我国常用实验动物资源的现状及对未来发展的思考

张连峰

（中国医学科学院，北京协和医学院，医学实验动物研究所，卫生部人类疾病比较医学重点实验室，国家中医药管理局人类疾病动物模型三级实验室，北京 100021）

实验动物资源、实验动物质保体系、实验动物供应和实验动物管理构成了实验动物科学的基本元件，实验动物资源是实验动物科学发挥对生命科学和人口健康科学支撑作用的支点。在政府支持和实验动物工作者的努力下，我国实验动物科学迅猛发展。实验动物资源属于生命科学和医学研究“大军”的“粮草”，面对发达国家百年积累的巨大资源优势，我国仍然需要付出巨大的努力和跳跃性发展才能迎头赶上。

1 实验动物资源是实验动物科学为生命科学和医学提供支撑的支点

21世纪之所以称为“生命科学的世纪”，这是因为在揭示生命的延续、衰老、疾病等机制过程中，人类可以利用这些研究成果改善自身的生存环境和健康；同时在经济逐步发展的所谓“后工业社会”，人类自身的健康是社会关注的焦点，同时也是21世纪经济发展的生长点。占领生命科学、医学和药学创新研究的制高点，同时也占领了人口健康相关产业的经济制高点。

实验动物和人类疾病动物模型是在生命科学、医学、药学、传染病学、转化医学、农业科学、食品科学、等相关领域的研究和成果转化等重要环节不可或缺的支撑条件。过去30年，利用实验动物模型进行研究的、Pubmed收录的论文2000万篇，几乎涵盖了生命科学和医学研究的所有领域。Nature，Science刊出的生命科学论文中，使用动物模型的论文占35～45％。Nature Medicine发表的论文中，使用实验动物的研究占71％，实验动物已经成为生命科学和医学创新研究的重要工具。

随着生命科学和医学在分子水平和细胞研究的不断深入，科学家们认识到在体外研究（in vitro）发现的科学规律，在一定情况下，甚至很多情况下在整体动物或人体中并不一定正确，所以现代的生命科学和医学研究更强调体内实验（in vivo）。实验动物资源对生命科学和医学的支撑作用俞显重要。以美国国立卫生研究院（NIH）下属的国家研究资源中心（NCRR）为例，NCRR担负美国生命科学和医学研究的多方面资源整合、研究与共享的任务，但是实验动物资源建设是NCRR最主要的工作之一。

由于实验动物资源对生命科学、医学、药学对人口健康的重要性，发达国家竞相将实验动物作为战略资源，投入大量的经费，希望由此驱动生命科学和医学的创新研究，并在生命科学和医药研究和生物技术的科技竞争中立于不败之地，不仅占领科学创新的制高点，并转化为经济垄断。如美国等，把实验动物资源建设作为国家的固定投入项目，每年国家投入数十亿美元，建立了国际上最有影响力的人类疾病动物模型资源中心和生产供应中心，保存了全球60％以上的实验物资源。这些战略的投入，是这些国家一直引领全球生命科学研究和生物医药产业的发展的原因之一。

2 实验动物资源国内外对比与发展趋势

美国、日本、欧洲经过了近百年的积累和多年的大规模投入，已经形成了巨大的实验动物资源，我国自上世纪80年代开始重视实验动物资源建设，投入逐年增大，近几年有了很大的发展，但是和发达国家相比不管在物种的多样性，常规品系还是基因工程品系方面，仍然存在巨大的差距。

2.1 常用实验动物资源

国际已经具备的实验动物物种有200多种，我国有30种左右。在经常使用的小鼠、大鼠、豚鼠、兔、犬等常用实验动物方面缺口最大（表1），国际已经具备的小鼠品系，包括常用品系、自发突变品系和基因工程品系在2万种以上，我国有2000种左右。另外，国外一些盈利性公司通过基因打靶和基因捕获技术建立的基因修饰小鼠胚胎干细胞在4万种以上，涵盖了小鼠60％的基因。

我国在药物研究、疾病机制研究需要的疾病动物模型方面就有5000种以上实验动物品系的巨大差距（见表2）。对心脑血管病、肿瘤、肥胖症、糖尿病、痴呆症等的治疗和药物研发具有重要作用的疾病动物模型资源方面，我国和国际相比是1∶20；对重大疾病机制研究具有重要作用的疾病相关模型资源方面，我国和国际相比是1∶8。

鉴于小鼠在生命科学和医药研究方面的重要性，美欧已经启动了将小鼠基因全部条件性敲除的计划，这将是功能基因组时代重要的科学事件，我们需要以我国重大疾病机制、药物创制、重大传染病防治，农业基因工程等重大专项，生物前沿技术等创新和持续发展的需求为前提，积极参与到这一重要的科学事件中来。大鼠是最重要的实验动物之一，由于大鼠在循环系统、神经系统，解剖结构等方面和小鼠相比与人类更接近，使大鼠成为心脑血管病，认知科学，分子影像学，器官移植，中医药学更好的实验动物。随着大鼠基因打靶技术的发展，大鼠成为未来生命科学和医药研究的主要模型。

2.2 非人灵长类

表1 常用实验动物品种比较

非人灵长类是传染病，如艾滋病、肝炎、肠出血热等方面不可替代的模型动物。由于非人灵长类和人类最接近，目前帕金森病、糖尿病、神经精神病的研究等也在广泛的使用非人灵长类模型。恒河猴在中国具有广泛的分布，从上世纪八十年代，国家投资建立了国家非人灵长类资源中心，云南猴实验基地等。地方政府也都有比较大的投资，建立了地方性的生产基地或实验平台。目前，分布在广西、云南、广东、海南和四川等地的实验猴生产厂家总数超过40家，较具规模的20多个。恒河猴和食蟹猴的产量4～8万只/年左右，一半用于供应国内，一半出口。我国尽管是实验恒河猴生产的第一大国。一方面生产厂家侧重以盈利为目的出口，国内的供应受到限制，国家经费支持的灵长类资源中心或生产基地应该首先保证国内公益研究的供应。另一方面，我国非人灵长类物种有限，缺乏绒猴、绿猴、狒狒、松鼠猴、棉猴等灵长类资源（见表3），目前国内一些单位正在开展猴、绿猴、狒狒、棉猴等资源的建设工作，在未来3～5年内将会有这类灵长类动物供应。

表2 常用重大疾病大小鼠模型和机制研究模型资源的国内外比较

表3 非人灵长类资源对比

非人灵长类动物的转基因研究正在兴起，2008年，美国一个实验室将一个亨廷顿舞蹈症致病基因（突变的huntington基因）通过病毒载体技术转到猴子中，希望利用亨廷顿舞蹈症猴子模型进行治疗方法的研究，可惜的是这只猴子没有遗传下去，因为病毒载体技术虽然操作相对简单，但是遗传给下一代的几率不如显微注射技术和核移植克隆技术高。当然由于非人灵长类和人类更接近，利用非人灵长类作模型得到结论对人类也更有价值，尤其是神经系统疾病，如痴呆症和帕金森病等。

2.3 小型猪

小型猪在皮肤、消化道和心血管系统与人类十分近似，在人类疾病动物模型建立、药物安全评价、异种移植等方面具有一定的优势，在国内外均广受重视。我国在20世纪80年代即开始小型猪近交系和封闭群培育，科技部、农业部等部委及多个省市对小型猪保种、实验动物化培育等进行了长期持续资助。“十五”期间，科技部组织实施了科技攻关重点项目“我国实验用小型猪资源开发与研究应用”。在北京建成了“中国实验用小型猪种质资源中心”，农业部建立了国家五指山猪保种场等多个小型猪种质资源保种场，此外，还有数十个科研机构和企业相继建立小型猪繁殖或饲养基地。我国已拥有五指山小型猪、版纳微型猪、广西巴马小型猪、贵州小型猪和藏猪等多个实验动物小型猪品系，封闭群、近交系小型猪品系，使我国小鼠猪资源的成为既具有我国特色，又具有国际竞争力的实验动物资源（见表4）。“十二五”已立项的“973”和科技支撑项目支持了小型猪基因组学、转录组学、生殖组学和免疫组学、IPS细胞系建立、ENU诱变模型制备、小型猪心血管和神经系统重大疾病模型制作与评价体系等基础研究。已经启动的国家转基因生物新品种培育重大专项资助转基因猪农业应用。小型猪培育和基因修饰猪研究在我国比其他国家更活跃。

3 我国实验动物研究的资助体系与问题

我国对实验动物研究或相关研究的经费主要由以下几个方面；

1.科技部主导的支撑计划。科技部主导的科技条件建设项目是主要的实验动物研究资金来源，并且资助规模越来越大。

2.973项目和863项目。“十五”和“十一五”都有以实验动物为主要研究内容的973项目，部分973项目和863项目涉及一部分疾病动物模型研制，发育、干细胞、疾病机制等与基因功能相关的基因修饰动物研制。

3.自然科学基金。自然科学基金在生物学部和医学部都设立了实验动物方向，“十一五”期间有自然科学基金重点项目立项。

4.重大专项。传染病重大专项和新药创制重大专项都设立了动物模型平台，主要内容是疾病动物模型的研制和模型分析技术资源的建设。

表4 小型猪资源对比

5.地方基金。各省市以地方研究基金、国家项目匹配资金，地方特色资源产业化基金等多种方式对实验动物给予不同力度的资助。其中上海市、江苏省、湖北省和北京市资助强度较大，也更有公益性。

综上，根据我国生命科学和医学研究基金的总体规模，实验动物研究得到的资助比例是相对较高，体现了国家对实验动物的重视。我们期待国家整体公益研究基金规模不断扩大的同时，对实验动物资助需要注意以下几个问题。

1.我国实验动物资源的贫乏已经成为生命科学和医学创新研究的主要限制之一，实验动物资源属于生命科学和医学研究“大军”的“粮草”，面对发达国家百年积累的巨大资源优势，我国需要集中财力和人力先行发展，在2～3个5年计划之内，迎头赶上。

2.实验动物资源积累是长期的任务，需要持续的支持，一些重要实验动物资源，如基因工程小鼠，基因工程大鼠等需要多年的努力才能建立一定规模的资源，不是一两个项目就能解决问题。

3.项目只有研究经费，没有政策性资源维持经费，我国从“九五”就有不同来源的实验动物资源的研究项目，但是一些资源没有保留下来，项目完成，资源也没有了。实验动物资源是公益性、非盈利性质的事业，需要政策性支持才能维持。

4.根据国际发展趋势结合我国现实需要确定优先发展的重点，广泛调研，尽量避免重复性或因神设庙的问题。

5.需要在给与经费支持的同时，强调资源的公益性和社会共享。

4 不同物种实验动物资源的相互补充与在生命科学和医学研究中的权重比

实验动物不同物种各有优缺点，根据不同研究目的，选择不同模式动物，不同物种实验动物资源是相互补充的，没有相互替代的问题。比如，果蝇、斑马鱼是研究基因功能、基因与发育良好的模式动物。斑马鱼也可作为大通量药物毒性筛选的动物。而大鼠、犬等作为SFDA认可的药物安全评价首选动物。

组织解剖结构相似性、基因组的相似性以及进化上和人类亲缘关系是选择人类疾病模型动物的重要依据，几种常见的实验动物基因组大小和可能的阅读框对比见表5。

表5 几种常见实验动物和人类基因组的对比

非人灵长类和人类关系最近的实验动物，是制备感染性疾病病，神经和精神疾病的良好动物。

与食肉目和偶蹄目的动物相比，大小鼠不但在亲缘关系上，在基因组大小和阅读框的数目上都人类更接近。人类疾病的大小鼠模型超过2000种，涵盖100种以上的人类疾病。

猪的皮肤、消化道和心血管系统组织结构与人类十分近，是皮肤、消化道和心血管系统疾病良好的动物模型。

当然，也有人用更简单的模式生物作为人类疾病模型，进行药物研究，比如利用果蝇研究痴呆症，利用斑马鱼（单腔心脏）研究心脏病，优点是大通量和便于观察，但是他们不能反映人类疾病的复杂性。

表6对美国、日本、欧洲和中国主要使用的实验动物物种进行了比较。从中可以看出大、小鼠的使用量在87％。据不完全统计，在医学文摘和化学文中收录的论文中，近年使用小鼠的研究论文最多，大鼠的研究论文近年几乎增加了1倍，已近接近使用小鼠的研究论文数量（表6）。

5 特色研究、创新研究、填补国内空白研究的相互关系

在开发一种特色实验动物物种之前，应该从使用的广泛性、物种特色、表型特色、来源等几个方面综合评估其开发后的使用价值，不应过分强调中国特色或地方特色。我国一些特色实验动物，比如长爪沙鼠、东方田鼠等的开发是相对成功的，有一些野生动物的实验动物化、特色物种研究没有明确的表型特色，或者利用现有的实验动物可以完全替代，或者动物来源有限、没有解决繁育问题。一些特色物种具有明显的地方保护色彩，研究成果的公益性和实用性不够。

实验动物资源本身是研究对象，利用实验动物进行生物医学的创新研究，其本身研究的创新性是需要的，但是不应过分强调，“填补国内空白”是目前很多科学家不肖一顾的东西，但是实验动物资源本身的特点决定了一些重要的模型尽管国外已有，我们也必须具备。一些创新性很强的研究，比如基因修饰猴的研究是需要做的，但是这些研究应该属于基础研究的范畴。

表7 医学文摘和化学文摘收录的不同实验动物相关论文总量（篇）

6 对实验动物资源认识的一些误区

对实验动物资源的认识有一些误区。这些误区可能会影响实验动物资源研究的进一步发展。误区一，一种疾病一种模型已经够了。心脑血管病、肿瘤、代谢病、神经精神病等重大疾病，都是多病因、多基因参与的复杂疾病，一种疾病动物模型只能反应人类疾病的一个特定方面，一种疾病需要不同物种、不同方式的多层次疾病模型，根据不同目的择优选用，才能科学、高效的进行医药研究。误区二，非人灵长类模型可以解决大部分问题。非人灵长类和人类亲缘关系近，很多人认为利用非人灵长类可以复制大部分疾病模型，实际情况是我国常用的恒河猴和食蟹猴等并不适合很多疾病模型的制备。误区三，大小鼠已经搞了很多年，你们为什么还要搞？并且要的模型经常没有。从上个世纪80年代，我国开始实验动物科学研究以来，大小鼠资源建设一直没有停止过，但是大小鼠品系最丰富，是使用最广泛的实验动物和基因敲除及转基因的主要动物，发达国家经过百年的积累，达到了20000种以上的规模，并且还在快速发展之中，经过30年的努力，我国大小品系已经达到了2000种左右，但仅仅是发达国家的10％，远远不能满足研究者的所有需求，还需要加强大小鼠资源建设的力度。

7 基因工程动物资源研究

人类基因组计划完成后，仅仅是在揭开生命的秘码方面迈出了一小步，真正要了解生命的密秘，需要清楚了解全部基因的功能、调节、相互作用等，在了解生命本质的同时，进一步指导人类健康的相关研究。即所谓的功能基因组或后基因组时代。以基因修饰技术建立的基因突变动物是功能基因组研究的主要工具。所以小鼠、大鼠、斑马鱼、线虫等模式动物为主体的基因工程动物研究是发达国家发展的热点。小鼠和基因工程小鼠资源是目前基因功能研究、疾病机制研究、药物创制等领域最重要的动物模型，也是这些领域创新研究的必须条件，欧美积累的基因敲除和转基因小鼠已经超过20000种，并且美欧已经启动了将小鼠基因全部条件性敲除的计划。我国近几年已经积累了近2000基因工程小鼠品系，但是经过调研，我国需要6000～12000种的规模，才能基本满足生命科学和医学创新研究的需要，以现在每年100～200种的速度，可能需要30年以上。所以在基因工程资源建设方面我们必须建立更高效的体系，才能尽快的为我国生命科学和医药研究提供国际一流的支撑条件。

1.建立高效快速和规模化的新一代基因工程技术。转基因技术、锌指核酶（ZFNs）技术、ES细胞打靶技术和转座子技术是目前常用的基因工程技术。基因敲除和基因捕获的几种技术各有优缺点。我们需要在不同技术的优点之上，开发高效快速和规模化的新一代基因工程技术，尤其是条件敲除技术。形成快速和大规模条件敲除的技术基础。

2.建立3～5个以规模化制备技术平台和分散研究的核心体系。以美国为代表的基因工程动物研究主要采取分散制备、分散研究、集中保种、公益共享模式结合盈利性公司的规模化研制和供应。由于美国主要的生物医学研究机构普遍具备基因工程平台，所以这种模式行之有效。我国目前实验动物基因工程平台比较少，这种模式对整体的资源积累过于缓慢。需要在生物医药研究集中的地区建立3～5个较大规模的基因工程平台，规模化的研发模型，分散到相关生物医药单位分进行研究，集中保种、公益共享。可以加快资源研制的步伐。

3.适量开展大型实验动物基因工程技术和模型研究

在近年启动的农业基因工程专项的推动下，我国在经济动物基因工程技术方面发展很快，如转基因猪、转基因牛等技术相对成熟，也建立了几个基因工程平台，这些技术平台有意愿也正在扩展到实验动物领域。可以适量的开展一些大型实验动物如猪的人源化和心脏病工程模型研究。神经精神转基因猴研究。这些研究创新性强、不仅可以在国际上展现中国实验动物界的声音，也为器官移植、传染病、老年病等医药研究提供动物模型。

8 大鼠基因工程资源是我国建立世界领先资源的突破点

大鼠是优良的实验动物物种，正像《SCIENCE》在2010年的十大科学进展中总结那样，大鼠是科学家喜欢的实验动物，随着大鼠基因打靶技术的发展，大鼠将回归实验室，并成为未来生命科学和医药研究的主要模型。大鼠基因工程资源的研制成为各国竞相占领的科技制高点之一，由于各国都在起步阶段，我国和发达国家差距不大，是我们可以同发达国家竞争的主要领域之一，也是我国建立世界领先资源的突破点并将极大地带动我国心脑血管病，认知科学，分子影像学，器官移植，中医药学等领域的创新研究。

大鼠之所以为医药研究所偏爱，主要有以下几个原因：（1）大鼠的基因组略小于小鼠，但是编码的基因数和人类基本相当，但是大鼠和人类的同源基因数和人类更高。（2）大鼠在药物代谢和毒性毒理行为方面和人类更接近。（3）PET、CT、MRI、活体荧光、超声等活体分子影像分析技术学是研究肿瘤、神经系统疾病、心脑血管病、老年病的重要工具和药物治疗的优势评价技术，对疾病机制和药物创制具有重要的作用，大鼠是比小鼠更优良的分子影像学表现，并且有更全面的影像系统信息，如核磁脑图，PET脑图等；（4）大鼠的神经系统和人类更接近，成为痴呆症、帕金森病、上瘾性药物、脑科学与认知科学的研究的重要模型。（5）心脑血管病是人口健康的第二大威胁因素，大鼠的循环系统和人类更接近，大鼠的脑卒中模型，高血压模型，心脏病模型是心脑血管病研究和药物评价的最主要的模型。（6）由于大鼠体型较大，解剖结构和人类更接接近，中医药“症”动物模型多以大鼠为实验对象，大鼠比小鼠更适合中医药研究。

结束语：我国动物模型资源缺乏和多样性不足已成为我国生命科学和医药创新研究和生物前沿技术在农业、工业、人口与健康、公共安全等领域的应用的瓶颈之一。而《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，为了实现我国进入“创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础”的宏愿，明确提出加强科技支撑条件的建设，实验动物资源作为“纲要”中诸多重点领域的支撑条件，需要更快更好的发展。

致谢：本文感谢医学实验动物研究所信息中心、日本熊本大学遗传研究所提供了部分统计数据。