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国际实验动物资源发展现状

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2023/11/13 13:32:39

美国是生命科学技术发达的国家,实验动物资源在其中发挥了重要的支撑作用。近50年来,美国国立卫生研究院(NIH)通过其下属的美国国家研究资源中心(NCRR)对实验动物资源、设施等进行了大规模的建设,形成了齐全的从昆虫、水生生物、啮齿类到非人灵长类等实验动物资源体系。在美国有1300个有关实验动物工作的生产与研究单位。实验动物工作已形成为一个专业化、规格化、商品化和社会化的科研和经济体系。

NCRR是NIH下属的一个非营利机构,以项目资助的方式管理美国研究资源。美国NIH和其名下的比较医学部或实验动物中心多没有隶属关系,只是要从NIH获取资助就要服从NIH的管理。NCRR有个比较医学部(DCM),负责资助个人或研究机构以促进这些资源单位为生物医学研究提供高质量、无疾病的健康动物或特殊动物。NCRR经过50年的发展,资助开发了200种26000个品系的实验动物资源,包括:啮齿类动物、非人灵长类动物、脊椎动物、鱼类动物、生物材料及相关生物信息等。2011年,由于美国经济不景气,NCRR光荣地完成历史使命,被国家转化科学促进中心(NCATS)替代。

相对于欧洲而言,美国实验动物使用情况并不透明。有人估计美国每年实验动物使用量在2000万只以上。美国《动物福利法》和《实验动物福利法》要求美国农业部定期检查实验用猫、狗和非人类灵长类动物的使用情况(不包括啮齿类动物、鱼类和鸟类)。美国动物福利组织(PETA)在2014年的调查发现NIH资助的25个主要机构,实验动物用量在过去15年间增加了73%,这主要是小鼠、大鼠的使用量。

(1)啮齿类实验动物资源

啮齿类实验动物包括小鼠、大鼠、地鼠、豚鼠、仓鼠等,是常用的实验动物,占总数的90%以上。啮齿类实验动物在生命科学和医药研究中发挥核心作用,可以转化为人类疾病的治疗方法。特别是小鼠,与人类遗传基因上许多共同之处,常用于开发、生理、行为、疾病和基因工程技术等方面研究。基于啮齿类动物模型,科学家们发现了许多重要的生物医学成果,推动了人类健康发展。下表列举了美国啮齿类实验动物资源中心(表1)。

1 美国啮齿类实验动物资源中心一览表

资源单位

承担机构

资源种类

突变小鼠资源中心(Mutant Mouse Regional Resource Centers)

包括杰克逊实验室、密苏里大学、加利福尼亚大学、北卡罗来纳大学等。是一个信息库,多个不同国家的中心的整合信息

32776个小鼠品系,包括活体小鼠3856个,ES细胞系28920个

诱发突变小鼠资源(Induced Mutant Resource)

杰克逊实验

304种化学诱变小鼠品系

国家无菌啮齿类动物资源中心(National Gnotobiotic Rodent Resource Center)

北卡罗来纳大学

无菌、悉生、SPF小鼠、大鼠、斑马鱼等20 多种。小鼠品系包括129S6/SvEv、BALB/C、C57BL/6J、Swiss、CD和部分转基因动物

鹿鼠遗传资源中心(Peromyscus Genetic Stock Center

南卡罗莱纳大学

10种野生型鹿鼠和20 种突变型鹿鼠。用于生态学、遗传学、生物进化、疾病和行为学研究

特殊小鼠品系资源(Special Mouse Strains Resource)

杰克逊实验室

249个特殊品系,包括重组近交系(199)和染色体置换系(50)

大鼠资源研究中心(Rat Resource and Research Center

包括密苏里大学、密歇根大学和德克萨斯大学等

300多种大鼠品系

Cre条件敲除品系资源

杰克逊实验室

Cre品系,Cre reporter品系,loxPflanked(floxed)品系

(2)非人灵长类实验动物资源

非人灵长类动物是生物医学研究中常用实验动物。美国NIH 资助开发非人灵长类动物(NHP)人类疾病模型,提供基础设施和专业知识,并促进NHP在生物医学研究各个领域应用以及提高动物福利等。美国有8个非人灵长类实验动物中心,还有若干实验基地(表2),其NHP资源。

2 美国非人灵长类实验动物资源中心一览表

资源单位

承担机构

资源种类

研究领域

加利福尼亚国家灵长类研究中心(California National Primate Research Center

加利福尼亚大学

5300只恒河猴和56只南美伶猴

传染病、生殖和发育、神经疾病、肺疾病、、认知行为等

新英格兰国家灵长类研究中心(New England National Primate Research Center,注:已关闭)

哈佛大学医学院

9种1700多只猴,包括1000多只恒河猴,其他旧大陆猴,及新大陆猴,包括狨猴、松鼠猴、绢毛猴

艾滋病、癌症、药物成瘾、精神疾病、神经退行性疾病等

俄勒冈国家灵长类研究中心(Oregon National Primate Research Center

俄勒冈州大学

3800只恒河猴,335只日本雪猴,10只长尾黑颚猴,9只狒狒和85只食蟹猴

生殖和发育学、神经科学、病理学和免疫学、代谢性疾病、干细胞治疗、衰老等研究

西南国家灵长类研究中心(Southwest National Primate Research Center)

西南大学

3200只猴,包括1600只狒狒,其他为SPF恒河猴、狨猴和绢毛猴。还有160只黑猩猩

慢性疾病、传染病和生物防御、发育和老化等

图兰国家灵长类研究中心(Tulane National Primate Research Center

图灵大学

5000只猴,包括恒河猴、食蟹猴、狒狒(5种)、绿猴、松鼠猴、白眉猴(5种)、赤猴、豚尾猴

传染病和再生医学研究,包括艾滋病、莱姆病、结核病和生物防御相关产品

华盛顿国家灵长类研究中心(Washington National Primate Research Center)

华盛顿大学

3000只猴,包括食蟹猴、恒河猴、松鼠猴、豚尾猴

艾滋病相关疾病、系统生物学、神经科学、生殖和发育学、新发传染病等

威斯康辛国家灵长类研究中心(Wisconsin National Primate Research Center

威斯康辛大学

3000只猴,包括恒河猴、食蟹猴和狨猴

全球传染病(GID)、再生和生殖医学(RRM)、能量代谢和慢性疾病(EMCD)、神经科学

耶基斯国家灵长类研究中心(Yerkes National Primate Research Center)

耶基斯大学

3400只猴,包括恒河猴、白眉猴、松鼠猴、食蟹

猴,还有黑猩猩

微生物和免疫学、神经行为学和精神疾病、发育和认知神经科学、神经药理学和神经疾病

加勒比灵长类动物研究中心(CPRC

波多黎各大学医学院

SPF猴

社会和性行为,群体遗传学、生殖生物学、药理学、功能形态和自发疾病和恒河猴寄生虫

狒狒研究资源(Baboon Research Resources)

俄克拉荷马大学健康科学中心

不同年龄段的狒狒及SPF狒狒

狒狒相关生物医学、行为学研究,疾病动物模型

松鼠猴繁殖和研究资源(Squirrel Monkey Breeding and Research Resource

安德森癌症中心热带灵长类中心

450 个不同年龄段的松鼠猴

行为研究、生殖内分泌学、医学灵长类动物学、遗传学

长尾黑颚猴研究中心(Vervet Research Colony)

维克森林大学医学院

每年提供100只长尾黑颚猴,包括SPF猴

代谢性疾病、理学、生殖生物学研究

(3)其他脊椎和无脊椎动物资源

包括酵母、果蝇、线虫、四膜虫、海兔、猪、蟾蜍等资源(表3),以及使用这些动物开发的动物模型、基因工程动物、干细胞、细胞系或遗传资源、计算机建模等。

3 美国无脊椎实验动物资源中心一览表

资源单位

承担机构

资源种类

果蝇资源中心(Bloomington Drosophila Stock Center)

印第安纳大学

果蝇41000个品系

果蝇基因组学资源中心(DGRC)

印第安纳大学

100万以上的细胞克隆

线虫遗传资源中心(Caenorhabditis Genetics CenterCGC)

明尼苏达大学、爱因斯坦医学院

线虫11273

国家海兔资源中心(National Resource for Aplysia)

迈阿密大学

海兔10000多个

国家嗜热四膜虫资源中心(National Resource for Cephalopods)

康奈尔大学

多种嗜热四膜虫

国家猪资源研究中心(National Swine Resource & Research Center)

密苏里大学

杜洛克、长白猪等10个品系和16个转基因品系。

国家蟾蜍资源中心(National Xenopus Resource Center

海洋生物研究所

25个非洲爪蟾品系,提供近交系、突变系和转基因爪蟾。

(4)水生实验动物资源

包括斑马鱼、其他鱼类、海洋鼻涕虫等水生动物、疾病模型和相关生物材料。水生实验动物生殖周期短,卵透明,常用于发育生物学、行为学、人类疾病和功能基因组学研究。俄勒冈州大学斑马鱼国际资源中心拥有斑马鱼13161个品系。德克萨斯州大学的剑尾鱼遗传资源中心拥有剑尾鱼23种,65个品系。

(5)其他资源

美国其他生物材料资源中心,包括基因分析资源、信息资源、兽医资源与试剂、生物材料资源等。德州农工大学医药学院健康科学中心再生医学研究所拥有数千种成人间充质干细胞资源。美国疾病研究交换所(NDRI)拥有人体组织和器官资源,每年提供4000多份样本给癌症、传染病、心脏病、毒理和等研究机构。德州农工大学Kingsville 自然毒素研究中心构建了毒蛇资源中心,拥有29种450多条毒蛇,提供蛇的毒液、腺体、皮肤、血液和器官用于毒物研究。


美国的实验动物资源在美国国内实现了很高程度的共享,同时也辐射到了欧洲。实验动物资源研究一直是发达国家的关注的重点之一,不仅有研制、培育途径,还有购买、引进或掠夺等多种途径;不仅作为实验动物资源,也作为物种资源加以保存、培育和利用;对生命科学、医药等起到了极大的支持作用。而欧洲采用多国合作、集中研制的形式,也在基因工程动物资源方面占领了一席之地。以英国剑桥大学Sanger研究所牵头,德国和美国参与,总投入2亿英镑左右,建立了新一代的基因工程修饰小鼠胚胎干细胞资源库。采用集中大规模研制模式,目前剑桥大学Sanger研究所已经有近20000种新一代基因敲除小鼠胚胎干细胞库。其大规模、高效率的研究模式,具中国效仿价值。

国外实验动物质量控制级别越来越高,规模化生产便于实现实验动物的质量控制。近交系、SPF级、基因工程动物等数量逐渐增加,普通动物越来越少。由于实验动物生产和供应方面产业化程度较高,为了保证实验动物的质量,在竞争激烈的市场上处于有利位置,各个企业都制订有自己的企业标准。比如大的实验大鼠、小鼠商品化生产、销售公司——Charles River制定的标准在全球实验动物领域内得到基本认同,具有一定的代表性。以英国剑桥大学桑格研究所牵头,德国和美国参与,总投入两亿英镑左右,建立了新一代的基因工程修饰小鼠胚胎干细胞资源库,在未来几年内将完成两万以上基因敲除。

其中,英国是目前世界上实验动物统计数据最准确的国家之一。1940年只有约100万只动物用于科学研究,但1960年的数量增加到350万只,1971年达到560万只,几年后仍然保持在550万只左右。自1980年以来,这一数字显著下降,2001年降至262万,不到1970年使用量的一半。近年来,英国的实验动物数量有所增加,在2012年增加到411万,比2001年增加了57%。越来越多的实验动物用量带给时任英国首相大卫卡梅伦联合政府很大的压力(2010-2016)。

根据用于科学研究的动物物种纪录,超过70%的实验动物是啮齿动物。2000年,英国五大广泛使用的实验动物是小鼠、大鼠、鱼类、鸟类和豚鼠,分别占总数的59.2%、19.7%、9.0%、4.6%和2.6%。2001年,啮齿动物占英国研究动物的82%;鱼、两栖动物、爬行动物和鸟类占14%;小型哺乳动物(啮齿动物除外)占2.3%;大型哺乳动物占1.3%;狗猫占0.4%;和非人类灵长类动物占0.1%。2014年,常用的动物是小鼠、鱼类、大鼠、鸟类、其他动物和受特别保护的动物,分别占总数的60%、14%、12%、7%、6%和1%。

由2016年英国使用实验动物物种统计数据(Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain,2016)显示,英国共使用了393.6万只实验动物(表1.3-1)。其中,使用最多的为小鼠约72.8%(286.6万只),其次为鱼类约13.6%(53.5万只),之后依序为大鼠约6.3%(24.9万只)、鸟类约3.8%(15.1万只)、其它约3%(13.3万只),另外受特别保护的物种(specially protected species)的使用,主要是马(8900个计划)、狗(4,900个计划)、非人类灵长类动物(3600个计划)和猫(190个计划)。比较2016年和2015年的物种,在使用数量上有显著变化,除了豚鼠(guinea pigs)增加20%(4400只)至26000只(与2014年数量相当),家禽增加9%(12000只)至138000只,兔子增加9%(1300只)至15000只,绵羊增加3%(1300只)至48000只外;其它动物如大鼠,则减少7%(19000只)至239000只,与2014年的数字相当,小鼠则减少4%(49000只)至122万只;在鱼类总体减少2%(7000只)至287000只,其中斑马鱼使用的数量增加了28%(42000只),“其他鱼类”的使用则减少了34%(49000只)。

值得注意的是,从2007年至2016年在英国前三大使用的实验动物(小鼠、大鼠及鱼类)使用数量变化,显示英国在3Rs观念的倡导下,此三种实验动物使用数量确实有逐年减少的趋势(图 1)

图1 2007年至2016年英国使用小鼠、大鼠和鱼类作为实验动物数量的变化

资料来源:Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain,2016


另外,分析实验动物在进行实验时其遗传的状态为基因改变动物(genetically altered animals)或非基因改变动物(not genetically altered animals)的比例,显示2016年在英国约有729000个实验动物涉及改变基因,此数量比2015年增加1%(9600只),持续过去9年的增长趋势。且较2007年以来使用改变基因动物进行试验研究的数目增加了36%(194,000只)。相反的,没有涉及遗传改变的动物的数量自2015年至2016年期间下降了5%至129万只,继续呈下降趋势,若从2008年高峰的165万只计算则大约减少21.8%(图2)。

图 2  2007年至2016年,英国实验动物在进行实验时,其遗传的状态(基因改变过或未经过基因改变)

资料来源:Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain,2016




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