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被注定的命运:实验鼠怎样拯救人类

 

撰文 | Mindy(波士顿东北大学)
 
一提起生物实验,大家可能会立刻想到“小白鼠”,尤其是近年来朋友圈中与“转基因”相关的文章风靡一时,更是将小白鼠的“生物标签”深深地印入了大众脑海。在你的印象中它们可能是这样的:
但实际上在科研工作者手中, 它们是这样的 (朋友圈好友亲情提供) :
 
摄影 | 文哥
 
别小看它们或呆萌或沧桑的样子,实验鼠为研究人类疾病做出了不可磨灭的贡献,它们就像是一支浩浩荡荡的战斗队,扫除了一个个人类疾病史上的障碍,前赴后继、不知疲倦。
 
那么提起实验鼠,大家脑海中浮现出的是什么样的画面?
 
被囚禁的生活?
 
各种病毒的携带者?
 
影视作品中的生化武器?
 
NO! NO! NO! 请停止您脑中的想象,让我们首先通过问答方式,向大家介绍一下科研工作者与小鼠“相亲相爱”的真实生活。
 
Q1:实验鼠会不会咬人?咬了之后会不会得病?内心慌张惊恐怎么办?
 
一般在受到惊吓的情况下小鼠才会咬人。其中黑色小鼠比白色小鼠更加“凶残”一些。但是,只要你克服了心理恐惧,再加上正确的手法,小鼠轻轻松松get到手。
 
就算小鼠咬到你了,请不要担心,因为它们的居住环境比人类还要干净。通常科研工作者会将实验鼠饲养在专门的动物房中,会有专职人员“伺候”它们的吃喝拉撒。对于更娇贵的免疫缺陷的小鼠来说,它们会依据免疫系统的缺陷程度住在不同SPF (Specific-pathogen-free无特定病原体) 级的实验室中,除了不能到处跑,最终要献身科研外,简直生活得不要太幸福,连科研人员见它们一面,都要穿上层层的防护服,通过一道道除菌装置。 
 
被咬到之后,千万不要慌张,因为你除了疼和流血之外,不会受到其他损失。如果实在控制不住自己的惊恐情绪,也请千万不要把小鼠扔出去!因为它们的天性是贴着角落跑,如果你把它们扔出去,几乎没有再把它们抓回来的可能性了。从某种意义上说,有着这样一种逻辑关系:扔出去的小鼠=抓不住=样品丢失=实验失败=半年白做=毕业更加遥远=头秃+抑郁=危害身心健康!
 
Q2:科研工作者会不会解剖小鼠?会不会觉得自己很残忍、泯灭人性?
 
要分人而论。有的人喜欢解剖实验,比如我同桌的小伙伴——他就可以面不改色心不跳,甚至激动地完成解剖实验;有的人内心敏感、感情丰富,一开始很难下手,所以一定要在正式开始实验前做好心理准备。干净果断利落地下手,不仅可以保证实验的准确完成,更可以减轻小鼠的痛苦。越果断,越冷静,就可以越快越准确地完成实验。这不仅可以极大地减轻小鼠的生理痛苦,也可极大地减轻大部分实验者的心理痛苦。
 
我们要告诉自己:人类医学的进步不是空中楼阁,我们必定要付出一定的代价,如果说这些小鼠从出生就注定要作为实验动物,为什么不让它们发挥它们应有的价值呢? 正是由于这些实验鼠的奉献,我们才能不断推动科学的进步。当然,我也见过做灌胃实验时手抖得比小鼠还厉害的人,这个时候,就要求助周围的人帮助完成实验啦。
 
Q3. 小鼠的最终命运是什么?都会死吗?
 
是的。从出生开始,小鼠们就已经注定作为实验动物为科研贡献一生了。通常我们会选择颈椎脱臼的方法让它们安歇。在行刑之前,我们会用CO2使小鼠昏迷,然后进行断颈处理,以减少它们的痛苦。
 
Q4:这些实验鼠可以推动哪方面的科学进步呢?可以帮助人类研究什么疾病呢?
 
由于与人类基因有99%的相似性,小鼠可以被用于癌症、衰老、免疫、血液疾病、神经系统、感官疾病以及代谢性疾病的研究。也许你会觉得这些很抽象很难以理解,那么就让我借助“小鼠模型”来解释一下。
 
什么是小鼠模型?与人类和其他哺乳动物一样,小鼠也会患有免疫、内分泌、神经、心血管、骨骼和其他复杂生理系统方面的疾病,例如癌症、动脉粥样硬化、高血压、糖尿病、骨质疏松症和青光眼等。于是科研工作者就试图通过遗传技术对小鼠进行基因编辑,从而建立起患有“单一”疾病的小鼠以帮助人类进行疾病研究。这些患有“单一”疾病的小鼠,就是小鼠模型。
 
目前可用的小鼠模型不仅限于癌症方面,糖尿病、肥胖、失明、亨廷顿氏病(舞蹈症)和焦虑症方面都建立了相应的小鼠模型。现如今,美国的杰克逊实验室(Jackson Laboratory)已经向全世界分发了2700种实验鼠,而这些实验鼠所代表的疾病模型,正在帮助全世界的科学家进一步研究那些与人类息息相关的疾病。下面举几个例子:
 
唐氏综合征
 
唐氏综合征(Down Syndrome)又称21三体综合征,也是大家俗称的先天愚型。这是人类最常见的遗传缺陷之一,发病率为1/800~1/1000。大多数孕妇可从常规的产前筛查来了解胎儿是否受此病的影响。顾名思义,患者的21号染色体呈现三体现象,并且伴有发育迟缓,面部特征迥异,智力迟缓等。
 
为什么会出现这种现象?父母们有没有可能通过产前治疗的方法来帮助胎儿大脑的发育? 这条多余的染色体对患者的发育到底有何影响? 这些问题我们都可以通过唐氏综合症最新的病理模型——Ts65Dn小鼠模型进行探究。Ts65Dn小鼠模型模仿了21号染色体的三体性,并呈现出许多与患者类似的学习和生理缺陷,包括智力缺陷、体型小、肥胖、脑积水和胸腺缺陷。科研工作者正试图通过这些模型推动唐氏综合征治疗进展。
 
糖尿病
 
糖尿病也是困扰很多人的疾病之一,分为Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病两种。Ⅰ型糖尿病,也称为青少年糖尿病或胰岛素依赖型糖尿病(IDDM,Insulin Dependent Diabetes Mellitus),占糖尿病病例的10%。由于患者自身不能产生足够的胰岛素,所以需终生注射胰岛素。1980年, Makino(日本Shionogi公司)发现的非肥胖糖尿病(NOD,Non-obese Diabetic)小鼠模型可以帮助研究人员识别IDDM易感基因,以帮助人们更好的从环境角度预防此病的发生。除此之外, 由杰克逊实验室开发的 Cpefat, Lepob, Leprdb 和tub小鼠模型还可用于Ⅱ型糖尿病的研究。
 
Ⅱ型糖尿病,也称为非胰岛素依赖型糖尿病(NIDDM, noninsulin-dependent diabetes mellitus),是最常见的糖尿病形式。患者通常可以通过调节饮食和运动来预防,而其具体的致病机理、机体的调节机制、细胞内涉及的信号通路以及它引起其他并发症的原因等等的问题都可以通过这些小鼠模型进行研究。
 
青光眼
 
青光眼(Glaucoma)是困扰老年人的重要疾病之一,它通常会损伤视神经,造成永久性视力丧失,是导致美国居民失明的第二大主要原因。青光眼的DBA/2J小鼠模型表现出许多与人类青光眼相关的症状,可以帮助我们探究高眼压、眼部特征及组织学的变化过程。
 
除了这些小鼠模型外,还有研究囊性纤维化的Cftr基因敲除小鼠;研究与儿童癫痫病有关的swe小鼠;研究心脏病的Apoe基因敲除小鼠和C57BL/6J小鼠;研究卵巢癌的SWR和SWXJ小鼠模型等等。在科研工作者们努力攻克疾病的过程中,这些小鼠也在不断发光发热,协助人类治愈这些疾病。
 
Q5:做小鼠实验会不会很枯燥?
 
实验者全程都要以冷静的态度来对待,不能在做实验时嬉笑打闹聊天。有的小鼠实验确实比较残忍,比如眼眶取血等,这就更加要求我们下手稳准狠,以免意外事故的发生。当然有些突发状况确实无法避免,比如隔壁被灌肠的老鼠崩了你一头的老鼠屎,出于职业素养,你还是要做完实验才能洗头。
 
看到这里,不知道您是否对这些实验鼠们产生了疑问或者兴趣,毕竟它们与我们日常生活中看到的“耗子”没有明显差别。那么这些实验鼠和日常生活中的“家鼠”有何不同?为什么科研工作者要用小白鼠做实验?这些实验鼠是如何产生的?世界上所有的实验鼠用的都是同一种类的老鼠吗?这些实验鼠会不会也有“派系”之分?看下去,你会得到一个言简意赅的解释。
 
实验鼠的前世
 
此部分按照时间发展顺序介绍近交品系实验鼠的诞生
 
自从科学诞生,小鼠就成为实验研究中不可或缺的部分,更被广大的科研工作者称为“带尾巴的试管”。这不仅仅是因为它们易于繁殖、操作简便,更是因为人类和小鼠的基因有99%的相似性:将小鼠作为动物模型,可以更好地帮助人类攻克与自身相关的难题。现如今,实验鼠不仅是各种癌症疫苗研究的第一关卡,更是帮助广大科研工作者理解基因功能、发现疾病致病机制、测试药物功效及毒性的好伙伴。科研工作者们只需在线下单就可以订购其想要的任何实验鼠品系,当然这些实验鼠也是价格不菲。然而在这方便快捷与昂贵的背后,是100多年的探索发展历史。
 
小鼠从“害虫”变为“宠物”,最后成为“科学界生产要素”,经过了十分缓慢的转变历程。直到1900年孟德尔遗传定律(该定律正确解释了遗传信息如何进行传递,被视为遗传学的基石)的发现, 小鼠才改变了其在人类史上的地位。早在20世纪初,欧洲科学家培养了多种“实验鼠”,并试图通过高尔顿定律(人类试图解释遗传规律的尝试)解释这些实验鼠的品种特征,但始终没有成功。1900年孟德尔遗传定律重新发现之后,科学家们才解决了当时生产生活中遇到的多个棘手问题,如动物近亲繁殖导致的生育率下降、易感性增加的问题,同时开始在实验鼠身上验证孟德尔遗传定律的准确性。自此之后,科学界叩开了“实验鼠”的时代大门。
 
就基因构成而言,实验鼠在科学实验中有更大的优势。实验鼠是近交品系,本质上是彼此基因的克隆。近亲交配所带来的遗传特性可以使研究人员专注于某一具体特征,从环境中分离这个基因而忽视其他基因的影响。毫无疑问,实验鼠在这一方面的优势就使其成为了科学家的不二首选。
 
近交品系:是指经过至少连续20代的,完全由同胞兄弟姐妹交配或者亲代与子代交配而培育的,近交系数大于99%的动物品系。因此从同一近交品系得到的动物被认为是遗传上完全一致的。
 
最早的近交品系实验鼠(DBA鼠),可以追溯到19世纪初的哈佛大学。1907年,本科生伦斯·库克·利特尔(Clarence Cook Little)开始研究实验鼠的毛色遗传问题。两年后,他获得了一对雄性实验鼠,其中携带了淡色(dilution,d)、棕色(brown,b)和黑色(non-Agouti,a)三个隐性遗传基因。他将这对纯色实验鼠进行近交繁殖(兄/弟与姐/妹之间交配),得到了近20代实验鼠,并选择了其中最具活力的几只,创造了第一个近亲交配的实验鼠品系称为DBR。同时他敏锐的意识到,这些消除基因多样性的实验鼠将会极大的促进人们对癌症治疗的研究。利特尔并于1950年前后依据小鼠携带的三个隐性基因d (淡色)、b (棕色)、a(黑色),将小鼠改名为DBA。
 
与此同时,癌症生物学家哈尔西·巴格(Halsey J. Bagg)也对近交品系实验鼠产生了浓厚的兴趣。1913年,巴格从俄亥俄州的一家经销商那儿获得了一些白化病小鼠进行动物行为的实验。为了获得基因相似的样本,巴格将这群白化病小鼠作为一个单独的种群进行持续的近亲繁殖,很快他便发现,其中一些白化病实验鼠患了癌症,不仅如此,他还能预测到该群白化病小鼠的癌症发生率。这一点极大地吸引了当时正在研究癌症的科学家们的注意力。1921年,哥伦比亚大学的莱昂内尔·斯特朗(Leonell C. Strong)将巴格的白化病实验鼠与利特尔在冷泉港的白化病实验鼠杂交,随后选择最顽强的后代进行了一次又一次的交配,最终产生了高乳腺癌、高肺癌发生率的品系A实验鼠。之后,斯特朗将巴格的白化病实验鼠与DBA实验鼠做了一系列杂交,不断重复近亲繁殖的过程,最终从中得到了功能明确、界限分明的亚自交系: C3H、CBA、C、CHI和C12I。其中C3H得到了最为广泛的应用,并且被分成了许多界限更加分明、功能更加明确的亚品系——正如斯特朗在1978年所回忆的那样:“ C3H是现存最具癌性的小鼠,每只雌性在大约六个月大的时候都会患上乳腺癌。”
 
目前广为人知的黑色实验鼠C57品系也始于1921年的冷泉港。在此我们不得不提到一位喜欢培育奇特小鼠的农场主——阿比·拉斯洛普 (Abbie E. C. Lathrop)。我们目前使用的很多实验鼠品系都来自于她的农场。利特尔从拉斯洛普小姐那里获得了57号雌性小鼠与同窝的52号雄性小鼠,将其交配得到了毛色为棕色和黑色的后代,并最终得到了 C57BL和C57BR实验鼠品系。小白鼠BALB/c的产生也同样始于此地。一位名叫卡尔顿·麦克道威尔 (E. Carleton MacDowell) 的研究员从利特尔那里得到了C57品系的祖先的后代,并将这两株实验鼠不断地交配选择,最终得到了白血病发病率为90%的C58品系。他还将其与巴格的实验鼠进行交配,并在1932年左右将它们赠送给了免疫遗传学的奠基人乔治·斯内尔 (George Davis Snell)。斯内尔在实验记录中使用字母c来方便地表示这些白色的实验鼠,最后逐渐演变成为BALB/c。
 
于是,在第一对DBR诞生后的15年内,大部分用于癌症研究的鼠系已经建立起来,各品系的关系如下图所示:
图1. 实验鼠系的建立(http://www.informatics.jax.org/greenbook/figures/figure1-1.shtml)
 
1929年,利特尔在美国创立了著名的杰克逊实验室,向全世界的实验室提供实验鼠,自此开启了小鼠作为模式生物的科研之路。
 
 
实验鼠的今世
 
经过100多年的蓬勃发展,人类已建立了完备的实验鼠体系,并将其广泛应用于生物学以外的光学、工程学等多个研究领域,实验鼠成为绝大部分已发表文献使用的动物模型。表1基于已发表的文献总结了国内外实验小鼠的基本情况:
 
 
下面,我们向大家介绍实验室最常用的小鼠品系。
 
 
实验室常见的小黑鼠,被称做C57 black 6,简称Black 6,简写为B6。这种小鼠具有遗传稳定及易繁殖的优点,同时也是第一个于2002年在人类基因组之后被全基因组测序的品系。C57BL/6小鼠主要用于三个方面的研究:
 
第一,最常被用作体内研究的生理或病例模型。比如:Strickley JD等人使用C57BL/6和其他小鼠研究了小鼠对共乳头瘤病毒的免疫力;
 
第二,常用于构建转基因小鼠模型,例如:具有可激活绿色荧光蛋白的模型;
 
第三,被用作产生同时具有自发和诱发突变的同基因型的背景品系。
 
但必须注意的是,特定的亚系可能会带有遗传变异,所以在研究中要注意这些变异基因的引入。目前人们已经成功建立了C57BL/6的多个亚品系,大部分的亚品系去除了NNT基因编码的线粒体一个最重要的抗氧化酶:转氢酶,但不同亚品系间存在着重要的遗传差异,因此,仔细选择小鼠品系是实验成功的第一步。
 
 
实验室常见的小白鼠,是白化病免疫缺陷的近交品系小鼠,具有易繁殖,雌雄体重差异小的特点。BALB/c更常用于杂交瘤 (一种杂交细胞系 ,既具有癌细胞易于在体外无限增殖的特性,又具有抗体形成细胞的合成和分泌特异性 抗体的特点) 和单克隆抗体 (单一B细胞 克隆产生的高度均一、仅针对某一特定抗原表位的抗体)的生产,同时在癌症研究中也有着广泛的应用。值得注意的是,尽管BALB/c小鼠的乳腺肿瘤发生率很低,但是它们对致癌物非常敏感,并且可以发展为肺肿瘤、网状肿瘤、肾肿瘤和其他癌症等。
CD-1小鼠是另一种常用的白化病小鼠模型,是由瑞士洛桑抗癌中心开发的一组瑞士杂交小鼠。与前面例举的两种小鼠不同:C57BL/6和BALB/c小鼠是确立了遗传纯合率的近交品系,而CD-1小鼠是远亲杂交群(近交小鼠被称为品系,而杂交小鼠被称为群),常用于遗传学、毒理学、药理学和衰老研究。
 
 
CB17 SCID小鼠(SCID指的是重症联合免疫缺陷)是有自发重症联合免疫缺陷突变的白化品系。该突变妨碍了T和B细胞的发育和成熟。但是SCID小鼠有正常的NK细胞、巨噬细胞和粒细胞,这使得它们的外观和正常小鼠一样。由于有重症联合免疫缺陷变异,给SCID小鼠移植人的肿瘤有非常高的成功率(甚至比裸鼠还高),这使它们成为一种很有价值的免疫缺陷动物模型,用于测试新的癌症疗法,以及作为人免疫系统组织的宿主。
 
 
到这里,不知道大家是否对实验鼠这个陌生但为人类疾病做出巨大贡献的群体有了一个大概的了解。让我们再次对那些已经逝去和即将逝去的实验鼠们,致以崇高的敬意。
 
(本文所有数据均来自相关文献资料,实验室具体情况由作者对多个实验人员进行采访而来,无虚构描写)
 
参考文献
 
Part2: http://www.informatics.jax.org/greenbook/frames/frame8.shtml
 
Part3: https://www.labome.com/method/Laboratory-Mice-and-Rats.html#ref29
 
Q3: https://www.genome.gov/10005834/background-on-mouse-as-a-model-organism
 
作者(自我)介绍
 
Mindy同学,波屯求学的生物狗一只。
 
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