Модельный организм
-
Модельные организмы в медицине
- Модельные организмы используются для изучения биологических явлений и разработки методов лечения.
- Они позволяют избежать экспериментов на людях, которые могут быть неэтичными или неосуществимыми.
- Модельные организмы сохраняют метаболические пути и генетический материал, что делает их полезными для понимания других организмов.
-
История использования модельных организмов
- Исследования на животных начались в Древней Греции.
- В 18-19 веках Антуан Лавуазье и Луи Пастер использовали животных для научных открытий.
- Томас Хант Морган идентифицировал хромосомы как вектор наследования генов в 1910-1927 годах.
-
Достижения в медицине
- Исследования на модельных организмах привели к почти полному искоренению полиомиелита.
- Разработка трансплантации органов и инсулина также основана на исследованиях на животных.
- Современные средства общей анестезии, такие как галотан, были разработаны на основе модельных организмов.
-
Современные исследования и методы
- Исследования на животных продолжаются для решения медицинских проблем, таких как болезнь Альцгеймера, СПИД, рассеянный склероз и травмы спинного мозга.
- Модельные организмы включают бактерии, дрожжи, вирусы и растения.
- Исследования на животных необходимы для биомедицинских исследований и разработки новых методов лечения.
-
Классификация модельных организмов
- Генетические модели: плодожорка, червь-нематода
- Экспериментальные модели: поддаются манипуляциям, короткий жизненный цикл
- Модели геномной экономии: исследуют эволюционное древо
-
Историческое развитие модельных организмов
- Модельные организмы Национального института здравоохранения
- Выбор на основе экспериментальных манипуляций и требований к жизни
-
Филогения и генетическое родство
- Эволюционный принцип: изучение таксономических родственников человека
- Шимпанзе и грызуны как ближайшие родственники человека
-
Геномные данные и сходство
- 99% генома человека общее с шимпанзе и более 90% с мышью
- Различия между людьми и мышами объясняются шестью тысячами генов
-
Модельные организмы и их использование
- Escherichia coli: бактерия, часто встречающаяся в пищеварительной системе человека
- Дрожжи Saccharomyces cerevisiae: легко выращиваются, клеточный цикл похож на человека
- Drosophila melanogaster: легко выращивается, политенная хромосома
- Caenorhabditis elegans: четкие закономерности развития, фиксированное количество клеток
-
Модели заболеваний на животных
- Животные с существующими, врожденными или индуцированными заболеваниями
- Модели заболеваний позволяют исследовать болезненные состояния на животных
- Лучшие модели сходны по этиологии и фенотипу с человеческими аналогами
-
Классификация моделей заболеваний
- Гомологичные, изоморфные, прогностические
- Экспериментальные, спонтанные, отрицательные, сиротские
-
Примеры экспериментальных моделей
- Использование метразола для моделирования эпилепсии
- Индукция механической травмы для моделирования посттравматической эпилепсии
- Инъекция нейротоксина для моделирования болезни Паркинсона
- Иммунизация аутоантигеном для моделирования аутоиммунных заболеваний
- Окклюзия средней мозговой артерии для моделирования ишемического инсульта
- Введение крови в базальные ганглии для моделирования геморрагического инсульта
- Индукция сепсиса и септического шока
- Заражение животных патогенами для воспроизведения инфекционных заболеваний
- Введение агонистов или антагонистов нейромедиаторов для воспроизведения психических расстройств
- Использование ионизирующего излучения для возникновения опухолей
- Генетически отобранные мыши для моделирования диабета
- Различные животные модели для скрининга лекарственных средств
-
Спонтанные и отрицательные модели
- Спонтанные модели: заболевания, возникающие естественным образом у животных
- Отрицательные модели: контрольные животные для подтверждения результатов
-
Орфанные модели и генно-инженерные ткани
- Орфанные модели: заболевания, встречающиеся только у изучаемых видов
- Генно-инженерные ткани и органы: создание моделей заболеваний человека на животных
-
Модели поведения животных
- Модели поведения животных: наблюдение в психологии и социологии
- Депрессия: трудно создать идеальную модель, но важно для понимания молекулярных изменений
-
Важные модельные организмы
- Escherichia coli: наиболее изученный прокариотический модельный организм
- Дрожжи Saccharomyces cerevisiae: широко используются в генетике и клеточной биологии
-
Модельные организмы в молекулярной генетике
- E. coli используется для рекомбинантной ДНК
- Дрожжи и делящиеся дрожжи имеют общие признаки с клетками человека
- Chlamydomonas reinhardtii изучается для фотосинтеза и подвижности
- Dictyostelium discoideum используется для клеточной коммуникации и дифференцировки
-
Беспозвоночные модельные организмы
- Drosophila melanogaster используется для генетических экспериментов
- Caenorhabditis elegans используется для понимания генетического контроля развития
- Арабидопсис талиана является популярным модельным растением
-
Модельные позвоночные организмы
- Морские свинки использовались для бактериальных инфекций
- Мышь (Mus musculus) используется для медицинских исследований
- Крыса (Rattus norvegicus) полезна для токсикологии и неврологии
- Рыбы Данио рерио используются для изучения развития и токсикологии
-
Другие модельные организмы
- Фаг T4 используется для вирусной инфекции
- Tetrahymena thermophila используется для внутриклеточных процессов
- Кукуруза используется для транспозонов
- Гидры используются для регенерации и морфогенеза
- Кошки используются для нейрофизиологии
- Куры используются для развития
- Собаки используются для дыхательной и сердечно-сосудистой систем
- Nothobranchius furzeri используется для старения
- Нечеловеческие приматы используются для изучения гепатита, ВИЧ и болезни Паркинсона
- Хорьки используются для SARS-CoV-2
-
Ограничения модельных организмов
- Животные-модели могут страдать ожирением и непереносимостью глюкозы
- Различия в иммунных системах модельных организмов и человека
- Неблагоприятные условия в лабораторных клетках
- Мыши отличаются от людей иммунными свойствами
- Лабораторные мыши могут иметь незрелую иммунную систему
-
Непреднамеренная предвзятость
- Неадекватные данные о тестировании на животных могут привести к невоспроизводимости
- Микробиом кишечника мышей может влиять на научные исследования
-
Альтернативы
- Культивирование клеток и исследования in vitro
- Индуцируемые плюрипотентные стволовые клетки человека
- Визуализирующие исследования (МРТ, ПЭТ-сканирование)
- Генетика и геномика позволяют идентифицировать гены, связанные с заболеванием
-
Этика
- Дебаты об этичном использовании животных начались в 1822 году
- Закон о защите животных 1970 года устанавливает стандарты использования животных
- В академических учреждениях исследования на животных регулируются OLAW и IACUC
- Экспериментаторы должны обосновывать протоколы на принципах замены, сокращения и усовершенствования
-
Использование компьютерных моделей и неживых тканей
- Использование компьютерных моделей и неживых тканей для замены животных «высшего порядка»
- Замена животных «низшего порядка» (холоднокровные, беспозвоночные)
-
Сокращение количества животных
- Минимизация количества животных в эксперименте
- Предотвращение ненужного повторения предыдущих экспериментов
- Использование математических расчетов статистической мощности
-
Усовершенствование экспериментов
- Разработка безболезненных и эффективных экспериментов
- Минимизация страданий подопытных животных
-
Примеры модельных организмов
- Mycoplasma genitalium
- Ensembl
- Universal Model Organisms
- Геномный проект
-
История модельных организмов
- История испытаний на животных
- История исследований Arabidopsis thaliana
- История исследований Caenorhabditis elegans
- Мышиные модели метастазирования рака молочной железы
- Мышиная модель колоректального и кишечного рака
-
Рекомендации и внешние ссылки
- Wellcome доверяет описанию модельных организмов
- Программа сравнительной медицины Национального института здравоохранения по моделям позвоночных
- Национальный институт здравоохранения Использует модельные организмы для изучения болезней человека
- Национальные институты здравоохранения разрабатывают политику совместного использования модельных организмов
- Почему животные используются в исследованиях NIH
- Модели заболеваний на животных – BSRC Alexander Fleming
- Emice – Национальный институт рака
- Проект «Выруби мышь» – КОМП
- Программа по биологии мышей
- Ресурсные и исследовательские центры по мутантным мышам, Национальные институты здравоохранения, поддерживаемый репозиторий мышей
- Ресурсно–исследовательский центр Rat — Национальный институт здравоохранения, поддерживаемый репозиторием Rat
- Воспроизводимость и строгость исследований модельных организмов NIH