病理学在人类疾病实验动物模型评价中的作用和意义*

杨利峰 赵德明

(中国农业大学，北京 100193)

疾病动物模型是在生物医学科学研究中所建立的具有人类或动物疾病模拟性表现的实验动物。实验动物疾病模型是生命科学研究进行的基础。然而，模型是否构建成功，需从行为表现、临床症状、体征指标、血液、生化指标、病理学指标等多方面进行综合评价。其中，出现明显的特征性病理学变化是重要的评价指标之一。病理学是关于疾病的一门医学学科和专业实践学科，主要研究疾病的本质、发病原因和发展过程中结构和功能的变化。病理学评价能够提供准确、客观及全面的反应造模条件引起实验动物的病理变化，对实验动物模型的开发、相关实验设计、药效、药物安全性评价等至关重要。

1 人类疾病实验动物模型的分类

人类疾病实验动物模型，即为生物学、医学及药学研究而建立的具有人类疾病模拟表现的动物实验对象。根据产生原因，可将人类疾病实验动物模型分为以下4类。(1)自发性动物模型：实验动物未经任何有意识的人工处置，在自然情况下发生疾病。一般通过培育近交系和发现突变系来获得。自发性动物模型以肿瘤和遗传疾病居多，如无胸腺裸鼠、自发性高血压大鼠、青光眼兔等[1]；(2)诱发性动物模型：通过物理、化学、生物致病因素或复合致病因素人工诱发的实验动物。例如，温度、放射线照射、噪音刺激等物理因素引起实验动物发生疾病；给易感动物接种细菌、病毒等生物致病因素以诱发传染病；化学致癌剂诱发肿瘤等[2]；(3)遗传修饰动物模型：使用基因组编辑技术，人为地修饰、改变或干预生物原有基因组的遗传组成，并能产生稳定有效遗传的新品系实验动物。根据基因修饰的方式可分为转基因模型、基因敲除模型、基因敲入模型、基因敲减模型等[3-4]。例如，Bao等[5]和Jiang等[6]报道，hACE2转基因小鼠能够表达人血管紧张素转换酶2(hACE2)，使得SARS-CoV-2能够以其作为受体进入小鼠细胞，为新型冠状肺炎(COVID-19)致病机理、治疗方法的研究及疫苗的开发提供模型基础；APP/tau双转基因小鼠模型及APP/tau/PS1三转基因模型，能够较好的复制阿尔兹海默症的病理特征[7]；根据Kersten[8]报道，已有数百种基因修饰肿瘤模型应用于人类肿瘤发病机制研究及药物研发；(4)特色动物模型：具有某些异于其他动物特征的动物品系或品种。例如，东方田鼠具有抵抗血吸虫的特性，可将其用于血吸虫病发病机制的研究[9]。裸鼹鼠不患癌症的特征使其可以用于抗癌机制的深入研究[10]。长爪沙鼠具有脑血管变异缺失的解剖学特性，是脑缺血研究良好的模型动物，且对多种病原易感，相比于其他啮齿类实验动物，长爪沙鼠受某些病原感染可表现出与人类更相似的病理学特征和临床症状[11]。

在构建实验动物模型时需遵循相似性、可重复性、可靠性、适用性、可控性、易行性和经济性原则，谨慎且精准地进行设计及操作，以确保获得理想的实验动物模型。

2 人类疾病实验动物模型评价体系的构成和缺陷

在科学研究中，研究成果的质量及可重复性备受科研人员的关注。由于之前临床前动物研究在投入临床后，并未复制出理想的结果，导致临床前和临床结果之间缺乏一致性，所以近几年科研人员开始重视从临床前动物模型中所获得数据的可重复性和质量[12-13]。因此，动物模型的成功构建至关重要。实验动物模型评价体系是依据动物模型构建的信度和效度(表观效度、预测效度以及结构效度)，基于模型制作原理和方法，结合不同品系动物的特点，对动物模型从整体、组织、细胞和分子水平进行鉴定和评价。实验动物模型评价体系的制定与实施，是我国医药卫生健康产业稳定发展的重要保障。然而，目前动物模型的评价体系还很不完善，直接影响模型的严谨性、可重复性等，而病理学在建模过程中，可以对动物的表型鉴定、成模条件等给予重要建议甚至是决定性的结论，因此成为动物模型评价的关键指标。

如CRISPR和类似的基因编辑技术被认为是多种疾病潜在的治疗方法，这些疾病包括单基因疾病(如囊性纤维化)、代谢性疾病(如2型糖尿病)、癌症(如黑色素瘤)、感染性疾病、感染性休克、神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)等。然而，在这项技术的快速发展和应用中，人们对脱靶效应、安全性、在使用这些工具时选择适当的控制措施等问题尤为关注。虽然基因编辑工具通常被描述为对其目标“特异”，但不少研究报道了提高特异性的新方法，这也提出了关于如何彻底评估脱靶效应的问题。病理学在评估基因编辑的安全性、目标特异性、筛选脱靶效应等方面可提供有效的指导[14]。突如其来的COVID-19疫情给人类带来了全球性的灾难，其强大的传播能力和致命的不良后果，给医学科技带来了巨大的考验与挑战。如何能够在短时间内筛选出安全、有效的药物和疫苗，及时挽救人类生命，防控疾病流行，COVID-19的实验动物模型则在其中扮演“关键角色”及担当“重要使命”。然而，造模的动物可否表现与人类相近的呼吸窘迫症；是否能表现间质性肺炎的特征性病理变化；感染后病毒的定位及分布情况；除肺脏以外，是否发生其他脏器的损伤。以上问题，只有通过病理学技术才能直观且明确的解释。病理学技术为揭示疾病的致病机制，评价疫苗及药物的安全性、有效性等提供必备基础数据和重要技术保障。

因此，需从临床症状及体征指标、血液、生化指标、病理学指标等多方面对实验动物模型进行评价，同时需对实验动物年龄、性别、品系、基因型等，以及饲养环境、饮食、健康状况、微生物学等环境因素做出明确要求，以作为规范化模型的基础数据[15]。其中，出现明显的特征性病理学变化是重要的评价指标之一。病理学技术能够提供准确、客观且全面的评价，对实验动物模型的开发、相关实验设计、药效及药物安全性评价至关重要。

3 病理学评价在人类疾病实验动物模型中的作用及意义

实验动物模型是生物医学研究中极其重要的“工具”与“载体”。在多种人类疾病模型的研究中，实验动物模型能够阐明人类疾病的发病机制以及用于药物筛选、疫苗研发等，加深人类对疾病的理解，促进新疗法和新诊断技术的发展，最终保护人类和动物的健康。因此，对每一种模型的优势和局限性进行深入的探究和描述，以最大限度地发挥其优势[15]。病理学分析能够提供形态、分子、生化等数据，对于动物模型研究是必不可少的[16]。同时，还能够将形态学与发病机制联系起来，有助于对疾病的理解。组织病理学是动物研究，尤其是疾病动物模型研究的“转化终点金标准”[13]。

3.1 协助动物造模设计

动物模型是将潜在疗法用于人体临床试验时辅助决策的重要工具。近来，也有不少报道显示，临床前动物实验与随后的人类临床试验结果的一致性较差。临床前动物研究的评估非常重要，科研人员必须重视此类研究的计划、实施、分析和报告的严谨性和质量。在此研究过程中，病理学是提高数据质量和实验可重复性的重要方式。在造模条件的优化、研究过程的实施、组织取材的计划、实验数据的分析等，病理学在其中发挥极其重要的作用[13]。因此，建议病理师应尽早的参与到动物模型构建的研究中，不仅能够显著提高造模的成功率，更能有效保障实验模型的可重复性与科学性。

3.2 评价动物模型特征性病变

目前，造模技术日新月异，包括基因编辑、生物诱导、物理干预、化学诱发等在内的多种技术和方法不断发展及创新，但每种技术的使用，都可能对实验动物产生不同程度的病理学改变。不同的造模方法、造模剂量、造模时间等均可能导致组织器官出现不同的病理表现，不同的实验动物品系、年龄、性别等也会影响动物的造模设计。只有通过病理学技术，才能明确造模引起的组织病变的位置、类型、特点及程度，才能够快速、有效的构建出理想的实验动物模型用于后续研究[17]。此外，病理学技术在多种类基因编辑小鼠模型新表型的筛选与确证中也发挥着关键作用[18]。通过病理学评价，能够最大化从单个动物获得的数据，减少完全评估某种模型或表型所需的动物数量，改进实验以将对动物的影响降至最低，符合动物福利3R原则[19-20]。

病理学参与到实验动物模型构建，可以进行如下特征性病变的评价：①能够明确病变发生的位置。例如，通过组织病理学可以观察到饲喂高果糖的NAFLD模型和饲喂10%猪油的NAFLD模型肝细胞脂肪变性发生位置不同，前者主要发生在汇管区周围，后者病变则集中于中央静脉周围[21]；②能够判断病变发生类型。例如，在进行肿瘤评估时，利用病理学技术能够观察到肿瘤发生的具体位置、细胞类型、细胞排列方式、浸润程度等，进而确定肿瘤的类型及分期；③能够辅助确定疾病的发病阶段，且能够直观地显示组织及细胞病变的损伤程度，并进一步对病变损伤程度进行分级。在肿瘤和癌变动物模型的评估中，可以通过组织学和细胞学分级方案来评估各种器官系统模型的生物学潜力。例如，上皮癌变的基因编辑小鼠往往表现出从癌前病变到恶变的多阶段进展。这种多阶段的进展在胰腺、前列腺、乳腺、雌性生殖系统管状器官、肾脏、胃肠道、肺、肝脏和皮肤中都可以观察到。对病变损伤进行分级，有利于后续利用数字评分系统对特定疾病的治疗效果和结果进行衡量[16]；④病理特殊染色技术、免疫组织化学技术及免疫荧光技术的发展与应用在病变的定位、定性及定量分析中发挥着至关重要的作用，是评价动物模型是否发生特征性病变的重要手段。

3.3 发现造模可能伴发的病变

实验动物模型只能在一定程度上还原疾病相关的一些特征，并不能完全模拟人类的疾病。因此，在造模过程中势必会出现一些非特征性病变或由于人为因素所造成的背景病变。通过病理学技术，能够发现与理想模型无关的非特异性病变及背景病变，并尽可能排除其对实验模型构建及应用造成的干扰。

3.4 分析病理变化与疾病机理的相关性

每一种疾病模型的构建会涉及多种造模方法，在通过这些方法初步构建出疾病相关动物模型后，通过病理学技术，能够进一步分析模型与所研究疾病的相关程度，以筛选出最适宜的动物模型。此外，病理学评价还有助于解释研究中其他生物学发现，并结合研究目的、实验背景等进行综合分析与验证[22-23]。近几年来，多种新发传染病的流行，危害着人类健康，特别是2019年爆发的COVID-19，对人类生命健康造成重大威胁，对该疾病防控和治疗，迫切需要筛选或制备对COVID-19易感的实验动物模型用于机制研究、药物治疗及疫苗筛选。Cleary等[24]报道，已成功制备了可以感染COVID-19的模型，如基因编辑的hACE2小鼠、金黄地鼠、水貂等，该类模型出现与人相似的呼吸窘迫临床表现，应用病理学技术也能够观察到与临床症状相呼应的较典型的间质性肺炎及伴发的病变。

总之，动物病理学作为疾病诊断的“终结者”，可以从病理学变化，明确评价实验动物造模是否成功，也可充分体现动物模型与造模条件的相关性、疾病模型的阶段性、药物或疫苗的有效性、安全性等，在使用实验动物模型的相关研究中发挥着不可替代的作用。在进行病理学评价的过程中，发现包括造模方法设计缺陷、实验动物选取或饲养不当、实验分组设计不合理、取材不规范等一系列问题，要想获得较为准确的病理学评价结果，必须要提供实验动物品系、年龄、性别、基因型、饲养管理条件等基础信息，还应提供造模所用方法以及实验动物分组情况，以确保病理学家能够具体情况具体分析，得出更为精准的病理学评价结果。

4 病理学在人类疾病实验动物模型应用中的展望

人类疾病动物模型的成功构建，使得人类疾病致病因素解析、发病机制探讨、药物新靶点发现、临床前药物筛选、药效评价等研究能够准确顺利进行，是生物医学研究和生物医药产业发展不可或缺的支撑条件[1]。实验动物模型作为我国科学研究、生物医药和健康产品研发不可替代的核心生物资源，其成功构建在提高我国自主创新能力、维系国家安全、发展医药卫生健康产业等方面具有重要的现实意义和广阔的市场前景。

一直以来，组织病理学评价作为制药业安全性研究中有价值的“终点”，只有经过组织病理学评价，新药才有机会进入人体临床试验阶段[19]。由于标准化病理学评价方案的缺乏、实验病理学及比较病理学人才的缺失以及病理学评价全过程的成本问题，病理学评价并未在制药行业以外的动物研究中普及。实验动物相关从业人员已经逐步认识到病理学的重要性，因为病理学评价标准能够规范实验动物模型的构建与使用，提高实验动物模型的相似性、可重复性、可靠性、适用性及可控性。有经验的病理学家除了拥有丰富的病理生物学相关知识，能够对实验动物进行准确的形态学观察与诊断外，还可以提供动物模型构建、实验设计、最佳模型样本收集和处理、数据解释和报告等方面的专业知识[16, 25]。为了拓宽病理学评价的应用范围，推动病理学评价体系的构建，需要进一步加强实验病理学及比较病理学人才的培养，加快标准化的病理学评价方案的制定，加速实验动物病理学及比较病理学相关图谱的编撰修订，同时辅以对病理人才培养、病理相关政策制定及病理技术革新的资金支持，以期将病理学评价全方位、多层次和宽领域的应用于未来的生物医学研究中。