感染性疾病动物模型-观点与思考

魏 强，秦 川

（中国医学科学院实验动物研究所，北京协和医学院比较医学中心卫生部人类疾病比较医学重点实验室，北京 100021）

我国是人口大国，也是多种重大传染病、感染性疾病多发国家之一。艾滋病、结核病、乙型肝炎、SARS、手足口病、禽流感和甲型H1N1流感等重大感染性疾病都使我国面临重大挑战。但对于治疗，包括预防性和治疗性疫苗免疫目前还受到很大的限制，主要集中在以下诸多方面，如病原生物学特性尚未完全清楚，致病的机制不十分清楚，药物、疫苗筛选在很大程度上缺乏动物模型。对感染性疾病或病原性动物模型的认识，也一直存在不足，甚至不十分正确，因此，制备的动物模型不规范，针对性不强，甚至不是真正意义上的动物模型。

早期，确定病毒性病原作为某种疾病的病原，需满足Koch定律6项要素，即能从患者中分离到病毒；能在某种宿主细胞中培养；病原具有滤过性；在同一宿主种类或相关动物种类中能复制疾病；在感染的动物中能再分离到病毒；并且能检测到针对此病毒产生的特异性免疫反应［1］。这些要素也成为动物模型的重要参考指标，后两条“在感染的动物中能再分离到病毒”和“并且能检测到针对此病毒产生的特异性免疫反应”，是制备动物模型的关键。

感染性疾病特性之一是疾病因明确的病原引起，包括病毒、细菌和寄生虫等生物体感染机体，导致疾病发生。因此，动物模型的研究，关键点是病原对动物的致病性问题，也就是说，动物能不能被病原感染，复制、模拟出全部或部分疾病特征的问题。一般来讲，病原进化伴随着宿主或寄生、相伴动物同时进化，因此，形成了相互依存、共处、排斥等关系，这种相互依存、共处、排斥关系，表现为共生关系、机体损伤（疾病）、病原不能存活等情况。病原依据种类和生物学特性不同，分为体外寄生感染，器官、组织内感染（包括血液）和细胞内感染几种形式，因此，感染的机制明显不同，对感染动物宿主特异性选择要求也不同，一般依寄生虫、细菌和病毒的顺序特异性增强，特别是病毒性病原，其感染往往通过特异性受体进入细胞，而受体的进化在不同动物体内变化程度有时并不随动物种类近似而接近，因此，给动物模型的制备带来了不确定性和复杂性，这也是目前有些病原没有理想的动物模型的原因之一。但同时，由于各种动物遗传构成和生物学特性既有相似的一面又有不同的一面，也使得遗传距离大的动物作为感染病模型成为了可能［2，3］。因而，感染性动物模型研究，特别是新发感染性疾病病原，面临的第一个问题是动物的感染性，或称为动物敏感性的问题，往往通过大量不同种类动物的测试、筛选，才能研制出较为理想的模型［4，5］。关于感染性疾病模型制备，提出以下一些观点。

1 感染性疾病动物模型制备的一般原则

感染性疾病动物模型，顾名思义，是以导致感染性疾病的病原感染动物，或人工导入病原遗传物质，使动物发生和人类相同疾病、类似疾病、部分疾病改变或机体对病原产生反应，为疾病系统研究、比较医学研究以及抗病原药物和疫苗等研制、筛选和评价提供的模式动物。病原性动物模型包括三个要素：确切的病原、明确的动物和充分的实验室指标。根据以上内容，除了动物模型制备的一般原则，提出制备、建立重点要求以下原则：

1.1 动物选择原则

即从动物的种类、遗传分类、生物学特性和对感染性疾病病原被感染程度（敏感性）等方面选择动物。由于感染性疾病病原非常复杂，有些实验动物感染性不强或不能被感染，或新发感染性疾病病原情况不明时，可供模型制备的动物可扩大到实验用动物，包括实验动物，经济动物和野生动物。三类动物选择的优缺点分别为：实验动物遗传背景和微生物、寄生虫等级标准清楚，环境条件可以完全控制，影响因素少，结果准确，标准化程度高为优点，缺点是，因为实验动物，尤其是啮齿类动物广为遗传改良动物，和人遗传状态不同，环境条件完全不同，病原致病特性也会不同；经济动物环境条件类似人类生活环境，疾病发生模式非常相近，但是影响因素多，标准化程度高不高；野生动物最接近自然，接触的病原也最多，免疫系统较强，对实验影响的不确定因素非常多，往往带来生物安全等问题。所以，在病原敏感性相同或接近情况下，动物选择的优先顺序应该是首选实验动物、其次为经济动物、野生动物。

1.2 病原选择原则

即从感染性疾病病原标准株、代表株、强势病原、活化状态等方面选择病原。由于病原是活性生命体，尤其病毒性病原体，非常容易失活，模型制备使用的病原应该处于活化状态最好的病原。同时，导致相同感染性疾病的病原在不同地区存在差异，致病性也会不同，因此，应该选择生物学特性明确的经鉴定的标准株进行模型感染研究，以确保得到的疾病模型保持最高真实性。

1.3 疾病再现最大化原则

即制备的感染性疾病动物模型能最大程度的拟似疾病临床表现、疾病过程、病理生理学变化、免疫学反应等疾病特征。这种最大化原则可以是全部完整的拟似，也可以是部分体现。

1.4 标准化、规范化原则

即模型制备涉及的动物、病原、实验控制、操作程序、标本处理、数据采集、检测指标和结果分析应该到达统一、规范和标准化要求，可实现模型重复性好，检测指标稳定，利于客观、公正和真实的应用。标准化强调制备模型中的各种技术、剂量和检测标准应该固定使用，利于模型的稳定重现，因此和病原试验性研究、探索性研究不同。

1.5 生物安全原则

即在病原性动物模型制备过程中，避免经病源污染、动物接触、污物扩散、样本采集、意外事件等任何途径导致实验室对人员和环境的生物危害发生，严格按照国家关于病原微生物相关规定进行。病原微生物的实验室活动必须按照病原危害等级和防护要求进行。

2 感染性疾病动物模型的分类

目前，国内外没有严格的感染性疾病模型的分类标准，但是，感染性病原动物模型的分类明显不同于一般动物模型的分类，因此，建议按照病原种类特性以及疾病表现程度应分为以下一些类型。

2.1 完全疾病表现模型

人源性病原体在动物中导致的疾病能全部或基本上拟似人类疾病临床表现、疾病过程、病理生理学变化、免疫学反应等疾病特征。在感染的动物中必须能检测到活性病原（病原体内复制）和诱导的特异性免疫抗体（机体改变），这是病原导致疾病的直接证据，也是模型评判的根本要素。如一些寄生虫、细菌病原，宿主特异性不高，或一些人兽共患性病毒性病原能在动物上制备的模型。这类模型是最理想的疾病模型，能最大化实现疾病在动物上的再现。

2.2 部分疾病表现模型

人源性病原体在动物中导致的疾病能不全部或部分明显拟似人类疾病临床表现、疾病过程、病理生理学变化、免疫学反应等疾病特征，必须能检测到活性病原和诱导的特异性免疫抗体。如一些原虫性寄生虫、细菌病原，或一些病毒性病原不能在动物上表现出完全疾病表现，这类模型也是较理想的疾病模型。

2.3 同类疾病的模型或参比疾病模型

人源性病原体不能在动物中直接致病，但本动物或其他种类动物的相同科、属、种的病原，或人-动物重组病原导致的疾病能全部或部分明显拟似人疾病临床表现、疾病过程、病理生理学变化、免疫学反应等疾病特征，必须能检测到活性病原和诱导的特异性免疫抗体。如动物源性寄生虫、细菌病原，病毒性病原在动物上表现出完全类似人类疾病表现，这类模型是较理想的参比疾病模型。

2.4 疾病病理模型

人源性病原体在动物中不能导致明显的拟似人疾病临床表现、疾病过程等疾病特征，但病理学变化非常具有特征性、能在动物体内检测到活性病原和诱导的特异性免疫抗体。如一些寄生虫、细菌病原，有一定的宿主特异性，或一些病毒性病原常能在动物上出现明显的病理学改变。这类模型常常成为理想的比较医学用疾病模型，如临床病人不可能动态取样了解组织、器官病理改变，而动物模型则能实现实时了解动态变化，为疾病治疗等提供依据。

2.5 病原免疫模型

导入人源性或其他动物病原体不能在动物中致病，但能引起动物全部或部分明显拟似人疾病免疫学反应等特征。一般检测不到活性病原，但能检测诱导的特异性免疫抗体。如一些宿主性强的寄生虫、细菌病原和病毒性病原，不能通过自然途径或体表途径接种感染而在体内复制，但可通过静脉、肌肉等免疫途径导入机体，机体通过处理免疫原的方式产生抗体或细胞免疫。这类模型严格意义上讲不属于疾病模型，但是考虑到失活病原体成分也可引起类似疾病和免疫反应，在没有动物模型的情况下，也是一种选择。

2.6 基因工程疾病模型

将病原体的遗传物质（基因）经人工方法导入动物体基因组中，这些基因的表达，引起动物性状的可遗传性修饰，同时可能导致动物出现病原致病的某些变化而成为模型。这类模型应该能检测到导入的病原成分和诱导的特异性免疫抗体。这类模型主要针对一些目前还不能有较理想动物模型的寄生虫、细菌和病毒病原。

2.7 复合疾病模型

将不同感染性疾病病原感染动物，模拟人多重病原感染疾病的临床表现、疾病过程、病理生理学变化、免疫学反应等疾病特征，综合比较研究病原之间的相互作用。如疾病后期的复合感染等。

2.8 群体动物模型

一群动物感染某种病原后，检测不到全部动物发病、病原体内复制和出现免疫反应，或病原检测表现为在不同时间、不同部位，免疫检测时间不甚一致。此类模型，可通过计算群体动物发病百分率来进行应用。

2.9 特殊疾病模型

将病原导入免疫缺陷、疾病抵抗、胚胎动物、基因工程动物等特殊类型动物，制备特殊条件下的疾病表现动物模型，研究正常动物可能不会或不易检测到的疾病改变。

3 感染性疾病动模型的局限性

感染性动物模型毕竟是利用动物，通过人工方式感染，进行模拟研究，尤其是人源性病原体感染动物，往往不会得到和人非常类似的疾病过程，这也是感染性动物模型的局限性，只有认识到这种局限性，才能更好的理解动物模型，正确使用动物模型。另一方面，也使我们思考，病原为什么在不同动物中，表现出致病性的相同或不同，这也是病原性疾病致病机制研究的重点。概括起来，感染性动物模型的局限性包括以下几个方面。

3.1 动物的局限

动物的种类和等级的限制等因素影响动物模型。不同动物遗传和生物学特性不同，对病原的感染性会有不同表现，不同种属、品种、品系的动物也会不同，个体差异也会影响模型的一致性。如禽流感病毒H5N1，可感染小鼠、大鼠、猕猴、食蟹猴、雪貂等不同动物，但其致病性在不同动物有所差异，国外一般推荐使用雪貂作为模型，认为疾病过程和患者类似。但在我国雪貂尚未实验动物化，来源也较困难。动物的微生物和寄生虫携带情况，即微生物学等级，也影响模型制备，一般推荐无特殊病原体（SPF）动物用于模型制备，影响因素较小。另外，动物也可能被感染后不会全部发病，一般利用整组动物感染情况（百分数）作为模型基数而使用。

3.2 病原的局限

病原的活化程度、来源、培养、量化、标准病原株、地方株等生物学特性的差异等因素，会影响模型的制备。有些病原不能被培养，其他微生物污染干扰等也影响模型制备。病原在动物体内，受到免疫等阻力，也会相应通过变异等方式改变生物学特性。

3.3 实验方法的局限

方法学不同或实验室不具备的方法条件会影响模型的指标确定。很多病原存在不同途径感染问题，想选择的感染途径可能不是理想途径。有些病原需要定量检测、病理活检等实验室条件达不到要求，影响模型的完整性。生物安全要求的实验室条件，和普通实验室条件下的动物模型也会出现不同，如艾滋病灵长类模型动物（SIV/SAIDS）在生物安全三级实验室不会出现像普通环境下的后期严重复合感染情况。

3.4 动物和人体的局限

动物和人体不同，可能使得病原在不同机体表现不同。因此，理论上讲，和人类遗传、进化越接近的动物，可能更能表现出疾病的类似性。但这不是绝对的，病原和不同动物长期相伴，形成了复杂的相互关系，具备了较稳固抵抗模式，给模型的制备和疾病分析带来极大困难。

3.5 应用的局限性

动物的质量和数量、病原在体内复制的不确定性、检测方法的特异性、敏感性和重复性、处死动物的频率和要求、药物和疫苗的特殊要求等等方面都会影响、限制模型动物的应用。如灵长类动物不可能像小动物一样要求遗传均一性和足够数量，甚至达到统计学要求的组（只）数。

4 结语

随着人类重大感染性疾病的深入研究，相应动物模型的制备和应用越来越广泛，但是，也出现了一些问题，如不能准确理解此类模型的特性和要求等，针对这些方面的欠缺，本文提出了一些观点和建议。另外，感染性疾病动模型制备应该做好充分的准备，建议重点包括：

4.1 动物的准备

动物的选择准备是模型制备成功与否的关键。对于成熟的病原动物模型，动物的种类、微生物等级均已明确，应该严格按照模型要求制备。对于初次、新发病原、新动物的模型制备，首先应该进行动物的种类和等级选择、感染性确定（病原属性、剂量、途径等）等筛选性实验，也即预实验。筛选出敏感、稳定的动物（种类、年龄、性别等）后，进行标准化模型制备。同时，实验动物的伦理和福利原则也应得到满足。

4.2 病原的准备

病原的活化状态和特性是模型制备成功的首要条件。标准病原株、地方株等生物学特性的标准化确定等也需提前完成。

4.3 方法的准备

病原感染途径、剂量、感染环境控制以及检测方法等应该是规范、成熟、稳定的。方法、技术达不到上述要求，会在不同程度上影响动物模型的一致性。

4.4 检测指标的准备

动物模型的成功与否，关键体现在模型动物的疾病表现和指标检测，也就是说，对于一种感染性疾病模型，应该预先确定观察、检测哪些表现疾病关键的特征性指标，尤其是临床表现、病原学指标、病理生理性指标和免疫学指标以及其他辅助性指标的确定。

4.5 模型整体分析准备

通过上述疾病表现和指标检测，明确模型属于哪类模型，综合评价模型的应用程度和范围等。

4.6 影响因素的排除

在感染性疾病动物模型制备过程中的每个环节，都会出现影响动物模型质量的因素，如动物因素、病原因素、技术方法因素、环境因素等等。因此，力求控制这些影响因素，达到模型的规范化、标准化要求，显得非常重要。

［1］Fouchier R，Kuiken T，Schutten M，et al.Koch’postulates fulfilled for SARS virus［J］.Nature，2003，423：240-241.

［2］Gibbons RJ.Infectiousdiseases［M］.Philadelphia：WB.Saunders Co.，1992.

［3］Paul WE.Fundamental immunology（the 4thedition）［M］.New York：Plenum Press，1998.

［4］秦川.医学实验动物学［M］.北京：人民卫生出版社，2008.

［5］施新猷.人类疾病动物模型［M］.北京：人民卫生出版社，2008.