犧牲，夥伴，還是搗蛋鬼？——生命科學實驗室里的真正統治者

又是一個工作日的早上，走近那扇熟悉的隔離門，換上專用鞋，刷一下門禁卡或者輸入通行密碼，伴隨著咔噠一聲的開鎖音，空調和送風系統營造出的「風」伴隨著消毒水的味道吹拂在臉上。在第一隔離間脫掉自己的外套，穿好隔離服並戴好口罩和手套，然後在第二隔離間噴洒酒精消毒雙手，進入風淋室做一個舉高高的姿勢——這樣能夠讓附著在隔離服上的塵埃被徹底吹走。等到風淋室的雜訊停止、門鎖自動打開之後，你就能看到一條潔凈明亮的走廊，兩側分布著大小相似的房間。這裡沒有四季變換，也沒有日出日落：室溫恆定在22-24℃，濕度50-60%，人工照明每天早上8:00點亮，晚上8:00關閉。每個小房間里都排列著一人高的金屬架子，每個架子分為4-6層，每層上整齊地安置著鞋盒大小的塑料盒子。在這些盒子里悉悉索索的吃著東西或者安靜的蜷成一團睡著了的小傢伙們就是你今天的工作搭檔。

無特定病原體（Specific pathogen Free,SPF）動物飼養環境

從事動物實驗研究的小夥伴們想必對這個場景已經熟悉的不能再熟悉了，帶有屏障隔離系統的動物房基本是各大醫學院校和生命科學類研究所的標準配置。自科學誕生以來，實驗動物對人類生命科學發展的貢獻就從未停止。

孟德爾、磺胺酏劑和SV40病毒

人類使用動物進行實驗和測試的歷史可以追溯至公元前2-4世紀的古希臘——著名的哲學家和科學家亞里士多德（Aristoteles），以及醫學家埃拉西斯特拉圖斯（Erasistratus）是最早進行活體動物實驗的先驅者。不過直到16-18世紀，嚙齒目鼠科動物，尤其是小家鼠（Mus musculus，通稱為小鼠）和褐家鼠（Rattus norvegicus，通稱為大鼠）才開始進入科學家們的視野。

1856年，當時的奧地利帝國境內，一位對自然科學十分感興趣的年輕人在布爾諾的聖托馬斯修道院進修時，利用他的業餘時間開展了對小鼠毛色遺傳規律的研究。修道院的大主教顯然不太能接受他手下即將成為神父的修道士在小隔間里觀察「一群總是在進行交配的，散發著臭味兒的生物」，於是這位未來的修道院院長只好把他的實驗對象從小鼠轉移到了花園裡的豌豆。在長達8年的辛勤勞作和謹慎細緻的觀察記錄後，這位對自然科學懷抱著滿腔熱忱的修道士將他發現的豌豆性狀遺傳規律總結成論文，並發表在當時的學術刊物Proceedings of the Natural History Society of Brünn上。然而這個晦澀的植物學研究結果並沒有得到當時科學界的重視，直到35年後才被重新發掘出來，掀開了遺傳學史乃至生命科學史上的新篇章。

與小鼠實驗擦肩而過的遺傳學之父孟德爾

科學的進步是一條單行線，我們無法得知如果孟德爾堅持使用小鼠進行他的遺傳定律研究，會不會將整個生命科學的發展進程提前三分之一個世紀。但是嚙齒類動物確實被裹脅在人類科學前進的浪潮里，一步一步的走進了我們的實驗室。

20世紀初期，除去對一些麻醉類藥物的禁令，美國的聯邦法律條文中沒有任何針對上市新葯安全性的要求和規定。1937年，一家名為S. E. Massengill Company的製藥商生產了一種溶解在二甘醇（diethylene glycol, DEG）里的磺胺酏劑。磺胺類是當時主流的消炎藥物，能夠有效降低病菌感染率。然而開發這種磺胺酏劑的藥劑師不知道的是，DEG是能夠導致人類和其他哺乳動物腎衰竭的毒性有機物。Massengill公司沒有進行任何安全性測試就在9月將這種新葯投入了市場。一個月後，美國醫學會開始收到令人不安的、由磺胺酏劑導致的死亡報告。儘管當局開展了大規模的藥物召回，這場悲劇仍然以至少100人的生命為代價收場——包括那位製作了這種「新葯」的藥劑師，他在等待庭審的過程中結束了自己的生命。這一事件直接推動美國國會於1938年通過食品藥品和化妝品法案，規定公司在新產品上市前必須執行動物測試、並通過相關部門審核，以確保其安全性。從此，以嚙齒類動物為主的藥理學和毒理學測試成為了藥物研發的必經之路。

致命的磺胺酏劑

時間進入當代社會，隨著DNA雙螺旋結構的發現以及顯微操作技術的快速發展，第一隻轉基因小鼠誕生了：1974年，Rudolf Jaenisch將SV40的DNA注射進小鼠的早期胚胎，成功將這段外源性DNA整合進了小鼠的基因組。從這以後，以小鼠為主要對象的基因編輯技術飛速成長起來。從第一代基因打靶到最新的CRISPR/Cas9剪切，我們能夠針對某個特定基因進行突變、刪除甚至增添；我們也可以控制這些基因只在動物的某個特定身體部位表達或沉默。對於科學家來說，根據自己的意願來定製基因工程動物已經不再是夢想——現代醫學的發展讓我們能夠認識到各種疾病及其對應的一種或多種基因之間的複雜關係，而各式各樣經過基因編輯的小鼠為我們提供了研究各類重大疾病、甚至是各種生命活動機制的絕佳平台——它們成為了生命科學領域內實驗室的主宰。

SV40病毒（猴空泡病毒40）

小鼠實驗的「工業革命」

根據來自歐盟的一項調查報告，歐盟國家在2008年這一年內使用了1200萬隻脊椎動物用於各類研究，這其中小鼠和大鼠佔據了將近80%，而一些體型較大、成本較高的實驗動物比如馬、猴子、豬和狗則不到1%。英國在2014年使用了321萬隻嚙齒類實驗動物，占實驗動物總使用量的83%。這其中292萬隻小鼠和25萬隻大鼠參與了各類研究和實驗；美國雖然並沒有關於實驗動物數量的具體報告，但根據估計，實驗用鼠的數量可能在1100萬隻到1億隻之間。

歐盟國家2008年使用的實驗動物

紐西蘭的神經科學家Bart Ellenbroek做過這樣一個調查：在Elsevier旗下的Scopus資料庫內檢索神經科學領域1960年到2015年發表的研究論文，發現在1960-90年代使用大鼠的研究論文數量增長迅猛，並且比起小鼠，科學家們更喜歡用大鼠完成他們的研究課題。大鼠比小鼠更加溫順，適應環境的能力更強，檢測它們的行為也更為容易。更重要的是，大鼠的大腦結構更便於接受顱內植入電極或者藥物導管的手術，而尺寸相對較小的小鼠在接受顱內手術時造成的大腦損傷區域更大，操作難度也更高。

在神經科學領域發表的使用大鼠和小鼠為實驗對象的論文數量統計

轉折出現在新世紀，隨著基因工程小鼠的出現，使用小鼠的研究論文數量以50%的速度飛快增長，並且取代大鼠成為了實驗室里新的主宰者。美國國立衛生研究院（National Institutes of Health, NIH）在90年代將小鼠認定為現代生物學的典型模式動物之一，各國科學家也在人類基因組測序工作後開展了針對小鼠的基因組測序並進行了比對，發現約有40%的小鼠和人類基因組序列具有相高度似性，80%的人類基因在小鼠基因組中能找到相應的基因。根據NIH的報告，目前有幾十種針對特定基因的基因敲除（Knock out）小鼠作為肥胖症、心臟病、糖尿病、關節炎、帕金森症、焦慮症和藥物濫用的病理模型，為我們理解和攻克這些人類常見疾病做出貢獻。

實驗動物商業巨頭Charles River Laboratories所提供的幾種商品化小鼠

「對照組」真的是對照組嗎？

生長在標準飼養間里的嚙齒類動物為我們帶來了生命科學，尤其是醫學和藥物研發的巨大進步。但是這種以單一模式動物為對象的研究結果也在遭受質疑。

二十幾年前，科學家們就在尋找能夠在中風後阻止大腦損傷的新方法。中樞神經系統內的一種興奮性神經遞質谷氨酸（glutamate）進入了人們的視野。由於病理情況下大腦內過度增加的谷氨酸對神經細胞具有毒性損害作用，許多製藥公司都在開發能夠有效阻斷谷氨酸作用的抑制劑。這些新型藥物在大鼠和小鼠身上都取得了巨大的成功，但是在耗費了大量時間和金錢的臨床試驗之後，各個製藥巨頭不得不承認：這些在實驗室里取得了優秀療效的谷氨酸抑制劑對人類中風患者的病理癥狀無法產生任何改善。

Mark Mattson博士是美國國家老化研究所（National Institute on Aging, NIA）神經科學實驗室的負責人，也是約翰霍普金斯大學醫學院的教授。他敏銳的意識到了這其中可能存在的問題：在實驗室標準環境下生長的老鼠們都把自己喂的太胖了。在NIA的實驗室里，大鼠和小鼠被飼養在鞋盒大小的、以鐵絲網格為蓋子的塑料籠子里；粒狀鼠糧和裝滿了飲用水的瓶子就放在這些鐵絲網蓋上，24小時不間斷供應，這種模式被稱為自由採食（ad libitum）。這種廉價並且方便的飼養方法只需要飼養者定期檢查食槽和水瓶，保證食物和飲水的充足就可以了。沒有能夠吸引它們的玩具和轉輪，無事可做的老鼠們只能吃或者睡——它們比田野環境下的同類們吃的更多，長得也更笨重。

缺乏「運動」的大鼠

這可能就是藥物在臨床試驗中無法取得成功的原因——實驗室里餵養的肥胖動物的大腦可能會加強谷氨酸抑制劑的效果，而臨床試驗中的病人們可並不都是胖子。Mattson博士在2011年發表於NeuroMolecular Medicine期刊上的論文中證實了他的假設：給實驗室標準環境下飼養的小鼠節食處理後，谷氨酸抑制劑對腦損傷的良好療效消失了——這跟之前的臨床試驗結果一模一樣，使用實驗室老鼠篩選出的新葯可能只對肥胖人群起效。

Mattson博士的發現只是將嚙齒類動物用於人類疾病研究所引發的眾多爭論之一，也帶動著越來越多的學者去關注這種實驗動物單一化對實驗結果的影響，並且更加謹慎的做出判斷和結論。不可否認的是，在生命科學飛速發展的近代和現代社會，實驗動物以生命的巨大代價換回了人類的健康延續。不論是現在還是未來，這些毛茸茸的（也有一些是光溜溜的）小傢伙們依然會陪伴我們通過陰森的林間小道，走向燈火輝煌的真理殿堂。

參考資料和文獻：

https://en.wikipedia.org/wiki/Animal_testing#cite_ref-33

https://en.wikipedia.org/wiki/Animal_testing_on_rodents

Ellenbroek, B., Youn, J., 2016. Rodent models in neuroscience research: is it a rat race? Disease Models & Mechanisms 9, 1079-1087.

http://www.slate.com/articles/health_and_science/the_mouse_trap/2011/11/lab_mice_are_they_limiting_our_understanding_of_human_disease_.html

Martin, B., Ji, S., Maudsley, S., Mattson, M.P., 2010. "Control" laboratory rodents are metabolically morbid: why it matters. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107, 6127-6133.

Yoon, J.S., Mughal, M.R., Mattson, M.P., 2011. Energy restriction negates NMDA receptor antagonist efficacy in ischemic stroke. Neuromolecular medicine 13, 175-178.

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