摘要：动物模型可以模拟疾病的发展、诊断以及类似于人类的治疗。考虑其伦理问题，在动物模型体内研究药物或设备、毒性、剂量、副作用以供将来在人类中使用。动物模型在许多方面可以模拟人类的各种疾病状况，如全身性自身免疫疾病、类风湿性关节炎、癫痫、阿尔茨海默病、心血管疾病、动脉粥样硬化、糖尿病等。这是动物模型在生物医学研究中巨大应用的重要性。动物模型在药物开发、医疗器械开发、组织工程、伤口愈合以及骨和软骨再生研究方面具有重要意义可作为血管手术模型和椎间盘再生手术模型。尽管所有模型都有一些优点和挑战，但是，本文强调了各种小型和大型动物模型在药物开发、转基因动物模型、医疗器械开发模型、各种人类疾病研究、骨和软骨再生模型中的重要性，糖尿病和烧伤创伤模型以及外科手术模型如血管手术和椎间盘退变手术考虑了该特定动物模型的所有伦理问题。

背景：各种研究和调查中使用的动物都与人类历史的演变有关。 尽管有许多证据表明古希腊的亚里士多德成功地利用动物来理解人体，但动物模型的主要突破发生在 18 世纪和 19 世纪，科学家们如Jean Baptiste Van Helmont, Francesco Redi, John Needham, Lazzaro Spallanzani, Lavoisier和 Pasteur 使用动物模型研究生命起源。同时，还利用动物模型研究了人体生理学、解剖学、病理学和药理学。随着药物开发、生物医学和临床前试验的显著进步，动物模型的重要性在过去几十年中增加了许多倍，因为药物和医疗器械治疗结果和药物安全性被认为是最重要标准。动物模型在生物研究和药物开发领域的科学应用是一项古老的实践，因为人类和动物特别是哺乳动物在生理学和解剖学上有显著的相似性。必须考虑到人类以及哺乳动物的生理过程在循环因子、激素、细胞结构和组织系统方面是复杂的。必须考虑对生理和病理条件下的分子结构、细胞和器官功能等各个方面的研究。由于各种限制生物医学研究动物模型的选择过程是一个非常复杂的部分。在选择生物医学试验的理想动物模型时，应考虑许多因素。最重要的标准是根据动物物种和人类在生理和/或病理生理方面的相似性来正确选择模型。应用某些动物模型进行药物/分子/设备的详细评估及其在与人类相同水平上复制疾病或病理的能力时应考虑动物物种的可用性和大小。许多动物物种，如果蝇、斑马鱼、秀丽隐杆线虫）、非洲爪蟾和哺乳动物，如小鼠、兔、大鼠、猫、狗、猪和猴，因其与人类的系统发育相似性而被全世界接受做为动物模型。选择合适的动物模型是一项繁琐的工作，有时取决于研究和研究人员的假设和便利性，而不考虑模型是否合适。不合理地选择不合适的动物模型进行科学研究会产生不正确的发现，以及滥用资源和生命。它会导致错误、重复和不适当的实验。 为了最大限度地减少这些问题，最近研究人员已经推进了他们的研究，以产生非常特定于所考虑研究的动物模型。通过注射外源 DNA 或通过逆转录病毒载体将遗传信息直接整合到胚胎中来生产定制的转基因动物模型。通过将人类细胞植入受体动物，研究人员可以研究病原体对人体的影响。正确选择动物模型主要与所研究的药物或医疗器械的性质有关。 在许多情况下，单个动物模型不能单独表示人类疾病，在这种情况下，多个模型的组合可能会潜在地表示该疾病过程。

动物在生物医学研究中的意义和挑战：

研究人员一直在争论动物模型的重要性，因为许多实验产生了有希望的结果，而其他实验却无法产生预期的结果，因此，有希望得动物模型也可以进行临床转化。由于具有与人类相似的遗传、生化和心理活动，非人类灵长类动物被证明是最有潜力的候选者。 非人类灵长类动物的必要性在人类疾病研究的几个领域中持续增长，即 艾滋病、帕金森病、肝炎、牙科、整形外科技术、心血管手术、心理障碍、毒理学研究、药物开发、毒理学研究以及疫苗开发。用动物模型发现疫苗和诊断方法不仅有益于人类，而且还延长了动物的寿命并预防了许多人畜共患病，生产了许多疫苗和药物，如狂犬病、破伤风、细小病毒、猫白血病。

使用动物的伦理问题：动物研究遵循政府立法、公众舆论、道德立场等几个方面，并为研究寻找合适的替代方案。 Mahatma Gandhi认为要判断一个国家的伟大和道德进步就观察其对待动物的方式。 在动物研究期间政府立法限制研究人员和研究所可能造成的伤害、疼痛或痛苦。相反，许多现代国家规定在人体给药前，应在动物身上进行疫苗试验、致死剂量试验。社会接受度在动物实验中也有重要作用。在他们的道德观中，很多人认为狗比猪、鼠、鱼、老鼠等对道德的影响更大。动物实验的伦理问题始于1959年，强调3R原则。必须尽量减少实验期间动物的疼痛或痛苦，即优化。 在适用的情况下，应使用其他非动物替代品替代动物，即替代。虽然这些原则被认为是动物实验的基石，但这些规定的实施存在问题。

模拟人类疾病的实验室（小型）和大型动物模型：已证明大鼠和小鼠模型在生物医学研究中的突出重要性。 此外，其他哺乳动物和非哺乳动物小型家养动物，如豚鼠、仓鼠、兔、雪貂、鸟类、两栖动物、鱼类、苍蝇、蠕虫，与人类的解剖和生理方面具有相似性。 大型动物模型由于与这些特定研究相关的特定解剖学和生理学特征也证明了它们的独特性。

生物医学研究中的转基因动物模型：在过去的三十年里，随着转基因动物模型在生物医学研究中的引入，基因在人类疾病的生物系统中的规则和作用已经提高了许多倍。 基因型与疾病表型的联系已通过基因组编辑和CRISPR–Cas9系统的引入而加快，动物模型通过该系统进行致病突变。此外，CRISPR–Cas9系统的引入彻底改变了转基因动物的生产。已经在动物中产生了精确的人类疾病模型，并且加强了可能的治疗。通过引入 gRNA 结合 Cas9 和供体模板 DNA 实现了动物模型中各种致病单核苷酸多态性 (SNP) 的概括，小鼠模型在携带人类遗传特征、发育相似性以及疾病转化方面具有重要意义。MIT/Broad研究所的zhang和sharp在体内和离体神经元以及小鼠的内皮细胞中使用 CRISPR-Cas9 通过 AAV 和慢病毒在小鼠中制作肺癌模型，即 Kras、Tp53、 和 Lkb1基因发生突变.麻省理工学院-哈佛的一个团队破坏了肿瘤抑制基因 Pten 和 Tp53，因此在小鼠中产生了肝癌。

药物开发中的动物模型: 在最近的进展中，动物模型是进行临床前药物筛选的最实用工具。 就药物效率、安全性、毒理学研究等基本药代动力学参数而言，动物模型被认为是最重要的体内模型。对大量动物进行毒理学试验，如一般毒性、致突变性、致癌性和致畸性，并评估药物是否对眼睛和皮肤有刺激性。 大多数情况下在进行临床试验之前，体外和体内模型都证实了毒性。体内模型主要有小鼠、大鼠和兔。动物模型的临床前试验涉及某些阶段：首先，如果试验药物显示出理想的疗效，则仅进行进一步的研究；其次，如果一种药物在动物临床前试验中被证明是安全的，那么它将在小范围人类志愿者组中使用，同时，通过动物试验将继续评估药物在长期使用时的效果。因啮齿动物具有与人类相似的生物学特性且易于在实验室中处理和饲养，常用于这些试验。 新规规定，兔、狗、猫、灵长类等非啮齿类动物试验必须与啮齿类动物同时进行。

骨科研究中的动物模型：有许多涉及骨骼病变的疾病，例如骨髓炎、骨肉瘤、骨质疏松症等。骨作为一个复杂的器官，其治疗需要特殊的护理和广泛的研究，包括专门的技术和用于研究特定疾病的特定动物模型。在此，动物模型主要强调与骨折愈合、骨质疏松症、骨髓炎和骨肉瘤相关的疾病。

糖尿病和烧伤创面愈合的动物模型：2型糖尿病和相关的足部溃疡已在全球范围内流行，给患者以及整个国家的卫生保健系统造成严重的社会经济问题。各种研究表明，糖尿病患者发生溃疡的几率在15-25%之间，康复后一年内复发的几率约为20-58%。许多研究人员研究了治疗糖尿病伤口的不同材料或药物。类似地，由于暴露于火焰、热表面、液体、化学品，甚至冷暴露也会造成烧伤。尽管最近采用了植皮等方式，预后有所改善，但死亡率很高。

糖尿病创伤大鼠模型：临床上健康的雄性 Wistar 大鼠 (体重150 ~ 250 g )，腹膜内注射150 mg/kg烟酰胺（NAD） ，15分钟后腹膜内注射 65 mg/kg链脲佐菌素（STZ）来诱发高血糖。必须在 24 小时后重复相同的程序。 72小时后从尾部采血检查高血糖。 高血糖（≥ 10 mmol/L）的大鼠被认为患有糖尿病。使用甲苯噻嗪@10 mg/kg（肌肉注射）和氯胺酮@90 mg/kg（肌肉注射）进行大鼠麻醉来制备创面。剃毛后进行无菌处理，用亚甲基蓝标记背部区域。使用直径为 6 毫米、深度为 2 毫米的无菌 6 毫米活检打孔器制备全层创面并保持伤口开放。

烧伤动物模型：由于烧伤的严重性和原因的类型，烧伤的处理对整形外科医生提出了重大挑战。一般来说，一级和二级烧伤伤口通过一级愈合过程愈合，但是，三级烧伤破坏了所有皮肤层对正常愈合过程具有抵抗力，因此需要增加外科手术，如植皮和高级伤口敷料。几位研究人员使用体重 250 ± 50 g 的白化 Winstar 雄性大鼠模型来研究烧伤伤口。 肌肉注射硫酸阿托品 (0.04 mg/kg ) 实现预麻醉，10 分钟后肌肉注射 10% 氯胺酮 (90 mg/kg) 和 2% 甲苯噻嗪 (10 mg/kg) 维持麻醉。对背部区域进行无菌处理后，使用预先加热至 100 °C 使水沸腾的 10 mm 铝棒进行热损伤。 铝棒在背部原位保持 15 秒。术后立即镇痛并持续至少3天。使用热风机造成小鼠模型 6% 的三度烧伤。猪通过放置一个装有92°C热水的玻璃瓶14 s来制作皮肤部分厚度烧伤模型。在其他研究中将自制加热装置放置在皮肤上35 s以产生烧伤伤口。兔模型证明了使用干燥加热的90°C黄铜棒下在耳朵上10和20秒形成一定深度部分厚度烧伤伤口。小鼠模型，在 3-5% 异氟醚麻醉和 5 mg/kg 腹膜内卡洛芬镇痛下 连接温度探头的 4 cm2 黄铜棒首先加热至 260 °C，然后冷却至 230 °C，最后放置在背部皮肤上 9 s，造成全层烧伤。

软骨修复动物模型：动物模型在软骨修复的研究中具有巨大的重要性。尽管已经报道了体外模型，但它不能取代在临床实施之前使用动物模型的必要性。血管移植动物模型：随着心血管并发症的增加，需要使用血管移植物进行手术干预。血管移植和心脏瓣膜修复已成为临床医生替换受损血管的重要问题，因此对组织工程血管替代物的需求增加。主要的假体选择是合成移植物，如聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯和自体导管。尽管这些类型的合成移植物在大直径血管应用中提供了合理的结果，但与小直径的自体导管相比，长期通畅性值得怀疑。尽管自体移植物具有优越的结果，但它也有一些缺点，如可用性有限和先前使用。此外，确定合适的动物模型需要考虑各种因素。选择动物种类的因素取决于导管的直径和长度、植入时间、吻合部位、价格、可及性、对麻醉和手术的反应以及移植物植入部位的血流量。

椎间盘退变的动物模型：椎间盘退变（IVDD）和突出症表现为腰痛，对患者和整个社会造成巨大的社会经济负担。但缺乏治疗轻度至中度退行性变以及与晚期相关的手术干预相关的并发症。研究人员正在大力加强再生策略，通过注射干细胞、生长因子水凝胶替代椎间盘来控制疼痛从而降低痛苦。

结论：动物模型在体内研究中的重要性是毋庸置疑的。它不仅为人类服务，也为动物的福祉服务。动物模型不仅在药物开发、毒性研究、药物药代动力学研究中具有重要作用且在拟用于人类的医疗和组织工程设备的临床前研究中也起重要作用。与大型动物模型相比，实验动物模型更具成本效益，更适合高通量测试。为了获得临床前数据并确定血管移植物以及骨科骨板和植入物的临床潜力，将开发模拟人体解剖学和生理学的大型动物模型。无论采用何种动物模型进行生物医学研究，都应遵循3R原则，即减少、优化和替代。

原文出自：Role of animal models in biomedical research: a review | SpringerLink