工欲善其事,必先利其器—NSFC疾病动物模型项目5年资助回顾

<正>疾病动物模型是生物医学研究和生物医药等产业发展不可或缺的支撑条件,为许多重大疾病的发病机制解析、预防、诊断预后标志物发现、药物筛选和评价、疫苗开发等提供重要的研究平台.国家自然科学基金委员会(National Natural Science Foundation of China,NSFC)疾病动物模型项目是一类旨在资助建立新的疾病动物模型,为探索疾病机制以及药物筛选和新技术研发提供平台的科研环境支撑类科学基金,由国家自然科学基金委员会医学科学部具体负责组织实施.自从2011年开始受理以来,已经连续资助了5年,并通过不断调整政策,该项目类别已逐步走上了正轨.因此,这里对过去5年的资助情况予以总结,以便于为后续的资助工作提供指导.     

综述与专论: 灵长类动物在人类神经系统疾病动物模型中的应用

灵长类动物遗传、行为、认知、生理、生化和解剖结构等生物学特性更接近人类,具有其他实验动物无法替代的高级脑功能结构及神经活动的优势,是研究人类神经系统疾病理想的模式动物,研究的结果更容易推广应用到人类。常被用来建立神经退行性疾病、精神性疾病等疾病的动物模型,研究其发病机制、病程的发生发展及治疗药物等,为人类神经科学及相关医学研究做出了不可替代的贡献。本文综述了近年来国内外灵长类动物在人类神经系统疾病动物模型研究中的应用进展,分析了该领域目前存在的困难和问题,探讨了未来的一些研究方向,以期为神系统经疾病的深入研究提供思路。     

基因编辑动物模型在人类疾病研究中的应用

近年来,随着以CRISPR/Cas9为代表的多种CRISPR系统的开发和不断改进,基因编辑技术逐渐完善,并广泛应用于人类疾病动物模型的制备。基因编辑动物模型为人类疾病的发病机理、病理过程以及预防和治疗等方面的研究提供了重要的素材。目前,用于人类疾病研究的基因编辑动物模型主要有小鼠、大鼠为代表的啮齿类动物模型和以猪为代表的大动物模型。其中啮齿类动物在机体各方面与人类差别较大,且寿命短,无法对人类疾病的研究和治疗提供有效评估和长期追踪;而猪在生理学、解剖学、营养学和遗传学等各方面与人类更接近,是器官移植和人类疾病研究领域重要的动物模型。文中主要介绍了基因编辑动物模型在神经退行性疾病、肥厚心肌病、癌症、免疫缺陷类疾病和代谢性疾病等5种人类疾病研究中的应用情况,以期为人类疾病研究及相关动物模型的制备提供参考。     

感染性疾病动物模型-观点与思考

感染性疾病动物模型是以导致感染性疾病的病原感染动物,或人工导入病原遗传物质,使动物发生和人类相同疾病、类似疾病、部分疾病改变或机体对病原产生反应,为疾病系统研究、比较医学研究以及抗病原药物和疫苗等研制、筛选和评价提供的模式动物。目前,国内外没有严格的感染性疾病模型的分类标准,但是,感染性病原动物模型的分类明显不同于一般动物模型的分类,因此,本文建议将感染性疾病动物模型按照病原种类特性以及疾病表现程度进行分类,便于规范化应用。     

代谢病相关的遗传工程小鼠模型

糖尿病及肥胖症等代谢性疾病已成为影响人类健康的主要疾病,属于多基因所致的代谢综合征,遗传模式复杂多样,至今仍所知甚少。理想的实验动物模型是我们深入了解代谢病病因、遗传及环境因素的必要工具,并且可以用来研究验证新的治疗药物。近年来,已经获得了大量的遗传工程动物模型,包括转基因、基因敲除模型等遗传工程动物,对于代谢性疾病的研究意义重大。本文主要介绍近年来应用较多的糖尿病及肥胖相关的遗传工程小鼠模型遗传特征及应用。     

抗血栓药物的研究进展

血栓栓塞性疾病是引起人类疾病死亡的主要原因之一,随着人们对其发病机制研究与认识的不断深入以及药物设计和筛选技术的日臻成熟,针对各种靶点的新型抗血栓药物不断涌现,如二磷酸腺苷受体阻滞剂、Ⅹ a 因子抑制剂、凝血酶抑制剂等,我国药学研究者也在这些靶向抗血栓药物研究领域取得一定进展。综述我国学者近些年在国内外学术期刊上发表的相关研究论文中所涉及的各类新型抗血小板药物、抗凝血药物和血栓溶解剂的结构、活性和构效关系。     

斑马鱼作为骨骼疾病模型的研究进展

斑马鱼作为一种优良的动物模型已被广泛应用于人类相关疾病机理及药物筛选的研究。由于斑马鱼骨骼发育过程和调控机制与哺乳动物高度保守,目前已成功构建斑马鱼骨骼疾病模型。本文首先介绍斑马鱼骨骼发育过程和分子调控机制,并对斑马鱼模型骨骼研究的基本方法及在骨骼药物筛选中的研究现状进行分析和总结,以期对斑马鱼作为骨骼疾病模型进行药物筛选或基础研究提供参考。     

综述与专论: 内脏痛实验动物模型的研究进展

内脏痛是内脏器官受到机械性牵拉、炎症、痉挛、应激和缺血等刺激所致的疼痛，是一种临床上常见病症。与躯体痛相比，内脏痛的产生、维持和调控机制更为复杂，因此是目前疼痛基础研究领域中的重点和难点之一。建立符合临床内脏疾病病理生理学特征的实验动物模型对研究内脏痛的产生、维持、调控机制及筛选相关内脏疾病的治疗药物具有重要意义。目前内脏痛动物模型主要按照造模刺激方式进行分类，分为炎性内脏痛模型、电刺激性内脏痛模型、机械扩张性内脏痛模型及缺血性内脏痛模型等，且每种动物模型具有不同特点。本文就近年来内脏痛基础研究中常用的实验动物模型的制备及特点做一简要综述，以期为研究者选择合适的内脏痛动物模型提供参考，为更深入研究内脏痛的复杂机制及筛选相关治疗药物奠定基础。     

代谢性疾病实验动物模型的建立与评价

代谢综合征是一组以多种代谢性疾病合并出现为临床特点的临床症候群。建立适合的MS动物模型对研究代谢性疾病的发病机理和相关药物筛选有十分重要的意义。本文就目前MS实验动物模型的建立做一综述,并对其进行评价。     

非编码RNA研究进展

非编码RNA是指不具备蛋白质编码能力的RNA,包括转运RNA、核糖体RNA、小核仁RNA(small nucleolar RNA, snoRNA)以及长非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)等.非编码RNA广泛参与生命活动中重要的生物功能,如生物个体的发育与分化、生殖、细胞凋亡和细胞重编程等,并且与人类疾病密切相关.近年来,随着我国经济的发展和人口老龄化,心血管疾病、肿瘤、代谢性疾病等疾病已成为威胁中国居民健康的重大慢性非传染性疾病,一些罕见病,例如小胖威利综合征(Prader-Willi syndrome, PWS)也随着人口基数的不断增大逐渐影响我国居民的身体健康.随着对这些慢性疾病及罕见疾病发生发展的相关机制研究,我国科学家发现非编码RNA与这些疾病密切相关.非编码RNA参与调控一系列的心血管疾病、肿瘤、代谢性疾病、感染免疫性疾病和PWS等疾病过程.本文对我国学者在非编码RNA领域的贡献进行综述,详细阐述了非编码RNA的加工形成和功能研究等主要进展,并对探究这些非编码RNA与PWS、心血管疾病、肿瘤、代谢性疾病和感染免疫性疾病等发生发展中的重要调控作用,以及我国科学家对该领域的贡献进行了详细的综述和总结.     

阿尔兹海默症转基因小鼠模型研究进展及评价

随着世界人口的老龄化,阿尔兹海默症已经成为严重威胁老年人健康的主要疾病之一,研究并建立可靠的阿尔兹海默症动物模型对于探明疾病的病因、发病机制及防治药物的开发均具有重要意义。本文就目前使用最为广泛和研究最为深入的转基因小鼠模型的病理、行为学变化特点及其在阿尔兹海默症研究中的应用和发现作一介绍。     

Transgenic parasites accelerate drug discovery

Parasitic neglected diseases are in dire need of new drugs either to replace old drugs rendered ineffective because of resistance development, to cover clinical needs that had never been addressed or to tackle other associated problems of existing drugs such as high cost, difficult administration, restricted coverage or toxicity. The availability of transgenic parasites expressing reporter genes facilitates the discovery of new drugs through high throughput screenings, but also by allowing rapid screening in animal models of disease. Taking advantage of these, we propose an alternative pathway of drug development for neglected diseases, going from high throughput screening directly into in vivo testing of the top ranked compounds selected by medicinal chemistry. Rapid assessment animal models allow for identification of compounds with bona fide activity in vivo early in the development chain, constituting a solid basis for further development and saving valuable time and resources.     

类器官及其应用的研究进展

类器官弥补了传统研究中细胞简单模型与动物复杂模型的不足,为生命体关键功能研究提供了重要实验基础,已成为当前研究热点,并在疾病机理研究、药物筛选、再生医学、生物材料评价等方面具有重大理论意义和应用前景.本文对近10年类器官研究进行了综述,阐述出类器官研究的发展历程和研究现状,重点综述了类器官的主要研究领域,并解析类器官研究中存在的关键科学问题,为类器官在生物医药、再生医学和疾病精准治疗领域的研究和应用提供新思路.     

诱导型多能干细胞iPSc研究现状及其移植治疗帕金森综合症应用前景

诱导多能干细胞(i PS细胞)在小鼠和人上的成功获取,使干细胞领域的研究进入了一个崭新的时代。干细胞研究是再生医学的重要组成部分,研究干细胞的最终目的是应用干细胞治疗疾病,其在疾病模型建立、药物筛选、细胞移植等方面具有极大的应用潜力。i PSCs是由体细胞诱导分化而成的"多能细胞",具备和胚胎干细胞类似的功能,既解决了ESCs的伦理障碍,又为ESCs的获得提供了一条全新的途径,具有重要的理论和应用价值。i PS细胞不仅打破了道德理论的束缚,而且在再生医学、组织工程和药物发现及评价等方面具有积极的价值。神经系统遗传性疾病发病率居各系统遗传病之首,但其发病的分子机制仍不完全清楚,运用体细胞重编程技术建立的疾病特异性诱导多能干细胞模型将有助于揭示神经系统遗传性疾病的发病机理。近几年i PS细胞最新研究成果表明,利用疾病患者i PS细胞模型已逐渐应用于帕金森氏病、老年性痴呆症、脊髓侧索硬化症、脊髓肌肉萎缩症及舞蹈症等5种常见神经性退行性疾病发病机理的研究。本文主要对i PSc的发展历程,避免病毒基因干扰诱导i PS细胞进行的优化,以及干细胞尤其是i PS细胞移植治疗帕金森病等神经系统疾病的现状及应用前景进行系统阐述与论证。     

阿尔茨海默病转基因小鼠的特点和应用

建立动物模型的目的是在实验动物身上复制人类疾病的模型,用于研究人类疾病的病因、发病、病理变化以及疾病的预防和治疗。目前尚无理想的阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）动物模型,AD实验动物模型的滞后在很大程度上制约了AD治疗药物的筛选。随着AD病因和发病机制研究的不断深入,更完善的AD动物模型也在陆续出现。近年来出现的转基因动物模型属于AD的病因模型,但也不能完整复制出AD的所有特征。最大的缺憾在于缺乏神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles,NFTs）和在某些转基因模型中（尤其是单转基因模型）无广泛的神经元丢失。虽然用免疫组化方法检测到tau蛋白,但从未发现成对螺旋纤丝（paired helical filaments,PHF）。     

人类疾病的动物模型

发展对人类疾病有效的预测、预防、诊断和治疗等途径,一直是人口健康领域关注的焦点.任何人类疾病似乎都可归咎于遗传背景和环境因素的共同作用,并影响到疾病的发生、病程、药物疗效和预后等.最有效的研究策略足直接针对患者的各方面临床研究,但这一策略常常会而临着同一临床症状却有不同病因(异质性)、个体差异显著(如治疗效果因人而异)以及难以回溯性地研究人类疾病的发生、发展(如发病以前的事件或经历)等问题,而且医学伦理学的要求使得大量医学研究和新药新疗法不能直接应用于人体,必须先有动物实验阐明其安全性和必要性.最佳的研究策略足创建人类疾病的动物模型,因为可严格地控制病因、遗传背景、环境因子等,也可跟踪性研究动物模型病症的发生、发展、治疗反应和结局等,但这一策略也常常面临着一系列问题和误解.对此,在<动物学研究>出版<灵长类动物与人类疾病模型>专刊之际,撰写此评述性论文,将系列问题和误解一一提出,并讨论其应对策略.     

Automated high-content live animal drug screening using C. elegans expressing the aggregation prone serpin α1-antitrypsin Z

The development of preclinical models amenable to live animal bioactive compound screening is an attractive approach to discovering effective pharmacological therapies for disorders caused by misfolded and aggregation-prone proteins. In general, however, live animal drug screening is labor and resource intensive, and has been hampered by the lack of robust assay designs and high throughput work-flows. Based on their small size, tissue transparency and ease of cultivation, the use of C. elegans should obviate many of the technical impediments associated with live animal drug screening. Moreover, their genetic tractability and accomplished record for providing insights into the molecular and cellular basis of human disease, should make C. elegans an ideal model system for in vivo drug discovery campaigns. The goal of this study was to determine whether C. elegans could be adapted to high-throughput and high-content drug screening strategies analogous to those developed for cell-based systems. Using transgenic animals expressing fluorescently-tagged proteins, we first developed a high-quality, high-throughput work-flow utilizing an automated fluorescence microscopy platform with integrated image acquisition and data analysis modules to qualitatively assess different biological processes including, growth, tissue development, cell viability and autophagy. We next adapted this technology to conduct a small molecule screen and identified compounds that altered the intracellular accumulation of the human aggregation prone mutant that causes liver disease in α1-antitrypsin deficiency. This study provides powerful validation for advancement in preclinical drug discovery campaigns by screening live C. elegans modeling α1-antitrypsin deficiency and other complex disease phenotypes on high-content imaging platforms.     

Drug discovery in academia

Drug discovery and development is generally done in the commercial rather than the academic realm. Drug discovery involves target discovery and validation, lead identification by high-throughput screening, and lead optimization by medicinal chemistry. Follow-up preclinical evaluation includes analysis in animal models of compound efficacy and pharmacology (ADME: administration, distribution, metabolism, elimination) and studies of toxicology, specificity, and drug interactions. Notwithstanding the high-cost, labor-intensive, and non-hypothesis-driven aspects of drug discovery, the academic setting has a unique and expanding niche in this important area of investigation. For example, academic drug discovery can focus on targets of limited commercial value, such as third-world and rare diseases, and on the development of research reagents such as high-affinity inhibitors for pharmacological "gene knockout" in animal models ("chemical genetics"). This review describes the practical aspects of the preclinical drug discovery process for academic investigators. The discovery of small molecule inhibitors and activators of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator is presented as an example of an academic drug discovery program that has yielded new compounds for physiology research and clinical development. high-throughput screening; drug development; pharmacology; fluorescence; cystic fibrosis transmembrane conductance regulator     

Human iPSC-derived cardiomyocytes and tissue engineering strategies for disease modeling and drug screening

Improved methodologies for modeling cardiac disease phenotypes and accurately screening the efficacy and toxicity of potential therapeutic compounds are actively being sought to advance drug development and improve disease modeling capabilities. To that end, much recent effort has been devoted to the development of novel engineered biomimetic cardiac tissue platforms that accurately recapitulate the structure and function of the human myocardium. Within the field of cardiac engineering, induced pluripotent stem cells (iPSCs) are an exciting tool that offer the potential to advance the current state of the art, as they are derived from somatic cells, enabling the development of personalized medical strategies and patient specific disease models. Here we review different aspects of iPSC-based cardiac engineering technologies. We highlight methods for producing iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) and discuss their application to compound efficacy/toxicity screening and in vitro modeling of prevalent cardiac diseases. Special attention is paid to the application of micro- and nano-engineering techniques for the development of novel iPSC-CM based platforms and their potential to advance current preclinical screening modalities.