Лабораторная мышь или лабораторная мышь — это небольшое млекопитающее отряда грызунов , которое разводят и используют для научных исследований или в качестве кормушки для некоторых домашних животных. Лабораторные мыши обычно относятся к виду Mus musculus . Они являются наиболее часто используемой моделью для исследований млекопитающих и используются для исследований в области генетики , физиологии , психологии , медицины и других научных дисциплин . Мыши относятся к кладе Euarchontoglires , в которую входят люди . Это близкое родство, связанная с ними высокая гомология с людьми, простота их содержания и обращения, а также высокая скорость размножения делают мышей особенно подходящими моделями для исследований, ориентированных на человека. Геном лабораторной мыши был секвенирован, и многие гены мыши имеют человеческие гомологи. [1] Лабораторные мыши продаются в зоомагазинах в качестве корма для змей , а также могут содержаться в качестве домашних животных .
Другие виды мышей, иногда используемые в лабораторных исследованиях, включают два американских вида: белоногую мышь ( Peromyscus leucopus ) и североамериканскую оленью мышь ( Peromyscus maniculatus ).
Мыши использовались в биомедицинских исследованиях с 17 века, когда Уильям Гарвей использовал их для своих исследований по воспроизводству и кровообращению, а Роберт Гук использовал их для изучения биологических последствий повышения давления воздуха. [2] В 18 веке Джозеф Пристли и Антуан Лавуазье использовали мышей для изучения дыхания . В 19 веке Грегор Мендель провел свои ранние исследования наследования окраса шерсти у мышей, но его начальник попросил его прекратить разводить в своей камере «вонючих существ, которые, кроме того, совокуплялись и занимались сексом». [2] Затем он переключил свои исследования на горох, но, поскольку его наблюдения были опубликованы в несколько малоизвестном ботаническом журнале, они фактически игнорировались в течение более 35 лет, пока не были заново открыты в начале 20 века. В 1902 году Люсьен Куэно опубликовал результаты своих экспериментов с использованием мышей, которые показали, что законы наследования Менделя справедливы и для животных — результаты, которые вскоре были подтверждены и распространены на другие виды. [2]
В начале 20-го века студент Гарварда Кларенс Кук Литтл проводил исследования по генетике мышей в лаборатории Уильяма Эрнеста Касла . Литтл и Касл тесно сотрудничали с Эбби Латроп , которая разводила декоративных мышей и крыс, которых она продавала любителям грызунов и владельцам экзотических животных, а позже начала продавать в больших количествах научным исследователям. [3] Вместе они создали инбредную линию мышей DBA (Dilute, Brown and non-Agouti) и инициировали систематическое создание инбредных линий. [4] С тех пор мышь широко использовалась в качестве модельного организма и связана со многими важными биологическими открытиями 20-го и 21-го веков. [2]
Лаборатория Джексона в Бар-Харборе, штат Мэн, в настоящее время является одним из крупнейших в мире поставщиков лабораторных мышей, поставляя около 3 миллионов мышей в год. [5] Лаборатория также является мировым источником более 8000 штаммов генетически определенных мышей и является местом расположения базы данных Mouse Genome Informatics . [6]
Начало размножения происходит примерно в возрасте 50 дней как у самок, так и у самцов, хотя у самок первая течка может быть на 25–40 день. Мыши полиэстричны и размножаются круглый год; овуляция спонтанная. Продолжительность эстрального цикла составляет 4–5 дней и длится около 12 часов, происходит вечером. Вагинальные мазки полезны при синхронизированных спариваниях для определения стадии эстрального цикла. Спаривание может быть подтверждено наличием копулятивной пробки во влагалище в течение 24 часов после спаривания. Наличие спермы на вагинальном мазке также является надежным индикатором спаривания. [7]
Средний срок беременности составляет 20 дней. Плодородная послеродовая течка происходит через 14–24 часа после родов , а одновременная лактация и беременность продлевают беременность на 3–10 дней из-за отсроченной имплантации. Средний размер помета составляет 10–12 во время оптимального производства, но сильно зависит от штамма. Как правило, инбредные мыши, как правило, имеют более длительный период беременности и меньший помет, чем аутбредные и гибридные мыши. Молодняк называется щенками и весит 0,5–1,5 г (0,018–0,053 унции) при рождении, безволосый и имеет закрытые веки и уши. Щенков отнимают от груди в возрасте 3 недель, когда они весят около 10–12 г (0,35–0,42 унции). Если самка не спаривается во время послеродовой течки, она возобновляет цикл через 2–5 дней после отлучения. [7]
Новорожденные самцы отличаются от новорожденных самок большим аногенитальным расстоянием и большими генитальными сосочками у самцов. Это лучше всего достигается путем поднятия хвостов однопометников и сравнения промежности . [7]
Мыши — млекопитающие клады ( группы, состоящей из предка и всех его потомков) Euarchontoglires , что означает, что они являются одними из ближайших неприматных родственников человека наряду с зайцеобразными , тупайями и летающими лемурами .
Лабораторные мыши являются тем же видом, что и домовые мыши ; однако, они часто сильно отличаются по поведению и физиологии . Существуют сотни установленных инбредных , аутбредных и трансгенных линий. Линия , в отношении грызунов, представляет собой группу, в которой все члены максимально близки генетически. У лабораторных мышей это достигается посредством инбридинга . Имея этот тип популяции, можно проводить эксперименты по роли генов или проводить эксперименты, которые исключают генетическую изменчивость как фактор. Напротив, аутбредные популяции используются, когда идентичные генотипы не нужны или требуется популяция с генетической изменчивостью, и обычно называются запасами , а не штаммами . [8] [9] Было разработано более 400 стандартизированных инбредных линий. [ требуется ссылка ]
Большинство лабораторных мышей являются гибридами разных подвидов, чаще всего Mus musculus domesticus и Mus musculus musculus . Лабораторные мыши могут иметь различные окрасы шерсти, включая агути, черную и альбиносную . Многие (но не все) лабораторные штаммы являются инбридинговыми. Различные штаммы идентифицируются по определенным буквенно-цифровым комбинациям; например, C57BL/6 и BALB/c . Первые такие инбридинговые штаммы были получены в 1909 году Кларенсом Куком Литтлом , который оказал влияние на продвижение мыши как лабораторного организма. [10] В 2011 году, по оценкам, 83% лабораторных грызунов, поставляемых в США, были лабораторными мышами C57BL/6. [11]
Секвенирование генома лабораторной мыши было завершено в конце 2002 года с использованием штамма C57BL/6. Это был всего лишь второй геном млекопитающего, который был секвенирован после человека. [ 11] Гаплоидный геном имеет длину около трех миллиардов пар оснований (3000 Мб распределены по 19 аутосомным хромосомам плюс 1 или 2 половым хромосомам), поэтому он равен размеру генома человека. [ требуется цитата ] Оценка количества генов, содержащихся в геноме мыши, затруднена, отчасти потому, что определение гена все еще обсуждается и расширяется. Текущее количество первичных кодирующих генов у лабораторной мыши составляет 23 139. [12] по сравнению с предполагаемыми 20 774 у человека. [12]
Различные мутантные штаммы мышей были созданы рядом методов. Небольшой выбор из многих доступных штаммов включает в себя -
С 1998 года стало возможным клонировать мышей из клеток, полученных от взрослых животных.
Существует множество линий мышей, используемых в исследованиях, однако инбредные линии обычно являются животными выбора для большинства областей. Инбредные мыши определяются как продукт не менее 20 поколений спаривания брата X сестры, при этом все особи происходят от одной пары разведения. [15]
Инбредные мыши обладают несколькими чертами, которые делают их идеальными для исследовательских целей. Они изогенны , что означает, что все животные практически генетически идентичны. [16] Примерно 98,7% генетических локусов в геноме являются гомозиготными , поэтому, вероятно, нет никаких «скрытых» рецессивных черт , которые могли бы вызвать проблемы. [16] Они также имеют очень унифицированные фенотипы из-за этой стабильности. [16]
Многие инбредные штаммы имеют хорошо документированные черты, которые делают их идеальными для определенных типов исследований. В следующей таблице показаны 10 самых популярных штаммов по данным Jackson Laboratories .
Проект Jackson Labs DO ( Diversity Outbred ) [30] представляет собой программу разведения мышей с использованием нескольких родственных линий-основателей для создания генетически разнообразной популяции мышей для использования в научных исследованиях.
Эти мыши предназначены для точного генетического картирования и охватывают большую часть генетического разнообразия генома мыши. [31]
Результатом этого проекта стало получение более 1000 генетически разнообразных мышей, которые использовались для выявления генетических факторов таких заболеваний, как ожирение, рак, диабет и алкогольная зависимость. [32]
Лабораторные мыши сохранили многие физические и поведенческие характеристики домашних мышей; однако, из-за многих поколений искусственного отбора, некоторые из этих характеристик теперь заметно различаются. Из-за большого количества штаммов лабораторных мышей нецелесообразно всесторонне описывать внешний вид и поведение всех из них; однако, они описаны ниже для двух наиболее часто используемых штаммов.
Мыши C57BL/6 имеют темно-коричневую, почти черную шерсть. Они более чувствительны к шуму и запахам и более склонны кусаться, чем более послушные лабораторные штаммы, такие как BALB/c . [39]
Мыши C57BL/6, содержащиеся в группах (и другие штаммы), демонстрируют поведение, похожее на стрижку, которое раньше считалось признаком доминирования. Однако теперь известно, что это скорее стереотипное поведение, вызванное стрессом, сравнимое с трихотилломанией у людей или выщипыванием перьев у попугаев. [40] У мышей, которых часто стригли, могут быть большие лысые участки на теле, обычно вокруг головы, морды и плеч, хотя стрижка может появиться в любом месте тела. Также может происходить самострижка. Могут быть удалены как волосы, так и вибриссы . Стрижка чаще наблюдается у самок мышей; самцы мышей с большей вероятностью демонстрируют доминирование посредством драки. [41]
C57BL/6 имеет несколько необычных характеристик, которые делают его полезным для некоторых исследований, но неподходящим для других: он необычайно чувствителен к боли и холоду, а анальгетики менее эффективны в этом штамме. [42] В отличие от большинства штаммов лабораторных мышей, C57BL/6 пьет алкогольные напитки добровольно. Он более восприимчив, чем в среднем, к морфиновой зависимости , атеросклерозу и возрастной потере слуха . [11] При прямом сравнении с мышами BALB/c, мыши C57BL/6 также проявляют как сильную реакцию на социальные вознаграждения [43] [44] , так и эмпатию. [45]
BALB/c — это альбиносный лабораторно выведенный штамм, из которого выведен ряд общих подштаммов. С более чем 200 поколениями, выведенными с 1920 года, мыши BALB/c распространены по всему миру и являются одними из наиболее широко используемых инбредных штаммов, используемых в экспериментах на животных . [46]
BALB/c известны своим высоким уровнем тревожности и относительной устойчивостью к атеросклерозу , вызванному диетой , что делает их полезной моделью для исследований сердечно-сосудистых заболеваний. [47] [48]
Самцы мышей BALB/c агрессивны и будут драться с другими самцами, если их поселят вместе. Однако подвид BALB/Lac гораздо более послушный. [49] Большинство подвидов мышей BALB/c имеют большую репродуктивную продолжительность жизни. [46]
Существуют отмеченные различия между различными субштаммами BALB/c, хотя считается, что они вызваны мутацией, а не генетическим загрязнением. [50] BALB/cWt необычен тем, что у 3% потомства наблюдается настоящий гермафродитизм . [51]
Полезной моделью болезни Альцгеймера (БА) в лабораторных условиях является штамм мышей Tg2576. Двойные мутации K670M и N671L , наблюдаемые в человеческом сплайс-варианте 695 белка-предшественника амилоида (APP), экспрессируются этим штаммом. Промотор гена прионного белка хомяка , преимущественно в нейронах, управляет экспрессией. По сравнению с нетрансгенными однопометниками, у мышей Tg2576 наблюдается пятикратное увеличение Aβ40 и 10-15-кратное увеличение Aβ42/43. [52] [53] [54] У этих мышей развиваются сенильные бляшки, связанные с клеточными воспалительными реакциями, поскольку в их мозге примерно в пять раз больше трансгенного мутантного человеческого APP, чем местного мышиного APP. Мыши демонстрируют основные характеристики болезни Альцгеймера (БА), такие как повышенная генерация амилоидных фибрилл с возрастом, образование бляшек и нарушение обучения и памяти гиппокампа . Мыши Tg2576 являются хорошей моделью для ранней стадии БА, поскольку они демонстрируют амилоидогенез и нарушения рабочей памяти, связанные с возрастом, но не демонстрируют нейрональную дегенерацию. [55] Отсутствие гибели клеток предполагает, что изменения в типичных клеточных сигнальных каскадах, участвующих в обучении и синаптической пластичности, вероятно, связаны с фенотипом памяти. Нарушения ассоциативного обучения усугубляются, когда мышей Tg2576 скрещивают с трансгенными животными PS1, обладающими мутацией A246E FAD. Это скрещивание способствует накоплению амилоида и развитию бляшек в ЦНС. [56] Это подтверждает теорию о том, что патогенез БА зависит от взаимодействия между продуктами генов APP и PS-1. Хотя мыши Tg2576 не идеально воспроизводят позднюю стадию болезни Альцгеймера с гибелью клеток, они предлагают платформу для исследования физиологии и биохимии заболевания. С помощью моделей трансгенных мышей исследователи могут добиться прогресса в исследовании болезни Альцгеймера, понимая сложные взаимосвязи между продуктами генов, которые участвуют в производстве пептида Aβ.e физиологии и биохимии заболевания. [57] [58]
Традиционно лабораторных мышей брали за основание хвоста. Однако недавние исследования показали, что такой тип обращения усиливает беспокойство и аверсивное поведение. [59] Вместо этого рекомендуется обращаться с мышами с помощью туннеля или сложенных чашечкой рук. В поведенческих тестах мыши, которых брали за хвост, демонстрируют меньшую готовность исследовать и исследовать тестовые стимулы, в отличие от мышей, которых брали за туннель, которые охотно исследуют и показывают надежные ответы на тестовые стимулы. [60]
В природе мыши обычно травоядные , потребляющие широкий спектр фруктов или зерна. [61] Однако в лабораторных исследованиях обычно необходимо избегать биологической изменчивости, и для достижения этого лабораторных мышей почти всегда кормят только коммерческим гранулированным кормом для мышей. Потребление пищи составляет приблизительно 15 г (0,53 унции) на 100 г (3,5 унции) веса тела в день; потребление воды составляет приблизительно 15 мл (0,53 британской жидкой унции; 0,51 американской жидкой унции) на 100 г веса тела в день. [7]
Пути введения инъекций лабораторным мышам в основном подкожные , внутрибрюшинные и внутривенные . Внутримышечное введение не рекомендуется из-за малой мышечной массы. [62] Внутримозговое введение также возможно. Каждый путь имеет рекомендуемое место инъекции, примерный калибр иглы и рекомендуемый максимальный объем инъекции за один раз в одно место, как указано в таблице ниже:
Для облегчения внутривенной инъекции в хвост лабораторных мышей можно осторожно согреть под лампами для расширения сосудов. [62]
Распространенной схемой общей анестезии для домовой мыши является кетамин (в дозе 100 мг на кг массы тела) плюс ксилазин (в дозе 5–10 мг на кг), вводимый внутрибрюшинно. [64] Продолжительность эффекта составляет около 30 минут. [64]
Одобренные процедуры эвтаназии лабораторных мышей включают сжатый газ CO2 , инъекционные барбитураты , ингаляционные анестетики, такие как галотан, и физические методы, такие как смещение шейных позвонков и декапитация. [65] В 2013 году Американская ветеринарная медицинская ассоциация выпустила новые руководящие принципы для индукции CO2 , заявив, что скорость потока от 10% до 30% объема/мин является оптимальной для эвтаназии лабораторных мышей. [66]
Недавнее исследование обнаружило мышиный астровирус у лабораторных мышей, содержащихся в более чем половине исследованных институтов США и Японии. [67] Мышиный астровирус был обнаружен у девяти штаммов мышей, включая NSG , NOD-SCID, NSG-3GS, C57BL6- Timp-3 −/− , uPA-NOG, B6J, ICR, Bash2 и BALB/C, с различной степенью распространенности. Патогенность мышиного астровируса не была известна.
В Великобритании, как и в случае со всеми другими позвоночными и некоторыми беспозвоночными, любая научная процедура, которая может вызвать «боль, страдания, дистресс или длительный вред», регулируется Министерством внутренних дел в соответствии с Законом о животных (научные процедуры) 1986 года . Британские правила считаются одними из самых всеобъемлющих и строгих в мире. [68] Подробные данные об использовании лабораторных мышей (и других видов) в исследованиях в Великобритании публикуются каждый год. [69] В Великобритании в 2013 году было проведено в общей сложности 3 077 115 регулируемых процедур на мышах в учреждениях научных процедур, лицензированных в соответствии с Законом. [70]
В США лабораторные мыши не регулируются Законом о защите животных , администрируемым Министерством сельского хозяйства США (APHIS ) . Однако Закон о службе общественного здравоохранения (PHS), администрируемый Национальными институтами здравоохранения, предлагает стандарт для их ухода и использования. Соблюдение PHS требуется для исследовательского проекта, чтобы получить федеральное финансирование. Политика PHS администрируется Управлением по защите лабораторных животных. Многие академические научно-исследовательские институты стремятся получить аккредитацию добровольно, часто через Ассоциацию по оценке и аккредитации ухода за лабораторными животными , которая поддерживает стандарты ухода, изложенные в Руководстве по уходу и использованию лабораторных животных и политике PHS. Однако эта аккредитация не является обязательным условием для федерального финансирования, в отличие от фактического соответствия. [71]
Хотя мыши, безусловно, являются наиболее широко используемыми животными в биомедицинских исследованиях, недавние исследования выявили их ограничения. [72] Например, полезность грызунов в тестировании на сепсис , [73] [74] ожоги , [74] воспаление , [74] инсульт , [75] [76] БАС , [77] [78] [79] болезнь Альцгеймера , [80] диабет , [81] [82] рак , [83] [84] [85] [86] [ 87] рассеянный склероз , [88] болезнь Паркинсона , [88] и другие заболевания была поставлена под сомнение рядом исследователей. Что касается экспериментов на мышах, некоторые исследователи жаловались, что «годы и миллиарды долларов были потрачены впустую, следуя ложным указаниям» в результате озабоченности использованием этих животных в исследованиях. [72]
Мыши отличаются от людей несколькими иммунными свойствами: мыши более устойчивы к некоторым токсинам , чем люди; имеют более низкую общую фракцию нейтрофилов в крови , более низкую ферментативную способность нейтрофилов , более низкую активность системы комплемента и другой набор пентраксинов, участвующих в воспалительном процессе ; и не имеют генов для важных компонентов иммунной системы, таких как IL-8 , IL-37 , TLR10 , ICAM-3 и т. д. [73] Лабораторные мыши, выращенные в условиях , свободных от специфических патогенов (SPF), обычно имеют довольно незрелую иммунную систему с дефицитом Т-клеток памяти . Эти мыши могут иметь ограниченное разнообразие микробиоты , что напрямую влияет на иммунную систему и развитие патологических состояний. Более того, персистирующие вирусные инфекции (например, герпесвирусы ) активируются у людей, но не у мышей SPF с септическими осложнениями и могут изменить устойчивость к бактериальным коинфекциям . «Грязные» мыши, возможно, лучше подходят для имитации человеческих патологий. Кроме того, в подавляющем большинстве исследований используются инбредные линии мышей, в то время как человеческая популяция неоднородна, что указывает на важность исследований на межлинейных гибридных, аутбредных и нелинейных мышах. [73]
В статье в The Scientist отмечается: «Трудности, связанные с использованием животных моделей для человеческих болезней, возникают из-за метаболических, анатомических и клеточных различий между людьми и другими существами, но проблемы идут еще глубже», включая проблемы с разработкой и проведением самих тестов. [76] Кроме того, содержание лабораторных животных в клетках может сделать их неактуальными моделями человеческого здоровья, поскольку у этих животных отсутствуют ежедневные изменения в опыте, действиях и проблемах, которые они могут преодолеть. [89] Неблагоприятные условия внутри маленьких клеток для мышей могут оказывать пагубное влияние на биомедицинские результаты, особенно в отношении исследований психического здоровья и систем, которые зависят от здоровых психологических состояний. [90]
Например, исследователи обнаружили, что многие мыши в лабораторных условиях страдают ожирением из-за избыточного питания и минимальной физической нагрузки, что изменяет их физиологию и метаболизм лекарств. [91] Многие лабораторные животные, включая мышей, находятся в состоянии хронического стресса, что также может негативно влиять на результаты исследований и способность точно экстраполировать результаты на людей. [92] [93] Исследователи также отметили, что многие исследования с участием мышей плохо спланированы, что приводит к сомнительным результатам. [76] [78] [79]
Некоторые исследования показывают, что неадекватные опубликованные данные по испытаниям на животных могут привести к невоспроизводимым исследованиям, с отсутствующими подробностями о том, как проводятся эксперименты, опущенными в опубликованных работах или различиями в испытаниях, которые могут внести предвзятость. Примеры скрытой предвзятости включают исследование 2014 года из Университета Макгилла , которое предполагает, что мыши, с которыми работали мужчины, а не женщины, показали более высокий уровень стресса. [94] [5] [95] [96] Другое исследование, проведенное в 2016 году, показало, что микробиом кишечника у мышей может оказывать влияние на научные исследования. [97]
Прогнозируется, что к 2022 году мировой рынок генетически измененных мышей вырастет до 1,59 млрд долларов, при этом темпы роста составят 7,5% в год. [98]
Таксономия
Генетика
СМИ
Дальнейшее чтение