实验动物学基础知识

1.实验动物
实验动物（Laboratory Animal,LA）指由人工培育，来源清楚，遗传背景明确，对其携带的微生物和寄生虫实行监控，用于生命科学研究、药品与生物制品生产和检定，以及其他科学研究的动物。实验动物追溯其祖先，可来源于野生动物、经济动物(家畜、家禽)、警卫动物和观赏动物等，但却有别于这类动物。实验动物一般具有以下三大特点：
(1)遗传学要求。必须是人工培育，来源清楚，遗传背景明确的动物。即实验动物应是遗传限定，且经人工培育的动物。依其遗传纯合程度，可把实验动物划分为近交系（Inbred-strain）突变系（Mutant strain）\系统杂交（Hybrid Colony）动物和封闭群（Closed colony or outbred stock）动物四大类群。
(2) 微生物和寄生虫的监控要求。在实验动物繁育的全过程中，必须严格监控其携带的微生物和寄生虫。目前，我国将对其微生物和寄生虫的控制程度划分为四个等级：即普通动物（Conventional animal,CV）、清洁动物（Clean animal,CL or Clean conventional animal,CCV）、无特定病原体动物（Specific pathogen free animal,SPF）、无菌动物（Germ free animal,GF），后者包括悉生动物(Gnotobiotes animal,GN)。SPF和GF动物不几仅人工监控其携带的微生物、寄生虫，而且是经剖腹产净化获得的。国际上是把实验动物的微生物和寄生虫控制分成普通动物，SPF动物和无菌动物（悉生动物）三个等级。
(3)应用要求。实验动物主要是应用于科学实验。有学者称之为“活的分析天平”如同理化实验，需要精密仪器和高纯度试剂一样。生命科学研究及其相关的试验，要求实验动物对试验因素敏感性强，反应高度一致，使试验研究结果具有可靠性、精确性、可比性、可重复性和科学性。
未经驯化的野生动物，有时也用于实验，但由于遗传背景不清楚，健康状况不稳定，因而对试验物反应缺乏一致性，实验结果可信度和重复性都很差，而不被国际学术界所承认。如家畜、家禽等经济动物，由于它们对某些实验具有较高的敏感性，实验操作也方便，亦会作为实验之用。如果按照实验动物的质量要求，加以培育和严格的监控，是可以把它们开发成为很好的实验动物。
2.实验动物的环境控制
实验动物环境可分为：
外环境。是指实验动物设施或动物实验设施以外的周边环境。如气候或其他自然因素、邻近的民居或厂矿单位、交通和水电资源等。
内环境。指实验动物设施或动物实验设施内部的环境。内环境又细分为大环境和小环境。前者是指实验动物的饲养间或实验间的整体环境状况;后者是指在动物笼具内，包围着每个动物个体的环境状况，如，温、湿度，气流速度，氨及其他气体的浓度，光照，噪音等等。
实验动物环境条件,对动物的健康和质量,以及对动物实验结果有直接的影响，尤其是高等级的实验动物，环境条件要求严格和恒定。因而，对环境条件人工控制程度越高，并符合标准化的要求，生活这样环境中的动物，就越具有质量上的保证，一致性的程度就越高，动物实验结果就有更好的可靠性和可重复性，也使同类型的实验数据具有可比较的意义。
影响实验动物环境的因素及其控制：
气候因素。包括有温度、湿度、气流和风速等。在普通级动物的开放式环境中，主要是自然因素在起作用，仅可通过动物房舍的建筑座向和结构、动物放置的位置和空间密度等方面来作有限的调控。在隔离系统或屏障、亚屏障系统中的动物，主要是通过各种设备，对上述的因素予以人工控制。在国家制定的实验动物标准中，对各质量等级动物的环境气候因素控制，都有明确的要求。
理化因素。包括有光照、噪音、粉尘、有害气体、杀虫剂和消毒剂等。这些因素可影响动物各生理系统的功能及生殖机能，需要严格控制，并实施经常性的监测。普通级动物要在适当的范围内，采取有效的措施，对此予以监控;尤其是清洁级以上等级的动物，应通过实验动物设施内的各种设备，按国家颁布的各个等级标准，严格予以控制。
生物因素。是指实验动物饲育环境中，特别是动物个体周边的生物状况。包括有动物的社群状况、饲养密度、空气中微生物的状况等。例如，在实验动物中许多种类，都有能自然形成具有一定社会关系群体的特性。对动物进行小群组合时，就必须考虑到这些因素。不同种之间或同种的个体之间，都应有间隔或适合的距离。对实验动物设施内空气中的微生物有明确的要求，动物等级越高要求越为严格。国家标准规定，亚屏障系统设施内空气落下的菌数少于或等于12.2个/皿时，屏障系统2.45个/皿时，隔离系统0.49个/皿时。
3.实验动物的房舍设施
这里指的实验动物设施是实验动物和动物实验设施的总称，是为实现对动物所需的环境条件实行控制目标而专门设计和建造的。实验动物设施依其使用功能的不同，划分为各个功能区域，各自有不同的要求。
实验动物设施的等级及其规划结构要点
按照“实验动物环境与设施”国家标准（1994）规定，实验动物环境设施分为四等，控制程度从低到高，依次为开放系统、亚屏障系统、屏障系统和隔离系统。
开放系统
通常为单走廊专用房舍，采用自然通风或设有排风装置，有防虫、防鼠设施，要求笼具和垫料消毒、使用无污染的饲料，人员进出有一定的防疫措施。这类设施仅适用于普通级动物。该系统通常分为三个区域：前区，包括检疫室、办公室、休息室等;控制区，包括动物饲育室、或动物实验室、清洁走廊、清洁物品储存室等;后勤处理室，包括污染走廊、洗刷消毒室、污物处理设施等。人员、动物和物品原则上按：前区--控制区--后勤处理区的走向运行。
亚屏障系统
又称为清洁级屏障系统，用于清洁级动物的饲育。一般设双走廊，也有用层流架作清洁级屏障系统。其设施的结构及设备配置要求都与屏障系统大体相同，只是空气洁净度只要求达到10万级，管理上要求稍低于屏障系统，故称之为亚屏障系统。也分三个区域，即清洁区、污染区和外部区。清洁区包括动物饲育室或实验室、清洁走廊、清洁准备室、清洁物品储存室、检疫室等;污染区包括污染走廊、洗刷消毒室等;外部区包括接受动物室、饲料加工室、库房、更衣淋浴间、办公室、值班室、机房、焚烧炉等。结构通常是双走廊，凡进入清洁区的人员、动物、和物品，甚至空气和水都要经过相应的处理，保证该区域不受微生物的侵染。
进入清洁区的人员、动物和物品要分别遵循一定的运行路线：
人员：更衣--淋浴--更衣--清洁走廊--饲养室或动物实验室--污染走廊--洗刷消毒室--更衣--外部区域。
物品：包装--高压消毒（已包装消毒的可经传递窗，清结笼具经有消毒液的渡槽）--清结准备室--清洁物品储存室--饲养室或动物实验室--（污物经包装处理）污染走廊--外部区域。
动物：动物（带专用包装）--传递窗--检疫室--清洁走廊--饲育室或实验室--（实验后或生产供应）--（经包装）污染走廊--外部区域。
屏障系统
主要是用于SPF级动物的饲育。有正压屏障构造、负压屏障构造（生物安全屏障系统）也有用层流架（正压/负压）或隔离器作SPF级屏障系统。屏障系统设施，要求与外界隔离，空气经三级过滤净化后才进入屏障设施之内，空气洁净度为10,000级。除生物安全屏障系统为负压以外，通常应保持为正压，且不低于20--50Pa;出风口设有防空气倒流装置。屏障系统设有清洁和污染走廊，进入系统的笼具、饲料、饮水、垫料、器械等一切物品都要经过严格的消毒灭菌，人员进入要经淋浴、更衣，使用专用的服装，进入的动物要有专用包装，也经严格的消毒处理。系统内的人员、物品和空气等采用单向固定的流通路线，有呼吸系统疾病和皮肤病的人员不能进入系统内。结构要求和进入系统内的人、动物和物品的运行等与亚屏障系统基本相同，但要求更为严格。
隔离系统
主要设备是隔离器，分有正压和负压隔离器。隔离器及其辅助装置共同组成的隔离系统，用于饲养SPF动物、无菌动物和悉生动物。隔离器可置于亚屏障系统或开放系统内运转，如在开放系统内，则要严格控制系统内环境的温、湿度。
操作时，工作人员只能通过隔离器上的橡胶手套来进行饲养或实验。物品是通过包装消毒后，由灭菌渡舱或传递窗传入;动物是经由无菌剖腹产的方法进入;进入隔离器的空气，应经高效过滤，保证隔离器内空气洁净度达100级，无菌并维持正压状态。根据实验需要也可维持负压状态，但需要配置空气排放装置，保证空气排放符合标准。
另外，对实验动物设施的房舍设施的建设，如：地面、门窗、墙壁、天花板、走廊及空气净化调节设备与送排风系统等都有详细的要求，例如：地面要求平而不滑，一般不设排水口;墙壁要求保温和隔音，墙涂料耐酸碱，易于消毒清洗;有压力梯度的系统，门应开向压力高的一侧等。总之，设施建设是从质量控制要求的角度，考虑到操作和成本等因素来提出相应的要求。
4.实验动物饲养的辅助设施和设备
这是指在动物房舍设施内使用于动物饲养的器具和材料，主要包括笼具、笼架、饮水装置和垫料等，并还有层流架、隔离罩和运输笼等。这些器具和物品与动物直接接触，产生的影响最直接，务必予以重视。其中，层流架和隔离罩等设备可在房舍设施中独立使用，隔离罩更是现今用于无菌动物饲育和实验的主要设备。
笼具和笼架
在笼外的环境符合质量控制标准的情况下，包围动物小环境的质量很大程度取决于笼具、笼架的情况。笼具要求能对动物提供足够的活动空间，通风和采光良好;坚固耐用，里面的动物不会逃逸，外面的动物不会闯进;操作方便，适合于消毒、清洗和储运;成本低廉，经济实用。现在国内已有多家厂商，生产各种式样和质量档次的笼具。
笼架是承托笼具的支架，使笼具的放置合理，有些还设有动物粪便自动冲洗和自动饮水器。要注意笼具和笼架的匹配，方便移动和清洗消毒。
饮水设备和灭菌设备
动物饲养用的饮水设备，一般采用饮水瓶、饮水盆和自动物饮水器。小动物多使用不易破碎的饮水瓶;大动物，如羊、犬等多使用饮水盆。这些器具的制造材料要求耐高温高压和消毒药液的浸泡。自动饮水器，有方便操作，节省劳力的优点;但易漏水，供水管道不易清洗、消毒，国内使用不普遍。大型的实验动物设施，往往装设无菌水生产设备，用过滤系统和紫外线照射，来清除细菌、真菌和病毒。实验动物的饮水一般无需作蒸溜、离子交换或反渗透等处理，有助于动物对微量元素的利用。
层流架和隔离罩
层流架带有空气净化装置和通风系统，置于普通房间内，可作清洁级动物短时间饲养或实验操作及实验后的观察等使用，如果放置在清洁级房舍内，可用作SPF级动物的饲养或实验观察。层流架根据实验的需要也有正、负压之分。层流架结构简单，投资少无需辅助设备，可独立运转，适合于小型和短期的使用，该设备只能控制空气洁净和通风指标，而其他环境指标如温、湿度等，要由设施内加以控制，所以使用有较大的局限性。
隔离罩是保持罩内无菌环境的全密封装置，是无菌动物饲养、实验操作和实验观察的唯一设备。它主要是作无菌控制，其他环境指标由罩外设备控制，好的设备可维持1--3年的罩内无菌状态。用于无菌动物的隔离罩是正压装置，如作烈性感染实验应采用负压隔离罩。
运输笼和垫料
国际上常用的运输笼具带有空气过滤通风系统和控制温、湿度的装置，运输车辆上也装有各种环境指标的控制系统，形成一个可移动的实验动物饲养设施。我国目前尚未有此类装备，动物运输时，多采用在普通饲养盒外包无纺布的简易运输笼，经运输后的动物就可能达不到质量控制指标了，研制符合标准又适合国情的运输笼具实在是当务之急。
垫料，能吸附水分、动物的排泄物，维持笼内和动物本身的清洁卫生，垫料应不含挥发性、刺激性物质，无毒性，不会干扰动物实验。垫料的原料常用锯末、木刨花、木屑、碎玉米芯等。垫料的原材料常会携带各种微生物和寄生虫，使用前要经加工处理、消毒灭菌、除虫等。欧洲国家多用白杨木屑做垫料，而美国多用碎玉米芯，考虑到了材料的毒性因素和取材的难易。目前我国实验动物垫料尚未标准化，多采用混合木屑，其成分和毒性都不确定，可喜的是，现已开展了相关的研究，莎适合国情的标准化垫料，指日可待。
5.实验动物环境监测和设施的维护
新建或改建的实验动物设施竣工启用前，须向所属的实验动物管理部门申请进行环境设施的检测，检测合格方能投入使用。实验动物设施是连续运行的，各种环境因素一直处在变动之中，也需要经常性的监测和维护。对实验动物设施的环境条件，国家有标准化的规定，检测项目包括温度、相对湿度、气六速度、梯度压差、空气洁净度、空气落菌数、氨浓度、噪声、照度和换气量等。
　环境检测的项目
空气洁净度的指标包括有：空气落菌数，是检测空气生物洁净度的指标，用血琼脂培养基，置于被检房舍的空间，暴露30分钟后，计算培养基上的落菌数;尘埃粒子测定，是空气洁净级别的指标，10-20平米的房间布点3-5个，用专用仪器测定，数据作统计分析。
此外还有下列七项指标的测定：温度、湿度测定，包括日温差、温湿度的均匀性等;气流速度测定，使动物处在合理的风速区域;换气次数，测定送风口或出风口的风速，然后参照风口面积和房间容积计算;静压差测定，用压差计测定设施内各区域的压差，分析设施内气流走向的合理性;噪声测定，用噪声计，选离墙壁1米，距地面1.2-1.5米的测点测定;照度测定，常用仪器是照度计，采用多测点测定，检测光照的均匀性;氨浓度测定，该检测项目通常是在设施运转后进行的监测项目，反映室内的换气情况、动物的合理密度和设施的管理水平。
实验动物设施的维护
实验动物设施的各项环境指标是通过是相关设备的运转来实现及维持的，环境指标值无时不在动态的变化之中。对设施的环境监测和维护，是实验动物设施经常进行的工作。日常维护的重点有以下三个方面：
空气过滤系统的维护，系统中有初效、中效和高效三级过滤，过滤材料在工作时会沾染粉尘，逐渐造成堵塞，而影响设施内的空气质量。初效过滤材料应2周至3个月更换一次，过滤材料经清洗、干燥，可重复使用;中效材料3至18个月更换一次，经清洗、干燥也可重复使用;高效材料一般1--3年更换一次，一般不重复使用。材料更换的次数取决于空气使用量和周围空气的质量。勤换初效和中效材料，可减少对高效材料的更换，因为更换高效过滤材料会在一定时间内造成设施内环境因素的不稳定。
空调系统的维护，空调系统主要控制温、湿度两个重要的环境指标，空调的热交换部件要经常清洗，并要经常检查制冷剂有否泄漏，自动控温装置是否有效。
灭菌系统的维护，注意高压灭菌装置和饮水灭菌系统是否有效，要经常监测，不可疏忽大意。此外，还有传递窗的紫外线灭菌是否有效，传递渡槽的消毒液要及时更换等一些日常的维护工作也不能忽视。总之做好设施的维护工作，反映了设施的管理工作水平，要健全制度，建立岗位责任，在管理上下功夫。