實驗動物學基礎知識

1.實驗動物
實驗動物（Laboratory Animal,LA）指由人工培育，來源清楚，遺傳背景明確，對其攜帶的微生物和寄生蟲實行監控，用于生命科學研究、藥品與生物制品生產和檢定，以及其他科學研究的動物。實驗動物追溯其祖先，可來源于野生動物、經濟動物(家畜、家禽)、警衛動物和觀賞動物等，但卻有別于這類動物。實驗動物一般具有以下三大特點：
(1)遺傳學要求。必須是人工培育，來源清楚，遺傳背景明確的動物。即實驗動物應是遺傳限定，且經人工培育的動物。依其遺傳純合程度，可把實驗動物劃分為近交系（Inbred-strain）突變系（Mutant strain）\系統雜交（Hybrid Colony）動物和封閉群（Closed colony or outbred stock）動物四大類群。
(2) 微生物和寄生蟲的監控要求。在實驗動物繁育的全過程中，必須嚴格監控其攜帶的微生物和寄生蟲。目前，我國將對其微生物和寄生蟲的控制程度劃分為四個等級：即普通動物（Conventional animal,CV）、清潔動物（Clean animal,CL or Clean conventional animal,CCV）、無特定病原體動物（Specific pathogen free animal,SPF）、無菌動物（Germ free animal,GF），后者包括悉生動物(Gnotobiotes animal,GN)。SPF和GF動物不幾僅人工監控其攜帶的微生物、寄生蟲，而且是經剖腹產凈化獲得的。國際上是把實驗動物的微生物和寄生蟲控制分成普通動物，SPF動物和無菌動物（悉生動物）三個等級。
(3)應用要求。實驗動物主要是應用于科學實驗。有學者稱之為“活的分析天平”如同理化實驗，需要精密儀器和高純度試劑一樣。生命科學研究及其相關的試驗，要求實驗動物對試驗因素敏感性強，反應高度一致，使試驗研究結果具有可靠性、精確性、可比性、可重復性和科學性。
未經馴化的野生動物，有時也用于實驗，但由于遺傳背景不清楚，健康狀況不穩定，因而對試驗物反應缺乏一致性，實驗結果可信度和重復性都很差，而不被國際學術界所承認。如家畜、家禽等經濟動物，由于它們對某些實驗具有較高的敏感性，實驗操作也方便，亦會作為實驗之用。如果按照實驗動物的質量要求，加以培育和嚴格的監控，是可以把它們開發成為很好的實驗動物。
2.實驗動物的環境控制
實驗動物環境可分為：
外環境。是指實驗動物設施或動物實驗設施以外的周邊環境。如氣候或其他自然因素、鄰近的民居或廠礦單位、交通和水電資源等。
內環境。指實驗動物設施或動物實驗設施內部的環境。內環境又細分為大環境和小環境。前者是指實驗動物的飼養間或實驗間的整體環境狀況;后者是指在動物籠具內，包圍著每個動物個體的環境狀況，如，溫、濕度，氣流速度，氨及其他氣體的濃度，光照，噪音等等。
實驗動物環境條件,對動物的健康和質量,以及對動物實驗結果有直接的影響，尤其是高等級的實驗動物，環境條件要求嚴格和恒定。因而，對環境條件人工控制程度越高，并符合標準化的要求，生活這樣環境中的動物，就越具有質量上的保證，一致性的程度就越高，動物實驗結果就有更好的可靠性和可重復性，也使同類型的實驗數據具有可比較的意義。
影響實驗動物環境的因素及其控制：
氣候因素。包括有溫度、濕度、氣流和風速等。在普通級動物的開放式環境中，主要是自然因素在起作用，僅可通過動物房舍的建筑座向和結構、動物放置的位置和空間密度等方面來作有限的調控。在隔離系統或屏障、亞屏障系統中的動物，主要是通過各種設備，對上述的因素予以人工控制。在國家制定的實驗動物標準中，對各質量等級動物的環境氣候因素控制，都有明確的要求。
理化因素。包括有光照、噪音、粉塵、有害氣體、殺蟲劑和消毒劑等。這些因素可影響動物各生理系統的功能及生殖機能，需要嚴格控制，并實施經常性的監測。普通級動物要在適當的范圍內，采取有效的措施，對此予以監控;尤其是清潔級以上等級的動物，應通過實驗動物設施內的各種設備，按國家頒布的各個等級標準，嚴格予以控制。
生物因素。是指實驗動物飼育環境中，特別是動物個體周邊的生物狀況。包括有動物的社群狀況、飼養密度、空氣中微生物的狀況等。例如，在實驗動物中許多種類，都有能自然形成具有一定社會關系群體的特性。對動物進行小群組合時，就必須考慮到這些因素。不同種之間或同種的個體之間，都應有間隔或適合的距離。對實驗動物設施內空氣中的微生物有明確的要求，動物等級越高要求越為嚴格。國家標準規定，亞屏障系統設施內空氣落下的菌數少于或等于12.2個/皿時，屏障系統2.45個/皿時，隔離系統0.49個/皿時。
3.實驗動物的房舍設施
這里指的實驗動物設施是實驗動物和動物實驗設施的總稱，是為實現對動物所需的環境條件實行控制目標而專門設計和建造的。實驗動物設施依其使用功能的不同，劃分為各個功能區域，各自有不同的要求。
實驗動物設施的等級及其規劃結構要點
按照“實驗動物環境與設施”國家標準（1994）規定，實驗動物環境設施分為四等，控制程度從低到高，依次為開放系統、亞屏障系統、屏障系統和隔離系統。
開放系統
通常為單走廊專用房舍，采用自然通風或設有排風裝置，有防蟲、防鼠設施，要求籠具和墊料消毒、使用無污染的飼料，人員進出有一定的防疫措施。這類設施僅適用于普通級動物。該系統通常分為三個區域：前區，包括檢疫室、辦公室、休息室等;控制區，包括動物飼育室、或動物實驗室、清潔走廊、清潔物品儲存室等;后勤處理室，包括污染走廊、洗刷消毒室、污物處理設施等。人員、動物和物品原則上按：前區--控制區--后勤處理區的走向運行。
亞屏障系統
又稱為清潔級屏障系統，用于清潔級動物的飼育。一般設雙走廊，也有用層流架作清潔級屏障系統。其設施的結構及設備配置要求都與屏障系統大體相同，只是空氣潔凈度只要求達到10萬級，管理上要求稍低于屏障系統，故稱之為亞屏障系統。也分三個區域，即清潔區、污染區和外部區。清潔區包括動物飼育室或實驗室、清潔走廊、清潔準備室、清潔物品儲存室、檢疫室等;污染區包括污染走廊、洗刷消毒室等;外部區包括接受動物室、飼料加工室、庫房、更衣淋浴間、辦公室、值班室、機房、焚燒爐等。結構通常是雙走廊，凡進入清潔區的人員、動物、和物品，甚至空氣和水都要經過相應的處理，保證該區域不受微生物的侵染。
進入清潔區的人員、動物和物品要分別遵循一定的運行路線：
人員：更衣--淋浴--更衣--清潔走廊--飼養室或動物實驗室--污染走廊--洗刷消毒室--更衣--外部區域。
物品：包裝--高壓消毒（已包裝消毒的可經傳遞窗，清結籠具經有消毒液的渡槽）--清結準備室--清潔物品儲存室--飼養室或動物實驗室--（污物經包裝處理）污染走廊--外部區域。
動物：動物（帶專用包裝）--傳遞窗--檢疫室--清潔走廊--飼育室或實驗室--（實驗后或生產供應）--（經包裝）污染走廊--外部區域。
屏障系統
主要是用于SPF級動物的飼育。有正壓屏障構造、負壓屏障構造（生物安全屏障系統）也有用層流架（正壓/負壓）或隔離器作SPF級屏障系統。屏障系統設施，要求與外界隔離，空氣經三級過濾凈化后才進入屏障設施之內，空氣潔凈度為10,000級。除生物安全屏障系統為負壓以外，通常應保持為正壓，且不低于20--50Pa;出風口設有防空氣倒流裝置。屏障系統設有清潔和污染走廊，進入系統的籠具、飼料、飲水、墊料、器械等一切物品都要經過嚴格的消毒滅菌，人員進入要經淋浴、更衣，使用專用的服裝，進入的動物要有專用包裝，也經嚴格的消毒處理。系統內的人員、物品和空氣等采用單向固定的流通路線，有呼吸系統疾病和皮膚病的人員不能進入系統內。結構要求和進入系統內的人、動物和物品的運行等與亞屏障系統基本相同，但要求更為嚴格。
隔離系統
主要設備是隔離器，分有正壓和負壓隔離器。隔離器及其輔助裝置共同組成的隔離系統，用于飼養SPF動物、無菌動物和悉生動物。隔離器可置于亞屏障系統或開放系統內運轉，如在開放系統內，則要嚴格控制系統內環境的溫、濕度。
操作時，工作人員只能通過隔離器上的橡膠手套來進行飼養或實驗。物品是通過包裝消毒后，由滅菌渡艙或傳遞窗傳入;動物是經由無菌剖腹產的方法進入;進入隔離器的空氣，應經高效過濾，保證隔離器內空氣潔凈度達100級，無菌并維持正壓狀態。根據實驗需要也可維持負壓狀態，但需要配置空氣排放裝置，保證空氣排放符合標準。
另外，對實驗動物設施的房舍設施的建設，如：地面、門窗、墻壁、天花板、走廊及空氣凈化調節設備與送排風系統等都有詳細的要求，例如：地面要求平而不滑，一般不設排水口;墻壁要求保溫和隔音，墻涂料耐酸堿，易于消毒清洗;有壓力梯度的系統，門應開向壓力高的一側等。總之，設施建設是從質量控制要求的角度，考慮到操作和成本等因素來提出相應的要求。
4.實驗動物飼養的輔助設施和設備
這是指在動物房舍設施內使用于動物飼養的器具和材料，主要包括籠具、籠架、飲水裝置和墊料等，并還有層流架、隔離罩和運輸籠等。這些器具和物品與動物直接接觸，產生的影響最直接，務必予以重視。其中，層流架和隔離罩等設備可在房舍設施中獨立使用，隔離罩更是現今用于無菌動物飼育和實驗的主要設備。
籠具和籠架
在籠外的環境符合質量控制標準的情況下，包圍動物小環境的質量很大程度取決于籠具、籠架的情況。籠具要求能對動物提供足夠的活動空間，通風和采光良好;堅固耐用，里面的動物不會逃逸，外面的動物不會闖進;操作方便，適合于消毒、清洗和儲運;成本低廉，經濟實用。現在國內已有多家廠商，生產各種式樣和質量檔次的籠具。
籠架是承托籠具的支架，使籠具的放置合理，有些還設有動物糞便自動沖洗和自動飲水器。要注意籠具和籠架的匹配，方便移動和清洗消毒。
飲水設備和滅菌設備
動物飼養用的飲水設備，一般采用飲水瓶、飲水盆和自動物飲水器。小動物多使用不易破碎的飲水瓶;大動物，如羊、犬等多使用飲水盆。這些器具的制造材料要求耐高溫高壓和消毒藥液的浸泡。自動飲水器，有方便操作，節省勞力的優點;但易漏水，供水管道不易清洗、消毒，國內使用不普遍。大型的實驗動物設施，往往裝設無菌水生產設備，用過濾系統和紫外線照射，來清除細菌、真菌和病毒。實驗動物的飲水一般無需作蒸溜、離子交換或反滲透等處理，有助于動物對微量元素的利用。
層流架和隔離罩
層流架帶有空氣凈化裝置和通風系統，置于普通房間內，可作清潔級動物短時間飼養或實驗操作及實驗后的觀察等使用，如果放置在清潔級房舍內，可用作SPF級動物的飼養或實驗觀察。層流架根據實驗的需要也有正、負壓之分。層流架結構簡單，投資少無需輔助設備，可獨立運轉，適合于小型和短期的使用，該設備只能控制空氣潔凈和通風指標，而其他環境指標如溫、濕度等，要由設施內加以控制，所以使用有較大的局限性。
隔離罩是保持罩內無菌環境的全密封裝置，是無菌動物飼養、實驗操作和實驗觀察的唯一設備。它主要是作無菌控制，其他環境指標由罩外設備控制，好的設備可維持1--3年的罩內無菌狀態。用于無菌動物的隔離罩是正壓裝置，如作烈性感染實驗應采用負壓隔離罩。
運輸籠和墊料
國際上常用的運輸籠具帶有空氣過濾通風系統和控制溫、濕度的裝置，運輸車輛上也裝有各種環境指標的控制系統，形成一個可移動的實驗動物飼養設施。我國目前尚未有此類裝備，動物運輸時，多采用在普通飼養盒外包無紡布的簡易運輸籠，經運輸后的動物就可能達不到質量控制指標了，研制符合標準又適合國情的運輸籠具實在是當務之急。
墊料，能吸附水分、動物的排泄物，維持籠內和動物本身的清潔衛生，墊料應不含揮發性、刺激性物質，無毒性，不會干擾動物實驗。墊料的原料常用鋸末、木刨花、木屑、碎玉米芯等。墊料的原材料常會攜帶各種微生物和寄生蟲，使用前要經加工處理、消毒滅菌、除蟲等。歐洲國家多用白楊木屑做墊料，而美國多用碎玉米芯，考慮到了材料的毒性因素和取材的難易。目前我國實驗動物墊料尚未標準化，多采用混合木屑，其成分和毒性都不確定，可喜的是，現已開展了相關的研究，莎適合國情的標準化墊料，指日可待。
5.實驗動物環境監測和設施的維護
新建或改建的實驗動物設施竣工啟用前，須向所屬的實驗動物管理部門申請進行環境設施的檢測，檢測合格方能投入使用。實驗動物設施是連續運行的，各種環境因素一直處在變動之中，也需要經常性的監測和維護。對實驗動物設施的環境條件，國家有標準化的規定，檢測項目包括溫度、相對濕度、氣六速度、梯度壓差、空氣潔凈度、空氣落菌數、氨濃度、噪聲、照度和換氣量等。
　環境檢測的項目
空氣潔凈度的指標包括有：空氣落菌數，是檢測空氣生物潔凈度的指標，用血瓊脂培養基，置于被檢房舍的空間，暴露30分鐘后，計算培養基上的落菌數;塵埃粒子測定，是空氣潔凈級別的指標，10-20平米的房間布點3-5個，用專用儀器測定，數據作統計分析。
此外還有下列七項指標的測定：溫度、濕度測定，包括日溫差、溫濕度的均勻性等;氣流速度測定，使動物處在合理的風速區域;換氣次數，測定送風口或出風口的風速，然后參照風口面積和房間容積計算;靜壓差測定，用壓差計測定設施內各區域的壓差，分析設施內氣流走向的合理性;噪聲測定，用噪聲計，選離墻壁1米，距地面1.2-1.5米的測點測定;照度測定，常用儀器是照度計，采用多測點測定，檢測光照的均勻性;氨濃度測定，該檢測項目通常是在設施運轉后進行的監測項目，反映室內的換氣情況、動物的合理密度和設施的管理水平。
實驗動物設施的維護
實驗動物設施的各項環境指標是通過是相關設備的運轉來實現及維持的，環境指標值無時不在動態的變化之中。對設施的環境監測和維護，是實驗動物設施經常進行的工作。日常維護的重點有以下三個方面：
空氣過濾系統的維護，系統中有初效、中效和高效三級過濾，過濾材料在工作時會沾染粉塵，逐漸造成堵塞，而影響設施內的空氣質量。初效過濾材料應2周至3個月更換一次，過濾材料經清洗、干燥，可重復使用;中效材料3至18個月更換一次，經清洗、干燥也可重復使用;高效材料一般1--3年更換一次，一般不重復使用。材料更換的次數取決于空氣使用量和周圍空氣的質量。勤換初效和中效材料，可減少對高效材料的更換，因為更換高效過濾材料會在一定時間內造成設施內環境因素的不穩定。
空調系統的維護，空調系統主要控制溫、濕度兩個重要的環境指標，空調的熱交換部件要經常清洗，并要經常檢查制冷劑有否泄漏，自動控溫裝置是否有效。
滅菌系統的維護，注意高壓滅菌裝置和飲水滅菌系統是否有效，要經常監測，不可疏忽大意。此外，還有傳遞窗的紫外線滅菌是否有效，傳遞渡槽的消毒液要及時更換等一些日常的維護工作也不能忽視。總之做好設施的維護工作，反映了設施的管理工作水平，要健全制度，建立崗位責任，在管理上下功夫。