959年出版的《人道实验技术原则》中提出的，即减少（reduction）、代替（replacement）和优化（refinement）。
1.减少 是指如果某一研究方案中必须使用实验动物，同时又没有可靠替代选择方法，则应考虑把使用动物的数量降低到实现科研目的的所需的昀小量。在保证科研实验的高质量和可达到正确的实验结果的前提下，减少动物的使用量，使遭受疼痛和不安的动物数量减至昀少，避免动物、药品和实验用品等资源的无谓浪费。途径如下：
（1）尽量使动物一体多用：在大的医学教学、科研机构中运用协调机制，使不同的学科、不同的科研课题以及不同的人员尽可能做到动物的一体多用。比如，不同的病理标本的采取、在死亡的动物尸体身上进行外科手术的实习等。
（2）用低等的动物替代高等动物：有些实验，比如肿瘤的研究，尽量采用无脊椎动物（鱼类）来完成，减少高等级动物的使用数量。
（3）尽量使用高质量的动物：高质量的动物是指遗传背景资料清晰、微生物控制水平高的动物。使用遗传背景一致的动物，如同胎动物，可减少动物使用数量。微生物控制级别高的动物，如SPF动物，也可减少动物的用量，动物实验中提倡以质量代替数量，反对以数量代替质量。在统计学上用大量的低等级的动物来讨论实验结果，它的结论是一场数字游戏。
（4）优化实验设计和统计学方法：高质量的实验设计和统计学方法是实验成功的前提，同时还可以减少动物的使用数量，比如使用拉丁方设计等交叉分析，的确能减少动物的使用数量，而且得到同样实验结果的目的。如毒性测定方法，从开始的Draige实验到经典的LD50，就是使用了恰当的统计学方法减少动物的范例。
2.代替 是指在不使用活的脊椎动物进行实验和其他科学研究的条件下，采用一些替代的方法，达到某一确定的研究目的。事实证明，单用计算机演算而不使用动物或其组织器官来验证，目前尚处在初始阶段。多数学者认为“代替”是对动物实验方法的补充。它有助于减少动物的使用数量和改进以后的研究工作，但不可能完全取代整体动物实验。如毒理学研究和危险性评价实验中采用的细胞培养物为例，尽管它具有不同类型的细胞和来自特定组织的细胞研究靶器官特性的优点，但它不能像整体动物模型那样作为完整的生物系统，用于评价不同途径（如呼吸、进食、皮肤接触）和长期染毒的后果，以及用来预测某些毒性作用的可逆性等。
常用的代替研究有两种：相对代替和绝对代替，前者指应用体外培养的脊椎动物细胞、组织或器官等，用有生命的物体代替动物进行研究，后者是完全不使用动物，用物理化学方法及计算机模拟系统来代替动物进行研究。
（1）相对代替
1）用系统发育低级的无脊椎动物代替哺乳动物如用海洋中无脊椎动物（热带鱼类）进行神经系统的生理学研究、肿瘤学研究以及致畸实验等；用果蝇等低级动物进行遗传学研究；著名的Ames实验就是用鼠的伤寒沙门氏菌培养物来测定化学药物的致畸与致癌性。
2）用离体培养的器官、组织、细胞培养物及提取物、组织切片、细胞悬液和灌注器官以及细胞亚群等代替动物进行单克隆抗体的生产、病毒疫苗制备、效力及安全实验、药物细胞毒（CPE）、细胞膜研究等，特别是各种人类细胞的广泛应用，不仅是动物的良好替代，而且极大地缓解了物种外推的困难。
（2）绝对代替
1）用物理学或机械学方法模拟动物，甚至高等动物，如心肺复活示教在基础医学中的应用。
2）用化学方法模拟动物，如采用免疫化学方法，用结合力很高的抗体来搜寻抗原，鉴定毒素的存在，代替小鼠的接种实验。
3）用计算机来模拟动物模型，如定量的结构-活性关系模型、计算机制图应用、生物医学过程模拟等，把复杂的生物学现象分解为很多互相关联的数学公式，然后再输入待检信息或其他信息，观察所引起的反应，加以翻译。这种方法刚刚起步，韩国和日本开展的很多，相信随着计算机技术的不断发展，部分代替或者整体代替动物的动物模型的目标一定会实现。
3.优化 是指通过提高实验动物质量、改善动物设施、饲养管理和实验条件，优化实验设计方案、提高实验操作技术，减少实验过程中对动物机体的损伤、减轻动物遭受的痛苦和应激反应，使动物实验得到精确的结果。
1）提高实验动物质量。动物质量直接影响实验的结果，微生物和遗传控制级别高的动物一方面对受试因子具有高度的敏感性，另一方面由于遗传的因素具有反应的一致性，保证了实验结果的可靠性。
2）改善动物实验设施条件，提高动物实验质量。实验动物的级别必须和动物实验设施的级别相匹配，否则就可以定义为浪费行为。有些人认为只要动物具有正常的生理状态，在哪里做实验都是它的正常条件，但是，大量的研究证据表明，环境因素的改变、动物与实验设施的不匹配行为都可以导致动物的神经内分泌系统、免疫系统和行为生理学方面的异常，用这类动物做实验很可能得不到可靠的结论。
3）改善控制技术，减少对机体的干扰。在实验过程中首先要控制动物的疼痛反应，使用合适剂量的麻醉剂、镇痛剂或者镇静剂是必要的，否则不但有虐待动物的嫌疑，而且将对动物机体产生影响，进而影响实验结果。另外，在实验观察的过程中。尽量为动物创造舒适的生活环境，注意饲养密度、动物之间的咬斗而引起的应激反应或伤害，以及由交叉传染引起的疾病等，这些都会造成动物的痛苦以及行为生理的异常改变，混淆或干扰对实验处理的反应。
4）提高动物实验操作技术。动物的抓取固定和实验操作水平也是影响动物福利和动物演出型的重要因素。按常规、正确而熟练的抓取和固定动物，动物就不会剧烈反应，并可被训练调教在特定情况下接受各种不同的实验处理，而突然地强迫它们接受这些处理时，它就会受到强烈的应激与痛苦，甚至引起动物窒息和尾部脱落（如大、小鼠）等，进而导致免疫系统功能抑制和一系列不真实的实验结果。善待动物是动物实验中花费昀小、昀易获得、也是昀安全有效的手段。实验过程中动物的安定平稳对实验结果能产生巨大影响。
5）充分利用信息技术，利用已有的信息，优化动物的使用。信息和数据的大量检索，在动物实验开始前是必要的，对优化动物的使用很有帮助。比如，杀虫剂在上市前必须经过动物实验来验证其毒性，其中的某种化合物对小鼠和大鼠来说是十分敏感的，因此以后就没有必要再用犬来进行实验。
我国的动物实验研究中已有的某些方法或手段，或多或少都含有3RS和动物福利的内容。随着更多的科技工作者对3RS和动物福利与科学研究之间的关系重要性的不断认识，必将进一步开拓人们的科学研究思路，为推动我国生物医学研究的科学化起到独特的作用。
第二节 实验动物的分类和遗传质量控制
一、实验动物的遗传学分类
在化学实验中，要准备很多不同种类和不同纯度的试剂，按其含有杂质的多少可分为普遍的、实验室的、化学纯的、分析纯的等不同纯度的试剂，分别用于不同目的和要求的试验。在物理实验中，亦同样要制造出精密度各不相同的各种测定仪器、电子计算机等，促使物理学试验达到更加精确、迅速和完整的地步。实验动物被称为“活的试剂”的“活的测定器”。在动物实验时，就需要有纯度高的、敏感性强的，适合各种实验目的要求的健康的品系动物。目前，按遗传学控制方法，根据基因纯合的程度，把实验动物分类为：近交系、突变系、杂交群、封闭群四类，其规定要求各不相同，而杂种（mongrel）是未经遗传学控制而进行无计划交配繁殖的动物，故不属于本分类范围。
（一）品系的概念
在实验动物中，不同品种的动物，选择其某一生物学特性，经过一定的繁殖方式和培育，使某一特性得到强化，以后可稳定地遗传下来，就成为一个品系。品系是实验动物分类的基本单位。作为一个品系，应具备下列条件：
1.外貌特征相似 如毛色、头形、耳形、尾长等外貌特征。例如C57BL/6品系小鼠的毛色是黑色的。当然，外貌特征相似的不同品系的动物，它们的其他条件是不同的。
2.独特的生物学特性 此条件是一个品系存在的基础。例如G3H小鼠乳腺癌发病率达99～100%。AKR小鼠白血病发病率在95%以上。
3.稳定的遗传性能 一个品系，不仅要有相似的外貌特征，独特的生物学特性，更重要的是要有稳定的遗传性能，既在品系的自群繁殖时，能将其特性稳定地传给后代
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