高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要人類正在經(jīng)歷著一個(gè)高新技術(shù)發(fā)展的歷史時(shí)期。在遺傳學(xué)方面,人類、小鼠和其它基因組的克隆、序列分析正在迅速發(fā)展和完善。21世紀(jì)主要的任務(wù)就是全面的探討基因的功能和它在人類疾病發(fā)生過(guò)程的作用?？茖W(xué)家之所以能夠基本上了解原核生物和低等真核生物的基因功能,主要?dú)w功于對(duì)突變基因動(dòng)物的研究。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是生物科學(xué)等基礎(chǔ)研究及生物高技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的重要支撐和保證條件。隨著現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)已從過(guò)去注重于動(dòng)物的飼養(yǎng)管理和實(shí)驗(yàn)操作的宏觀向微觀方面發(fā)展。

自1980年美國(guó)科學(xué)院院報(bào)(PNAS,USA)報(bào)道了Dr.Gozdon等人第一個(gè)生產(chǎn)了轉(zhuǎn)基因小鼠以來(lái),轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展迅速,人們稱之為一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)的革命。它使在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物活體內(nèi)集整體水平、細(xì)胞水平和分子水平為一體,更能體現(xiàn)生命整體的研究效果,從而為醫(yī)藥衛(wèi)生研究提供了新的強(qiáng)有力的研究工具。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要工程生物醫(yī)學(xué)模型是指通過(guò)生物技術(shù)工程手段創(chuàng)立的具有生物醫(yī)學(xué)模擬表現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型。通過(guò)現(xiàn)代遺傳修飾手段,包括轉(zhuǎn)基因技術(shù)(transgenic,knockout/knockdone)、細(xì)胞核轉(zhuǎn)移和細(xì)胞器轉(zhuǎn)移,如線粒體轉(zhuǎn)移等技術(shù),改建的動(dòng)物模型,又統(tǒng)稱為遺傳修飾模型(geneticallymodifiedmodels;GMM)。這些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型和模型系統(tǒng)必將促進(jìn)人類疾病的研究,并將全方位的促進(jìn)新藥的篩選、開(kāi)發(fā)和利用。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

生物醫(yī)學(xué)模型實(shí)質(zhì)上就是人類或人類生物系統(tǒng)的“替身”。應(yīng)用這種“替身”去理解從基因型(genetype)到表現(xiàn)型(phenotype)的正常和非正常功能,從而對(duì)人類疾病提供一個(gè)預(yù)防和治療的基礎(chǔ)。例如,各種侏儒癥小鼠模型,通過(guò)對(duì)其突變基因的克隆研究及比較人類的遺傳圖譜,已使科學(xué)家了解人類侏儒癥的發(fā)生條件,并提出對(duì)其治療的建議。

高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

生物模型并不需要是一個(gè)完全的人類疾病的復(fù)制品。例如,帶有人類Duhenne-Becker肌肉營(yíng)養(yǎng)障礙同物系基因的突變小鼠,它就不象人類那樣對(duì)小鼠本身有很大的影響,而且還能再生退化的肌肉(Anderson,1988)。但這類模型已成功的用在對(duì)這種肌肉衰退性疾病的肌肉種植治療實(shí)驗(yàn)上。許多Knockout突變小鼠,并不顯示出其表現(xiàn)型,但仍能顯示出其基因的作用。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

比較醫(yī)學(xué)的研究在發(fā)展、創(chuàng)造生物醫(yī)學(xué)模型方面起到一個(gè)舉足輕重的作用。比較醫(yī)學(xué)(comparativemedicine)是研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與人類生命現(xiàn)象的關(guān)系,其主要目的就是對(duì)不同種系動(dòng)物與人類之間的生理、病理作出有意義的比較,建立各種人類疾病的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型及模型系統(tǒng),去了解人類疾病的發(fā)生、發(fā)展,用于診斷、治療及病理、生理、藥理等實(shí)驗(yàn),為保護(hù)和增進(jìn)人類健康服務(wù)。

如下幾方面將成為21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型發(fā)展、應(yīng)用的焦點(diǎn)。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

一、功能基因組(functionalgenomics)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型

本世紀(jì)遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)及分子生物學(xué)都得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展?；蚺c人類健康之間的關(guān)系已引起人類的關(guān)注。“人類基因組計(jì)劃”完成。21世紀(jì)的醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的研究、重大疾病的預(yù)測(cè)、診斷和防治必將集中在研究基因的功能上?？茖W(xué)家已發(fā)現(xiàn)很少有人類的疾病是由一種單一基因作用的結(jié)果,因此,了解基因的相互作用將成為21世紀(jì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的焦點(diǎn)。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要功能基因組的概念,就是研究基因如何控制人類自我。要從基因組的破譯轉(zhuǎn)向功能基因組的分析,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑹且粋€(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。可以說(shuō)在高等生物體中沒(méi)有一個(gè)基因是單獨(dú)活動(dòng)的?；蚬δ艿脑u(píng)估,唯一的辦法是從分子生物學(xué)本身移到對(duì)整體模型動(dòng)物的分析。在整體動(dòng)物的基因相互使用下,所產(chǎn)生的表現(xiàn)型或疾病,只有通過(guò)整體動(dòng)物的試驗(yàn)才能理解。功能基因組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型將是21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)的“核心模型”。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要科學(xué)家認(rèn)為,小鼠、斑馬魚(yú)(Zebeafish)及非人靈長(zhǎng)目動(dòng)物是研究人類功能基因組最好的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型。

由于小鼠的生命周期短,繁殖力強(qiáng),在飼養(yǎng)、管理方面相對(duì)較為經(jīng)濟(jì),加之目前對(duì)小鼠的遺傳圖譜的分析最為詳細(xì),到目前為止,人們發(fā)現(xiàn)小鼠與人類大約有100種以上的同源基因。小鼠的遺傳基因組及組織解剖結(jié)構(gòu)與人類十分類似；在疾病表現(xiàn)型上與人類也十分近似,因此認(rèn)為小鼠作為人類健康研究的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型為最佳候選者。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要有兩種途徑去了解這些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的基因功能就是通過(guò)基因的表達(dá)分析和誘發(fā)突變分析。

其一就是用高新技術(shù)的轉(zhuǎn)錄圖譜(Transcriptmaps)分析,如Chip（芯片）技術(shù)(Chree1997)。這種Chip技術(shù)可以進(jìn)行整體動(dòng)物的功能分析。目前生物技術(shù)公司已投資于這種技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

其二,就是通過(guò)大規(guī)模的誘發(fā)突變方法。通過(guò)表現(xiàn)型分析去確定功能重要的基因及整體生理分析。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

世界小鼠的模型資源中有97%保存在美國(guó)的Jackson研究所。該所保存了300多種自發(fā)突變的小鼠模型及近700余種不同類型的誘發(fā)突變小鼠模型,特別是Transgenic和Knock-out轉(zhuǎn)基因小鼠模型,該所已成為世界小鼠模型的中心。

德國(guó)的MaxPlanck研究所和美國(guó)麻省總醫(yī)院已承擔(dān)斑馬魚(yú)大規(guī)模誘發(fā)突變的篩選工作。迄今,已在2000多種突變品系中有500多種基因在胚胎發(fā)育中被確認(rèn)。西方國(guó)家已投入大量資金支持對(duì)小鼠和斑馬魚(yú)的基因圖譜的研究。因此,這方面的研究將有效地促進(jìn)人類生物醫(yī)學(xué)研究的許多領(lǐng)域。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要二、衰老的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型

由于環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)、公共衛(wèi)生保健和疾病控制等方面有很大改善,使人類平均壽命有明顯的提高。人類期盼著長(zhǎng)壽,需要回答衰老的原因,如何確定控制衰老的速度,如何進(jìn)一步改進(jìn)生命的質(zhì)量等問(wèn)題。可通過(guò)衰老的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型開(kāi)展這方面的研究。

目前,科學(xué)家已認(rèn)識(shí)到很多方面的表現(xiàn)型和基因型都影響和限制壽命的長(zhǎng)短及衰老過(guò)程。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始利用小鼠及其它啃齒類動(dòng)物、鳥(niǎo)類和小型非人類靈長(zhǎng)目動(dòng)物作為研究衰老問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型,這些模型將推動(dòng)21世紀(jì)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

日本Kyoto大學(xué)的ToshioTakeda博士利用從美國(guó)Jackson研究所引人的AKR/J小鼠,通過(guò)培育和遺傳選擇的方法,培育了一種快速衰老的小鼠模型(senescence-acceleratedMouse,SAM)。SAM小鼠外觀上少毛,生長(zhǎng)慢,皮膚粗劣,眼圍損傷,壽命短。在病理上表現(xiàn)了衰老的淀粉樣變性,喪失學(xué)習(xí)記憶和腦萎縮、衰老性的骨質(zhì)疏松癥、白內(nèi)障、聽(tīng)力衰退、免疫應(yīng)答系統(tǒng)的損傷、肺膨脹過(guò)度、腎縮小等。從外觀癥狀和表現(xiàn)與人類衰老癥狀基本一致。在Kyoto大學(xué)已有12種近系品系作為原種,有9種作為有希望的品系(SAMP)和3種抗衰老的品系(SAMR)。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用,科學(xué)家正在研究創(chuàng)造很多小鼠模型,可望應(yīng)用在衰老的研究上。據(jù)文獻(xiàn)記載,以下幾種轉(zhuǎn)基因小鼠可望應(yīng)用：

(1)GLUT4：一種攜帶人類GLUT4(11.5kb)的轉(zhuǎn)基因小鼠。這種GLUT4基因表達(dá)在小鼠的脂肪組織、心臟和骨髓肌上，并顯示了低的血漿葡萄糖水平。

(2)APP轉(zhuǎn)基因小鼠：其攜帶著不同編碼淀粉前體蛋白的突變基因。APP轉(zhuǎn)基因表達(dá)這種淀粉狀蛋白沉積在轉(zhuǎn)基因小鼠的腦中，可作為研究Alzheimer疾病(AD)，淀粉狀蛋白沉積的病理作用。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要(3)CRHknockout小鼠：這種小鼠的前皮質(zhì)甾酮擇致激素基因的全部序列被刪除。這種純合子(CRE)小鼠顯示了正常的皮質(zhì)甾酮的水平，但在飲食限制的情況下，沒(méi)能顯示出血漿皮質(zhì)甾酮的水平增加。因此，這類小鼠可作為研究糖(腎上腺)皮質(zhì)激素在衰老過(guò)程的作用之應(yīng)用。

(4)Sod2+/-，雜合子Knockout小鼠：這類小鼠的Mn-過(guò)氧化物歧化酶基因(Mn-SOD)的第三外顯子被刪除。這種雜合的Knockout小鼠的Mn-SOD活性被減低50%，因此可以研究衰老中的氧化應(yīng)力理論。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

三、行為和生物學(xué)模型

基礎(chǔ)行為方面的研究,雖然有很強(qiáng)的傳統(tǒng)研究方式，但是有關(guān)這類研究的工具和技術(shù)近年來(lái)才開(kāi)始應(yīng)用于行為細(xì)胞、分子和遺傳等方面。

在行為方面的重要研究領(lǐng)域包括生物精神病學(xué)、發(fā)育生物學(xué)及特殊的精神紊亂。如焦慮不安、抑郁癥、精神分裂癥及學(xué)習(xí)、記憶識(shí)別能力的衰退。這方面有一系列心理免疫學(xué)與抗病、康復(fù)之間的關(guān)系。水生生物，如斑馬魚(yú),是一個(gè)極好的發(fā)生學(xué)模型,特別是用在行為發(fā)育及行為遺傳的研究上,將可能推動(dòng)胚胎學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和其方面的研究進(jìn)展。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要實(shí)踐證明,在帶有雙光子探測(cè)器的鏡下,利用熒光器探針標(biāo)記,可以觀察斑馬魚(yú)的胚胎成熟過(guò)程,建立突變分析程序和定位決定行為的基因?？梢?jiàn),在發(fā)育、神經(jīng)病理學(xué)的基礎(chǔ)研究方面,斑馬魚(yú)是一個(gè)較好的模型。其次,如海洋軟體動(dòng)物,如Aplysia，具有較簡(jiǎn)單的神經(jīng)系統(tǒng),有利于行為、神經(jīng)方面的電生理學(xué)的研究。

自孟德?tīng)栠z傳法則建立后,自發(fā)突變,一向?yàn)檫z傳研究的對(duì)象,攜帶自發(fā)突變基因的小鼠,一向被廣泛的應(yīng)用于行為、神經(jīng)生物學(xué)研究方面。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要四、復(fù)合疾病(complexdisease)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型

隨著社會(huì)的進(jìn)步、環(huán)境的變化,使人類意識(shí)到許多人類疾病的發(fā)生,包含著很強(qiáng)的社會(huì)因素和環(huán)境因素。同時(shí)多種疾病的發(fā)生是由于多重基因(polygene)與環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。因此,Regeas和Hixon,在1997年率先提出了復(fù)合疾病(complexdisease)的概念。

復(fù)合疾病包括很多種,諸如：行為和系統(tǒng)的疾病(AID病、Alzheimer’s

病、心理紊亂病、焦慮癥、沮喪癥和精神分裂癥)、糖尿病、心血管病、腫瘤、高血壓、心臟病及傳染病。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要復(fù)合疾病的研究關(guān)鍵在于去尋找與這些疾病發(fā)生相關(guān)的敏感基因群。以及研究這些敏感基因群與社會(huì)、環(huán)境因素的關(guān)系。建立、發(fā)展復(fù)合疾病的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的目的就是去驗(yàn)證、鑒定影響復(fù)合疾病、或有發(fā)生復(fù)合疾病危險(xiǎn)的基因。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

有兩個(gè)途徑發(fā)展這一類的動(dòng)物模型：其一,根據(jù)遺傳損傷和選擇近親嚙齒類動(dòng)物。其戰(zhàn)略就是以最小的背景遺傳突變(變異),以便去確定單一基因的效力和其敏感性等位基因在表現(xiàn)型上的功能。小鼠和犬的近交系將是研究人類復(fù)合疾病的重要模型。

其二,就是用統(tǒng)計(jì)和分子生物學(xué)方法去研究非近親系群體和自發(fā)遺傳突變,從而確定基因座位(geneloci)的表現(xiàn)型效力,弄清環(huán)境和其它基因的作用。在這方面非人靈長(zhǎng)類系統(tǒng)可作為復(fù)合疾病的動(dòng)物模型。因?yàn)樗纳怼⑦z傳背景更近于人類。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要由于嚙齒類和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物都具有復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng),利用這類模型去研究神經(jīng)細(xì)胞生理將存在一定的困難,而水生生物,如斑馬魚(yú)、海洋軟體動(dòng)物(Aplysia)是研究行為神經(jīng)復(fù)合疾病的良好模型。

21世紀(jì)的復(fù)合疾病的研究將從定性分析轉(zhuǎn)為定量分析復(fù)合、多重基因的作用。這將預(yù)示著對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的要求更高,比較醫(yī)學(xué)科學(xué)家必將面對(duì)這種挑戰(zhàn)。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要五、傳染性疾病的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型

近年來(lái),從世界范圍內(nèi),傳染性疾病對(duì)人類的危害越來(lái)越引起重視。尤其是丙型肝炎和結(jié)核病等的發(fā)病率逐年增加。有關(guān)傳染性疾病和免疫系統(tǒng)的平衡研究已引起科學(xué)家的注意。下面幾種模型是這方面研究的重點(diǎn)：

(1)鼠類模型去研究它的免疫系統(tǒng)。

(2)小鼠的免疫系統(tǒng)研究：近年來(lái),有關(guān)小鼠的免疫基因自發(fā)突變模型在這方面研究上作出很大貢獻(xiàn)。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要

(3)蚊子及類似的其他動(dòng)物免疫系統(tǒng)研究：蚊子及類似的其它動(dòng)物是人類感染性疾病的載體。研究它們的免疫系統(tǒng)將有利于提出防止、治療有關(guān)傳染病的戰(zhàn)略。

(4)從分類學(xué)角度,廣泛研究不同門(mén)類生物的免疫系統(tǒng)：可能發(fā)現(xiàn)控制脊椎動(dòng)物和人類免疫系統(tǒng)的高度保守的基因片段,從而有利于遺傳工程技術(shù)去調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的平衡。

(5)研究鱉魚(yú)的免疫系統(tǒng)：期望著尋找出新的控制感染性癌癥發(fā)生的免疫基因。高新技術(shù)工程生物醫(yī)學(xué)模型的最新發(fā)展概要六、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)時(shí)代增加科學(xué)研究的整體性和綜合性,在科學(xué)研究的領(lǐng)域運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬、系統(tǒng)論、信息