人物专访

中国实验动物信息网专访首都医科大学陈振文教授:

“多功能”实验动物--长爪沙鼠资源的开发与应用

长爪沙鼠是一种源自中国的实验动物,近年来,随着科学界对长爪沙鼠研究的逐渐深入,其在科学研究中的应用也越来越广泛,国内相关研究单位在长爪沙鼠模型或生物学特性及相关机制研究中都取得了很好的进展和成绩,其独特的生物学特性也不断挖掘出来,极具研究和开发价值,被誉为是 “多功能”的“珍贵的”实验动物资源。

【专访】陈振文:“多功能”实验动物--长爪沙鼠资源的开发与应用

2017年08月08日 浏览量: 来源: 中国实验动物信息网 发布者: 中国实验动物信息网

专访篇

首都医科大学医学遗传学与发育生物学学系主任陈振文教授多年来从事长爪沙鼠实验动物化研究,带领团队在长爪沙鼠生物学特性研究、长爪沙鼠疾病模型研究、长爪沙鼠进化分析、基因组测序方面开展了大量研究并取得系列成果。为此,本期中国实验动物信息网特邀陈振文教授为大家讲解当前我国长爪沙鼠资源的开发现状与应用研究进展。

中国实验动物信息网:非常感谢陈教授接受我们中国实验动物信息网的专访。陈教授多年致力于长爪沙鼠资源开发,对长爪沙鼠的研究已非常深入,请您为我们介绍一下长爪沙鼠具有哪些独特的生物学特性? 

陈振文教授:长爪沙鼠( Meriones unguiculatus),英文直译为蒙古沙鼠 ( Mongolian gerbil) ,也称沙土鼠、黄耗子等,属哺乳纲,啮齿目动物。我国东北、内蒙古及毗邻俄罗斯等地荒漠草原地带是长爪沙鼠主要分布地区。长爪沙鼠是一种源自我国的实验动物资源,国外的长爪沙鼠均来自我国。在1935 年,日本北里研究所从中国东北捕获长爪沙鼠并开始实验驯化。在 1954年,Schwentkre将之引入美国,后进入欧洲和世界其他国家和地区。目前在欧美和日本均有商品化的长爪沙鼠出售。长爪沙鼠具有很多特殊的生物学特性,极具研究和开发价值。
(1)长爪沙鼠对一些寄生虫比较敏感。长爪沙鼠对周期型马来丝虫的感染率可达74%,并且与人自然状态感染非常相似;除了丝虫外,长爪沙鼠还易感染阿米巴虫、贾第虫、绦虫、包虫、吸虫、类圆线虫、血矛线虫等。
(2)长爪沙鼠易于感染某些微生物。长爪沙鼠对汉坦病毒(流行性出血热病毒) 十分敏感,特别是长爪沙鼠的肾胚细胞对汉坦病毒敏感性高、适应毒株多、病毒在细胞内繁殖快,病毒易于分离等特点,是疫苗生产的理想材料。利用长爪沙鼠肾胚细胞发明了首例野鼠型流行性出血热疫苗,获1997年国家科技进步一等奖。该疫苗应用广泛,对我国预防流行性出血热发挥了重要作用。我们知道幽门螺杆菌是世界卫生组织明确的I类致癌物,其在人群中具有非常高的感染率。长爪沙鼠已公认为幽门螺杆菌感染首选动物模型。仅利用幽门螺杆菌感染长爪沙鼠即可诱发胃癌。常用的实验动物中,小鼠也易感染幽门螺杆菌,但是很少发生胃癌,而大鼠正常状态很难感染幽门螺杆菌。因此长爪沙鼠对于幽门螺杆菌感染致胃癌研究具有重要的意义。此外,长爪沙鼠也对沙门氏菌、李斯特菌敏感。
(3)长爪沙鼠脑底动脉Willis环缺失的特性。脑底动脉Willis环变异缺失是脑缺血的重要风险因素,长爪沙鼠群体中约有30%~40%的个体存在脑底动脉Willis环变异缺失,与人类相似,是建立脑缺血模型的理想动物。
(4)长爪沙鼠糖脂代谢特征。长爪沙鼠血清总胆固醇中约24%~30%是游离胆固醇,同人类30%的比例相似。长爪沙鼠对胆固醇极敏感,饲喂高胆固醇饲料1周,其血浆总胆固醇将快速升高并伴随大量脂肪在肝脏和肾上腺皮质沉积,但是不会发生动脉粥样硬化。在同样条件下,大、小鼠等实验动物血浆脂质成分没有显著变化。糖和脂代谢具有相关性,常规饲养状态下部分动物会表现肥胖,而肥胖动物出现空腹血糖升高、糖耐量受损,血清胰岛素有免疫反应和胰腺等多脏器出现糖尿病病理特征。
(5)长爪沙鼠易自发癫痫。长爪沙鼠群体中具有较高频率的自发性癫痫,突变环境条件,如噪声、抓取或突然下落,均能诱导长爪沙鼠发生癫痫。在长爪沙鼠6~10月龄癫痫发病率可达40%~80%,并持续到整个生存期。
(6)长爪沙鼠发生自发性肿瘤的概率约为8.4%~24%,通常多见于2年以上沙鼠。最为常发的肿瘤有肾上腺皮质、子宫和皮肤肿瘤等。其中长爪沙鼠是目前唯一的可以自发耳胆脂瘤的非人类动物。
(7)长爪沙鼠耐饥渴。长爪沙鼠是生活在干旱地区动物,具有饮水少,排尿少的特性,其平均饮水量为2mL/d/只,远远低于小鼠需要15mL/d/只;如果每天有0.02mL/g体重的水长爪沙鼠即可维持生命。研究认为长爪沙鼠肾脏具有更加有效的重吸收能力,因此可以高效利用水。长爪沙鼠具有很多与其他实验动物不同的特性,我们这里也仅仅是列举一部分,相信随着研究深入,越来越多的特性会被发现和利用。

中国实验动物信息网:为什么说长爪沙鼠是一种“多功能”、“珍贵的”实验动物?

陈振文教授:实验动物是代替人类进行实验的“替难者”,发现和利用与人类特征更加相似的实验动物资源是实验动物工作者义不容辞的职责。长爪沙鼠具有更多的与人类更加相似的特性,被誉为是 “多功能”的“珍贵的”实验动物资源。当然,我们所说的珍贵是作为实验动物资源而言。前面我们谈了长爪沙鼠的一些生物学特性,这些独特的生物特性都可以很好地用于建立人类疾病动物模型。例如,科技工作者利用长爪沙鼠脑底动脉Willis环变异缺失的特性,建立半脑和全脑缺血模型就有很多优势。首先,长爪沙鼠个体介于大小鼠之间,适合手术操作;其次,模型建立方法简单并损伤程度低,结扎单侧或双侧颈总动脉均能造成不同程度的脑缺血。同时由于损伤程度低,动物术后存活时间长,有利于后期观察研究工作; 另外,不但方便建立缺血再灌注模型,还可以在建立半脑缺血模型时,可以用另一侧大脑作为实验对照,增加实验的准确性。再如,长爪沙鼠具有较强的耐辐射能力,其LD50值远远高于大小鼠,可以用于耐辐射研究。长爪沙鼠在人类敏感的音频波段内敏感阈值与人类最为接近,这种敏感性远远高于大小鼠,这一特性使得长爪沙鼠在听力研究方面具有更大应用前景。这些都是“多功能”和 “珍贵的”实验动物的具体表现。

中国实验动物信息网: 近年来,随着研究深入,国内对长爪沙鼠资源的利用已更加多元化,请您具体说说主要体现在哪些应用领域?

陈振文教授:长爪沙鼠的利用主要有以下四个方面:一是在科学研究领域主要是根据其特性建立相应的疾病模型或探索某些生命机理,其应用范围正在不断扩大;二是应用长爪沙鼠监测疫病,如根据草原上野生长爪沙鼠带菌(诸如鼠疫)情况推测某些疫病流行程度和状况;三是在生物制品生产领域,长爪沙鼠可以作为生物制品的原材料用来生产流行性出血热疫苗。不但创造了很大的经济价值,而且具有重大的社会效益;最后,长爪沙鼠还是宠物。长爪沙鼠体型介于大小鼠之间,毛色金黄,喜欢探索周围环境,常用后肢站立,抬高头部用来观察周围情况,非常有灵性。国外育种专家已经培育出多种毛色的长爪沙鼠,使其得到更多人的青睐。目前有数个长爪沙鼠宠物网站,也有专门的长爪沙鼠宠物饲料出售。可以说长爪沙鼠已经从一个野生动物逐渐走入人类的生活,尽管可能我们没有注意,但是它真的进入了我们的科研、疫病防控、生产和日常生活中。

中国实验动物信息网:据了解,陈教授您实验室在应用长爪沙鼠构建脑缺血和糖尿病模型方面取得了系列研究进展,您可以简要概述一下这些研究的结果、突破性成果吗?国内其它机构在开展相关研究取得的研究成果有哪些? 

陈振文教授:长爪沙鼠脑底动脉Willis环变异存在不同类型,因此模型成功率约为30%,这不但影响实验结果的统计,还造成动物的浪费,也有悖于动物福利原则。虽然有多个学者试图通过眼底血流等方法预测脑缺血的发生,但并没有彻底解决这个问题。更令人忧心的是,在2005年的报道中发现,美国最大的两个长爪沙鼠种群中后交通支的缺失率大大降低,导致UCO模型的成功率降低到17%左右,这使定向培育长爪沙鼠脑缺血高发种群的工作更为迫切。因此,提高模型复制成功率已成为亟待解决的问题。我们经分析发现Willis环前交通支变异缺失有7种类型,后交通支变异缺失有5 种类型。前交通支变异或缺失占46.1%,而后交通支变异或缺失占85.2%。我们通过大量的研究发现,后交通支缺失并伴有前交通支缺失或细小是行单侧颈总动脉结扎后出现典型半脑缺血症状的基础。通过连续5代动物的脑底动脉 Willis环解剖比较观察,发现长爪沙鼠脑底动脉Willis环的变异缺失类型具有明显的遗传特征。尽管并非经典的孟德尔遗传方式,但使得定向培育长爪沙鼠脑缺血模型高发群体成为可能。我们采取传统的选育方法,经过十余代培育了脑缺血高发群体,目前该群体动物经单侧颈总动脉结扎后,其成模率已由最初的40%以下,上升到了70%以上;双侧颈总动脉结扎后,全脑缺血模型的成模率高达80%以上。该群体自2006年培育以来,已封闭繁殖了13个世代。经微卫星 DNA 标记遗传分析结果表明,该群体遗传结构符合封闭群遗传概貌。经多家研究人员应用反馈,该群体动物成模率高,模型症状稳定。2014年1月“封闭群长爪沙鼠脑缺血模型高发群的培育”通过了专家鉴定。2015年通过人工剖腹净化获得清洁级长爪沙鼠脑缺血高发群,经过国内权威机构检测,符合实验动物大小鼠微生物和寄生虫国家标准。自2009年开始,从已培育的封闭群长爪沙鼠脑缺血模型高发群体中选取10对长爪沙鼠,经脑血管类型分型和模型症状( 评分) 监测,按平行法和严格的同胞兄妹交配的方式进行近交系培育,结果有2个支成功繁殖下来,目前已连续近交23代。在F20代检测结果发现,脑血管Willis环缺失率达80%,单侧颈总动脉结扎脑缺血模型发生率已达到85%以上。 经用筛选出的28个微卫星位点进行遗传检测,在F20代时,除2个位点仍为杂合外,其余均已纯合,微卫星位点的纯合率达到92.86%。经26个生化位点对近交系检测发现在F19和F20代时,全部位点都呈单态。随机交配的近交系动物F21、F22代也呈现单态。有关近交系动物的相关生物学性状测定和脑血管Willis环变异缺失相关机制研究正在进行。

我们在培育长爪沙鼠脑缺血模型近交系的过程中,在第7代近交动物中偶然发现其中一个分支的动物有空腹血糖升高的现象,于是对该分支进行筛查,结果发现,空腹血糖(FPG)大于5.2 mmol/L 的动物数占33.33%,经餐后2h(PG2h)血糖大于6.8 mmol/L的动物数占27. 45%,2项指标均符合糖尿病标准的动物8只,占动物总数的16.68%(参考Boquist标准)。随后选择这8只动物进行近交繁育并筛选。现已近交繁育至19个世代。利用FPG和PG2h指标选择高血糖动物进行定向培育至第17世代,FPG>5.2mM的动物比例为100%;PG2h>6.8mM的66.7%;FPG和PG2h都符合的比例为66.7%分析发现。经检测发现空腹血糖、胰岛素、稳态胰岛素抵抗指数、胆固醇、瘦素、脂联素等在高血糖和正常对照组长爪沙鼠血清中均有显著差异。病理学检测发现动物的心脏、肝脏、肾脏、胰腺、脂肪和肌肉等都有明显的病理变化。军事医学科学院实验动物中心已对这2个模型群体进行了一系列的生物学特性研究,包括繁殖特性、血液生理生化指标特性、生长曲线、血液凝血因子测定、遗传检测方法的建立等;清华大学实验动物中心开展了长爪沙鼠模型动物的胚胎冷冻和体外受精研究;中国农业大学动物医学院病理学系开展了长爪沙鼠脑缺血和糖尿病模型动物的正常和病理组织学分析和描述研究;浙江省实验动物中心开展了长爪沙鼠脂肪肝和肝纤维化模型研究,并通过剖腹产生物净化建立了清洁级长爪沙鼠群体。上述单位在长爪沙鼠模型或生物学特性及相关机制研究中都取得了很好的进展和成绩。

中国实验动物信息网: 请陈教授谈谈国内外长爪沙鼠资源开发现状?国内现有的长爪沙鼠资源能满足科研机构的研究需求吗?您认为还有哪些方面有待改进?

陈振文教授:长爪沙鼠是一种源自中国的实验动物,从野生到驯养、再到实验动物化乃至将其用作动物实验迄今已有70多年的历史。在我国,浙江省实验动物中心和首都医科大学分别于1978年和1987年从野生捕获长爪沙鼠进行实验动物化研究。长爪沙鼠是我国特有的野生动物,但在其种群品系的培育方面我国却处于日本、美国等发达国家之后。目前在美国、日本和欧洲都有商品化的封闭群动物出售,美国加州大学己育成两个近交品系:WJL/uc(癫痫发作易感型)和STR/uc(癫痫发作抵抗型),日本也报道了育成癫痫品系MGS/ldr和保有MGS/Sea、Mon/JmsGbs、KWL、Hos等4个品系。而我国目前只有封闭群动物可供使用。随着对长爪沙鼠研究的逐渐深入,其在科学研究中的应用也越来越广泛。以Pubmed数据库为例,应用长爪沙鼠的研究报道在二十世纪60、70、80、90年代分别为164、1116、1951和3070篇,近10年约有3321篇。这是由于其具有脑底动脉Willis环、前列腺、眼、耳等独特的解剖结构及其对微生物易感性、多种肿瘤易发等生理和行为学特征,因此可应用脑神经、寄生虫病、微生物、生殖、内分泌、营养、代谢及药理、肿瘤等诸多领域研究。从Pubmed数据库收录的文献分析也可以看出,在长爪沙鼠使用最多的90年代,用其进行脑缺血研究的文献和用小鼠的数量相近,分别为1013和1011篇,约为使用大鼠文献(9855篇)的10%,总文献数量的3%。自1996年Hirayama报道了幽门螺杆菌(Helicobacter pylori,Hp)感染长爪沙鼠致胃炎、胃溃疡的动物实验以来,国内外已有众多采用人源性Hp分离株成功感染正常免疫生理状态下的长爪沙鼠的报道,目前仍为研究热点。

目前国内外对长爪沙鼠研究尚不能满足科技工作者应用长爪沙鼠的需要,尤其是有关长爪沙鼠的基础研究还不够深入,模型资源开发还处于有限的种类,模型的规范性和标准化还有待加强,这都一定程度限制了长爪沙鼠应用。可以说长爪沙鼠资源的开发与基础研究还任重道远。

中国实验动物信息网:您在今年实验动物科技创新与发展学术研讨会的专题报告上,介绍到您实验室对长爪沙鼠进化分析、基因组测序方面也还做了大量研究工作,后期在长爪沙鼠的标准制订方面有相关计划吗?

陈振文教授:刚才我说到长爪沙鼠的基础研究还不够深入,这是推广应用中的瓶颈问题,其中重要的就是缺乏基因组信息。我们如果利用大小鼠进行研究时,基因组信息可以通过网络获得。如果利用长爪沙鼠研究,由于没有可供参考的全基因组信息,当研究涉及某个基因时,就必须首先克隆这个基因序列,否则无法进行深入研究,这就极大地限制了长爪沙鼠在研究中的应用。我们实验室作为长期致力于长爪沙鼠研究的工作团队,有责任承担这项工作。我们在国家十二五科技支撑计划课题的支持下,目前已经完成了长爪沙鼠的全基因组测序工作,组装了全部的长爪沙鼠基因组序列,今年我们将会把长爪沙鼠的基因组信息释放出去,让国内外应用长爪沙鼠研究的科技工作者共享我们的成果,促进长爪沙鼠的研究与应用。同时,利用基因组信息我们也开展了一些研究工作,在基因水平我们发现长爪沙鼠与鼠科动物亲缘关系最近,与仓鼠科动物亲缘关系次之。也就是说长爪沙鼠是鼠科动物而不是仓鼠科动物。这与国内一些书籍或者网站的报道不一致。此外,针对长爪沙鼠某些生物学特性方面,我们在基因子组水平的分析工作也在紧张地进行。关于长爪沙鼠的质量标准方面,我们正在承担北京市科学技术委员重大专项课题,与中国食品药品检定研究院和浙江省医学科学院合作开展长爪沙鼠地方标准的研究工作,目前已经完成长爪沙鼠微生物、寄生虫、遗传质量控制、配合饲料和环境设施等5项地方标准(草稿)的撰写工作,另外与解放军总医院合作制定的长爪沙鼠病理标准也在进行中。这些标准已经在北京市质量技术监督局立项,预计在明年可颁布实施。

中国实验动物信息网:非常感谢陈教授接受中国实验动物信息网的特邀专访。

陈振文 教授

首都医科大学医学遗传学与发育生物学学系主任,教授,博士生导师,博士。

多年从事长爪沙鼠实验动物化研究,重点开展长爪沙鼠脑缺血模型和糖尿病模型高发群(近交系)的培育及糖尿病和血管发育分子机制等研究。

本科和硕士毕业解放军兽医大学,博士毕业于中国农业大学。从事教学、科研和管理工作30余年。

曾任解放军医学实验动物专业委员会主任委员,现兼任中国实验动物学会常务理事,国家自然基金评审委员,卫生部突发公共卫生事件国家级应急专家组成员,中华医学科技奖评审委员会委员,公安部科技评审委员会专家 ,北京市实验动物专家组成员,北京市实验动物协会副会长,中国实验动物学报、实验动物与比较医学、实验动物科学等杂志编委。

主持和参加包括863、国家支撑、自然基金在内的国家和省部级科研课题20余项;现任科技部国家十二五科技支撑计划 “长爪沙鼠、裸鼹鼠等资源动物种群的标准化及疾病模型机制研究”项目首席科学家。发表学术研究论文110余篇,其中SCI收录27篇;参编著26部,其中主编11部,副主编6部。获得军队科技进步二等奖2项、中国实验动物学会奖励3项、北京市实验动物行业协会奖3项以及其他各级奖励共13项。多年从事长爪沙鼠实验动物化研究,重点开展长爪沙鼠脑缺血模型和糖尿病模型高发群(近交系)的培育及糖尿病和血管发育分子机制等研究。