美國是生命科學技術發達的國家,實驗動物資源在其中發揮了重要的支撐作用。近50年來,美國國立衛生研究院(NIH)通過其下屬的美國國家研究資源中心(NCRR)對實驗動物資源、設施等進行了大規模的建設,形成了齊全的從昆蟲、水生生物、嚙齒類到非人靈長類等實驗動物資源體系。在美國有1300個有關實驗動物工作的生產與研究單位。實驗動物工作已形成為一個專業化、規格化、商品化和社會化的科研和經濟體系。
NCRR是NIH下屬的一個非營利機構,以項目資助的方式管理美國研究資源。美國NIH和其名下的比較醫學部或實驗動物中心多沒有隸屬關系,只是要從NIH獲取資助就要服從NIH的管理。NCRR有個比較醫學部(DCM),負責資助個人或研究機構以促進這些資源單位為生物醫學研究提供高質量、無疾病的健康動物或特殊動物。NCRR經過50年的發展,資助開發了200種26000個品系的實驗動物資源,包括:嚙齒類動物、非人靈長類動物、脊椎動物、魚類動物、生物材料及相關生物信息等。2011年,由于美國經濟不景氣,NCRR光榮地完成歷史使命,被國家轉化科學促進中心(NCATS)替代。
相對于歐洲而言,美國實驗動物使用情況并不透明。有人估計美國每年實驗動物使用量在2000萬只以上。美國《動物福利法》和《實驗動物福利法》要求美國農業部定期檢查實驗用貓、狗和非人類靈長類動物的使用情況(不包括嚙齒類動物、魚類和鳥類)。美國動物福利組織(PETA)在2014年的調查發現NIH資助的25個主要機構,實驗動物用量在過去15年間增加了73%,這主要是小鼠、大鼠的使用量。
(1)嚙齒類實驗動物資源
嚙齒類實驗動物包括小鼠、大鼠、地鼠、豚鼠、倉鼠等,是常用的實驗動物,占總數的90%以上。嚙齒類實驗動物在生命科學和醫藥研究中發揮核心作用,可以轉化為人類疾病的治療方法。特別是小鼠,與人類遺傳基因上許多共同之處,常用于開發、生理、行為、疾病和基因工程技術等方面研究。基于嚙齒類動物模型,科學家們發現了許多重要的生物醫學成果,推動了人類健康發展。下表列舉了美國嚙齒類實驗動物資源中心(表1)。
表1 美國嚙齒類實驗動物資源中心一覽表 | ||
資源單位 | 承擔機構 | 資源種類 |
突變小鼠資源中心(Mutant Mouse Regional Resource Centers) | 包括杰克遜實驗室、密蘇里大學、加利福尼亞大學、北卡羅來納大學等。是一個信息庫,多個不同國家的中心的整合信息 | 32776個小鼠品系,包括活體小鼠3856個,ES細胞系28920個 |
誘發突變小鼠資源(Induced Mutant Resource) | 杰克遜實驗 | 304種化學誘變小鼠品系 |
國家無菌嚙齒類動物資源中心(National Gnotobiotic Rodent Resource Center) | 北卡羅來納大學 | 無菌、悉生、SPF小鼠、大鼠、斑馬魚等20 多種。小鼠品系包括129S6/SvEv、BALB/C、C57BL/6J、Swiss、CD和部分轉基因動物 |
鹿鼠遺傳資源中心(Peromyscus Genetic Stock Center) | 南卡羅萊納大學 | 10種野生型鹿鼠和20 種突變型鹿鼠。用于生態學、遺傳學、生物進化、疾病和行為學研究 |
特殊小鼠品系資源(Special Mouse Strains Resource) | 杰克遜實驗室 | 249個特殊品系,包括重組近交系(199)和染色體置換系(50) |
大鼠資源研究中心(Rat Resource and Research Center) | 包括密蘇里大學、密歇根大學和德克薩斯大學等 | 300多種大鼠品系 |
Cre條件敲除品系資源 | 杰克遜實驗室 | Cre品系,Cre reporter品系,loxPflanked(floxed)品系 |
(2)非人靈長類實驗動物資源
非人靈長類動物是生物醫學研究中常用實驗動物。美國NIH 資助開發非人靈長類動物(NHP)人類疾病模型,提供基礎設施和專業知識,并促進NHP在生物醫學研究各個領域應用以及提高動物福利等。美國有8個非人靈長類實驗動物中心,還有若干實驗基地(表2),其NHP資源。
表2 美國非人靈長類實驗動物資源中心一覽表 | |||
資源單位 | 承擔機構 | 資源種類 | 研究領域 |
加利福尼亞國家靈長類研究中心(California National Primate Research Center) | 加利福尼亞大學 | 5300只恒河猴和56只南美伶猴 | 傳染病、生殖和發育、神經疾病、肺疾病、、認知行為等 |
新英格蘭國家靈長類研究中心(New England National Primate Research Center,注:已關閉) | 哈佛大學醫學院 | 9種1700多只猴,包括1000多只恒河猴,其他舊大陸猴,及新大陸猴,包括狨猴、松鼠猴、絹毛猴 | 艾滋病、癌癥、藥物成癮、精神疾病、神經退行性疾病等 |
俄勒岡國家靈長類研究中心(Oregon National Primate Research Center) | 俄勒岡州大學 | 3800只恒河猴,335只日本雪猴,10只長尾黑顎猴,9只狒狒和85只食蟹猴 | 生殖和發育學、神經科學、病理學和免疫學、代謝性疾病、干細胞治療、衰老等研究 |
西南國家靈長類研究中心(Southwest National Primate Research Center) | 西南大學 | 3200只猴,包括1600只狒狒,其他為SPF恒河猴、狨猴和絹毛猴。還有160只黑猩猩 | 慢性疾病、傳染病和生物防御、發育和老化等 |
圖蘭國家靈長類研究中心(Tulane National Primate Research Center) | 圖靈大學 | 5000只猴,包括恒河猴、食蟹猴、狒狒(5種)、綠猴、松鼠猴、白眉猴(5種)、赤猴、豚尾猴 | 傳染病和再生醫學研究,包括艾滋病、萊姆病、結核病和生物防御相關產品 |
華盛頓國家靈長類研究中心(Washington National Primate Research Center) | 華盛頓大學 | 3000只猴,包括食蟹猴、恒河猴、松鼠猴、豚尾猴 | 艾滋病相關疾病、系統生物學、神經科學、生殖和發育學、新發傳染病等 |
威斯康辛國家靈長類研究中心(Wisconsin National Primate Research Center) | 威斯康辛大學 | 3000只猴,包括恒河猴、食蟹猴和狨猴 | 全球傳染病(GID)、再生和生殖醫學(RRM)、能量代謝和慢性疾病(EMCD)、神經科學 |
耶基斯國家靈長類研究中心(Yerkes National Primate Research Center) | 耶基斯大學 | 3400只猴,包括恒河猴、白眉猴、松鼠猴、食蟹 猴,還有黑猩猩 | 微生物和免疫學、神經行為學和精神疾病、發育和認知神經科學、神經藥理學和神經疾病 |
加勒比靈長類動物研究中心(CPRC) | 波多黎各大學醫學院 | SPF猴 | 社會和性行為,群體遺傳學、生殖生物學、藥理學、功能形態和自發疾病和恒河猴寄生蟲 |
狒狒研究資源(Baboon Research Resources) | 俄克拉荷馬大學健康科學中心 | 不同年齡段的狒狒及SPF狒狒 | 狒狒相關生物醫學、行為學研究,疾病動物模型 |
松鼠猴繁殖和研究資源(Squirrel Monkey Breeding and Research Resource) | 安德森癌癥中心熱帶靈長類中心 | 450 個不同年齡段的松鼠猴 | 行為研究、生殖內分泌學、醫學靈長類動物學、遺傳學 |
長尾黑顎猴研究中心(Vervet Research Colony) | 維克森林大學醫學院 | 每年提供100只長尾黑顎猴,包括SPF猴 | 代謝性疾病、理學、生殖生物學研究 |
(3)其他脊椎和無脊椎動物資源
包括酵母、果蠅、線蟲、四膜蟲、海兔、豬、蟾蜍等資源(表3),以及使用這些動物開發的動物模型、基因工程動物、干細胞、細胞系或遺傳資源、計算機建模等。
表3 美國無脊椎實驗動物資源中心一覽表 | ||
資源單位 | 承擔機構 | 資源種類 |
果蠅資源中心(Bloomington Drosophila Stock Center) | 印第安納大學 | 果蠅41000個品系 |
果蠅基因組學資源中心(DGRC) | 印第安納大學 | 100萬以上的細胞克隆 |
線蟲遺傳資源中心(Caenorhabditis Genetics Center,CGC) | 明尼蘇達大學、愛因斯坦醫學院 | 線蟲11273株 |
國家海兔資源中心(National Resource for Aplysia) | 邁阿密大學 | 海兔10000多個 |
國家嗜熱四膜蟲資源中心(National Resource for Cephalopods) | 康奈爾大學 | 多種嗜熱四膜蟲 |
國家豬資源研究中心(National Swine Resource & Research Center) | 密蘇里大學 | 杜洛克、長白豬等10個品系和16個轉基因品系。 |
國家蟾蜍資源中心(National Xenopus Resource Center | 海洋生物研究所 | 25個非洲爪蟾品系,提供近交系、突變系和轉基因爪蟾。 |
(4)水生實驗動物資源
包括斑馬魚、其他魚類、海洋鼻涕蟲等水生動物、疾病模型和相關生物材料。水生實驗動物生殖周期短,卵透明,常用于發育生物學、行為學、人類疾病和功能基因組學研究。俄勒岡州大學斑馬魚國際資源中心擁有斑馬魚13161個品系。德克薩斯州大學的劍尾魚遺傳資源中心擁有劍尾魚23種,65個品系。
(5)其他資源
美國其他生物材料資源中心,包括基因分析資源、信息資源、獸醫資源與試劑、生物材料資源等。德州農工大學醫藥學院健康科學中心再生醫學研究所擁有數千種成人間充質干細胞資源。美國疾病研究交換所(NDRI)擁有人體組織和器官資源,每年提供4000多份樣本給癌癥、傳染病、心臟病、毒理和等研究機構。德州農工大學Kingsville 自然毒素研究中心構建了毒蛇資源中心,擁有29種450多條毒蛇,提供蛇的毒液、腺體、皮膚、血液和器官用于毒物研究。
美國的實驗動物資源在美國國內實現了很高程度的共享,同時也輻射到了歐洲。實驗動物資源研究一直是發達國家的關注的重點之一,不僅有研制、培育途徑,還有購買、引進或掠奪等多種途徑;不僅作為實驗動物資源,也作為物種資源加以保存、培育和利用;對生命科學、醫藥等起到了極大的支持作用。而歐洲采用多國合作、集中研制的形式,也在基因工程動物資源方面占領了一席之地。以英國劍橋大學Sanger研究所牽頭,德國和美國參與,總投入2億英鎊左右,建立了新一代的基因工程修飾小鼠胚胎干細胞資源庫。采用集中大規模研制模式,目前劍橋大學Sanger研究所已經有近20000種新一代基因敲除小鼠胚胎干細胞庫。其大規模、高效率的研究模式,具中國效仿價值。
國外實驗動物質量控制級別越來越高,規模化生產便于實現實驗動物的質量控制。近交系、SPF級、基因工程動物等數量逐漸增加,普通動物越來越少。由于實驗動物生產和供應方面產業化程度較高,為了保證實驗動物的質量,在競爭激烈的市場上處于有利位置,各個企業都制訂有自己的企業標準。比如大的實驗大鼠、小鼠商品化生產、銷售公司——Charles River制定的標準在全球實驗動物領域內得到基本認同,具有一定的代表性。以英國劍橋大學桑格研究所牽頭,德國和美國參與,總投入兩億英鎊左右,建立了新一代的基因工程修飾小鼠胚胎干細胞資源庫,在未來幾年內將完成兩萬以上基因敲除。
其中,英國是目前世界上實驗動物統計數據最準確的國家之一。1940年只有約100萬只動物用于科學研究,但1960年的數量增加到350萬只,1971年達到560萬只,幾年后仍然保持在550萬只左右。自1980年以來,這一數字顯著下降,2001年降至262萬,不到1970年使用量的一半。近年來,英國的實驗動物數量有所增加,在2012年增加到411萬,比2001年增加了57%。越來越多的實驗動物用量帶給時任英國首相大衛卡梅倫聯合政府很大的壓力(2010-2016)。
根據用于科學研究的動物物種紀錄,超過70%的實驗動物是嚙齒動物。2000年,英國五大廣泛使用的實驗動物是小鼠、大鼠、魚類、鳥類和豚鼠,分別占總數的59.2%、19.7%、9.0%、4.6%和2.6%。2001年,嚙齒動物占英國研究動物的82%;魚、兩棲動物、爬行動物和鳥類占14%;小型哺乳動物(嚙齒動物除外)占2.3%;大型哺乳動物占1.3%;狗貓占0.4%;和非人類靈長類動物占0.1%。2014年,常用的動物是小鼠、魚類、大鼠、鳥類、其他動物和受特別保護的動物,分別占總數的60%、14%、12%、7%、6%和1%。
由2016年英國使用實驗動物物種統計數據(Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain,2016)顯示,英國共使用了393.6萬只實驗動物(表1.3-1)。其中,使用最多的為小鼠約72.8%(286.6萬只),其次為魚類約13.6%(53.5萬只),之后依序為大鼠約6.3%(24.9萬只)、鳥類約3.8%(15.1萬只)、其它約3%(13.3萬只),另外受特別保護的物種(specially protected species)的使用,主要是馬(8900個計劃)、狗(4,900個計劃)、非人類靈長類動物(3600個計劃)和貓(190個計劃)。比較2016年和2015年的物種,在使用數量上有顯著變化,除了豚鼠(guinea pigs)增加20%(4400只)至26000只(與2014年數量相當),家禽增加9%(12000只)至138000只,兔子增加9%(1300只)至15000只,綿羊增加3%(1300只)至48000只外;其它動物如大鼠,則減少7%(19000只)至239000只,與2014年的數字相當,小鼠則減少4%(49000只)至122萬只;在魚類總體減少2%(7000只)至287000只,其中斑馬魚使用的數量增加了28%(42000只),“其他魚類”的使用則減少了34%(49000只)。
值得注意的是,從2007年至2016年在英國前三大使用的實驗動物(小鼠、大鼠及魚類)使用數量變化,顯示英國在3Rs觀念的倡導下,此三種實驗動物使用數量確實有逐年減少的趨勢(圖 1)
圖1 2007年至2016年英國使用小鼠、大鼠和魚類作為實驗動物數量的變化
資料來源:Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain,2016
另外,分析實驗動物在進行實驗時其遺傳的狀態為基因改變動物(genetically altered animals)或非基因改變動物(not genetically altered animals)的比例,顯示2016年在英國約有729000個實驗動物涉及改變基因,此數量比2015年增加1%(9600只),持續過去9年的增長趨勢。且較2007年以來使用改變基因動物進行試驗研究的數目增加了36%(194,000只)。相反的,沒有涉及遺傳改變的動物的數量自2015年至2016年期間下降了5%至129萬只,繼續呈下降趨勢,若從2008年高峰的165萬只計算則大約減少21.8%(圖2)。
圖 2 2007年至2016年,英國實驗動物在進行實驗時,其遺傳的狀態(基因改變過或未經過基因改變)
資料來源:Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain,2016
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