Кіріспе

Түрлер арасындағы биологияны зерттеу үшін қолданылатын организмдер. Үлгілік организм (көбінесе модель деп қысқартылады) – белгілі бір биологиялық құбылыстарды түсіну үшін кеңінен зерттелетін адам емес түр. Модельдік организмде жасалған жаңалықтар басқа организмдердің жұмыс істеуін түсінуге көмектеседі деген үмітпен. Модельді организмдер адаммен тәжірибе жүргізу мүмкін емес немесе этикалық тұрғыдан дұрыс емес болған жағдайларда адам ауруларын зерттеу үшін жиі қолданылады. Бұл стратегияның мүмкін болуының себебі – барлық тірі организмдердің ортақ тегінен басталуы және эволюция барысында метаболизм мен даму жолдарының, сондай-ақ генетикалық материалдың сақталуы. Үлгілік организмдерді зерттеу пайдалы болуы мүмкін, бірақ бір организмнен екіншісіне қорытынды жасағанда сақтық таныту қажет. Адам ауруларын зерттеуде модельді организмдер нақты адамға зиян келтіру қаупінсіз ауру процесін жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. Таңдалған түрлер әдетте адамдарға таксономиялық жағынан ұқсас болады, соның салдарынан ауруға немесе оның емделуіне адам физиологиясына сәйкес жауап береді. Модельді организмдегі биологиялық белсенділік адамда да сондай әсер етеді деп кепілдік беруге болмаса да, көптеген дәрі-дәрмектер, емдеулер және адам ауруларын емдеу әдістері жануарлар моделінің көмегімен әзірленеді. Ауру модельдерінің үш негізгі түрі бар: гомологты, изоморфты және болжамдық. Гомологты жануарларда аурудың себептері, белгілері және емдеу әдістері адамдардағыдай болады. Изоморфты жануарлар бірдей белгілер мен емдеулерді бөліседі. Болжамдық модельдер белгілі бір адам ауруының тек бірнеше ерекшеліктеріне ұқсас, бірақ ауру белгілерінің жиынтығының механизмдерін анықтау және болжам жасау үшін пайдалы. Көптеген модельді организмдер бар. Молекулалық биологиядағы алғашқы модельдік жүйелердің бірі – адамның ас қорыту жүйесінің құрамдас бөлігі – Escherichia coli бактериясы болды. E. coli-ді жұқтырған бактериялық вирустардың (бактериофагтар) бірнешеуі гендердің құрылымын және гендік реттелуді зерттеуде де өте пайдалы болды (мысалы, Ламбда және Т4 фагтары). Дегенмен, бактериофагтарды организмдерге жатқызу керек пе, жоқ па деген мәселе талқыланып жүр, өйткені олардың метаболизмі жоқ және көбейту үшін жақын жасушалардың функцияларына тәуелді. Модельді организмдер тіршілік әлемінің барлық үш доменінен, сондай-ақ вирустардан алынады. Мысалдарға Escherichia coli (E. coli), нан пісіруші ашытқысы (Saccharomyces cerevisiae), T4 фаг вирусы, жеміс шыбығы Drosophila melanogaster, гүлді өсімдік Arabidopsis thaliana, теңіз шошқасы (Cavia porcellus) және тышқан (Mus musculus) жатады.

Тарих

Жануарларды зерттеуде пайдалану ежелгі Грецияға дейін, Аристотельге (б.з.д. 384–322 ж.) және Эрастратқа (б.з.д. 304–258 ж.) дейін барып жетеді, олар тірі жануарлармен алғашқы тәжірибелер жасағандардың қатарында болды. 18 және 19 ғасырлардағы жаңалықтарға Антуан Лавуазьенің гвинея шошқасын калориметрде пайдалануы арқылы тыныс алудың жану түрі екенін дәлелдеуі, ал Луи Пастердің 1880 жылдары қойларда көкжәнді пайдалану арқылы аурудың микробтық теориясын көрсетуі кірді. Қазіргі медицинаның көптеген жетістіктерінде жануарлар моделінің пайдалануы орталық рөл атқарады. Ол адам физиологиясы және биохимиясы сияқты салалардағы негізгі білімнің көп бөлігін қамтамасыз етті және нейроғылымдар мен жұқпалы аурулар сияқты салаларда маңызды рөл атқарды. Мысалы, нәтижелер полиомиелиттің дерлік жойылуына және мүшелерді трансплантациялаудың дамуына әкелді, бұл адамдар мен жануарларға пайда келтірді. 1910 жылдан 1927 жылға дейін Томас Хант Морганның Drosophila melanogaster жеміс шыбығымен жасаған жұмысы хромосомаларды гендердің мұрагерлік векторы ретінде анықтады. Drosophila алғашқы және біраз уақыт бойы ең көп қолданылатын модельді организмдердің бірі болды, ал Эрик Кандель Морганның жаңалықтары "биологияны тәжірибелік ғылымға айналдыруға көмектесті" деп жазды. D. melanogaster – ең көп қолданылатын эукариоттық модельді организмдердің бірі болып табылады. Сол кезде Уильям Эрнест Каслдың зертханасында Эбби Латроппен бірлесе отырып, егеуқұйрық генетикасы бойынша зерттеулер DBA ("ақ, қоңыр және агути емес") инбридті егеуқұйрық штаммын және басқа инбридті штамдардың жүйелі түрде жасалуына әкелді. Содан бері егеуқұйрық үлгілік организм ретінде кеңінен қолданылып келеді және 20 және 21 ғасырлардағы көптеген маңызды биологиялық жаңалықтармен байланысты. 19 ғасырдың соңында Эмиль фон Беринг дифтерия токсинін оқшаулап, оның әсерін теңіз шошқаларында көрсетті. Ол жануарларда, содан кейін адамдарда дифтерияға қарсы антитоксинді жасады, бұл иммундаудың қазіргі заманғы әдістеріне әкелді және дифтерияны қауіпті ауру ретінде тоқтатты. Дифтерияға қарсы антитоксин 1925 жылы Номға жүргізілген сарысумен жеткізілуінен кейін үлгіленген Идитарод жарысында атақты. Дифтерияға қарсы антитоксинді өндірудегі жануарлар зерттеулерінің табысты болуы, сондай-ақ, 20 ғасырдың басында АҚШ-та жануарлар зерттеулеріне қарсылық білдірудің төмендеуіне себеп болды. Модельді организмдердегі кейінгі зерттеулер Фредерик Бантингтің иттердегі зерттеулері сияқты медициналық жетістіктерге әкелді, ол панкреатикалық секрецияның оқшаулануын қант диабеті бар иттерді емдеу үшін қолдануға болатынын анықтады. Бұл 1922 жылы инсулиннің ашылуына (Джон Маклеодпен бірге) және оның бұрын өлімге әкелген қант диабетіне қарсы қолданылуына әкелді. Джон Кейдтің теңіз шошқаларындағы зерттеулері литий тұздарының конвульсияға қарсы қасиеттерін анықтады, бұл екіполярлық бұзылысты емдеуде революция жасады, ол бұрынғы лоботомия немесе электроконвульсивті терапияның орнын алды. Қазіргі заманғы жалпы анестетика, мысалы, галотан және оған ұқсас қосылыстар, сонымен қатар модельді организмдер бойынша зерттеулер арқылы жасалды және қазіргі заманғы күрделі хирургиялық операцияларға қажет. 1940 жылдары Джонас Солк полиомиелит вирусының ең қауіпті түрлерін оқшаулау үшін rhesus маймылдарындағы зерттеулерді қолданды, бұл оның полиомиелит вакцинасын жасауға әкелді. 1955 жылы жалпыға қолжетімді болған вакцина келесі бес жылда АҚШ-та полиомиелит ауруының таралуын 15 есеге азайтты. Альберт Сэбин полиомиелит вирусын жануарлар арқылы, соның ішінде маймылдар арқылы өткізе отырып, вакцинаны жақсартты; Сэбин вакцинасы 1963 жылы жаппай тұтыну үшін шығарылды және 1965 жылға қарай Америка Құрама Штаттарында полиомиелитті жойды. Вакцинаны әзірлеу мен өндіру үшін 100 000 макак қажет болды, әр маймылдан 65 доза вакцина өндірілді. 1992 жылы Сабин былай деп жазды: "Жануарлар мен адамдарды қолданбағанда, адамдар ғана емес, жануарлар арасында да көп азап пен ерте өлімді болдырмау үшін қажетті маңызды білімді алу мүмкін емес еді". 20 ғасырдағы басқа да медициналық жетістіктер мен жануарлардағы зерттеулерге негізделген емдеу әдістері: мүшелерді трансплантациялау техникасы, жүрек-өкпе машинасы, антибиотиктер және көкжәндік вакцинасы. Жануарлардың ауруларын емдеу әдістері де әзірленді, соның ішінде құтыру, көкжәң, туберкулез. Жануарлармен тәжірибе жүргізу биомедициналық зерттеулер үшін қажет болып табылады және Альцгеймер ауруы, ЖИТС, бірнеше склероз, жұлын зақымдануы, көптеген бас аурулары және пайдалы in vitro модель жүйесі жоқ басқа да жағдайларды шешу мақсатымен қолданылады.

Таңдау

Модельдер – биологиялық деректердің мол қорына ие организмдер, олардың қасиеттері басқа түрлерді және тікелей зерттеу қиын табиғи құбылыстарды зерттеу үшін үлгі ретінде қолдануға ыңғайлы. Осы организмдерге қатысты үздіксіз зерттеулер биологияның әртүрлі деңгейлерінде – экология, мінез-құлық, биомеханикадан бастап, жеке тіндердің, органеллалардың және ақуыздардың кішкентай функционалдық деңгейіне дейін әртүрлі тәжірибелік әдістер мен мақсаттарға бағытталған. Организмдердің ДНК-сы туралы зерттеулер генетикалық модельдер (жеміс шыбыңы және нематода құрты сияқты қысқа өмір сүру циклымен), эксперименталды модельдер және эволюциялық ағаштағы маңызды орнына қатысты геномдық парсимония модельдері ретінде жіктеледі. Тарихи тұрғыдан алғанда, модельді организмдерге NIH модельді организмдері сияқты кең геномдық зерттеу деректеріне ие түрлер кіреді. Көбінесе модельді организмдер тәжірибелік манипуляцияларға бейімділігіне байланысты таңдалады. Бұл әдетте қысқа өмір сүру циклы, генетикалық манипуляцияға арналған әдістер (ішкі көшірме штаммдар, дің жасушаларының желілері және трансформация әдістері) және арнайы емес тіршілік ету талаптары сияқты қасиеттерді қамтиды. Кейде геномдық құрылым модельді организмнің геномын тізбектеуді жеңілдетеді, мысалы, өте тығыз немесе қоқыс ДНК-ның аз мөлшеріне ие болғанда (мысалы, ашытқы, арабидопсис немесе шаян балық). Зерттеушілер зерттеулерінде қолдану үшін организм іздегенде бірнеше қасиеттерге назар аударады. Олардың ішінде мөлшері, ұрпақ алмасу уақыты, қолжетімділігі, манипуляцияға болатындығы, генетикасы, механизмдердің сақталуы және әлеуетті экономикалық пайда бар. Салыстырмалы молекулалық биология кеңінен таралғандықтан, кейбір зерттеушілер өмір ағашындағы әртүрлі текті организмдерді модель ретінде іздеуде.

Филогенезия және генетикалық туыстық

Зерттеуде үлгілік организмдерді қолданудың басты себебі – барлық организмдердің ортақ тегінен туындағандықтан, белгілі бір дәрежеде туыстық және генетикалық ұқсастықтары бар екенін көрсететін эволюциялық принцип. Сондықтан, адамның таксономиялық жақындарының зерттелуі адам организміндегі механизмдер мен аурулар туралы көптеген мәліметтерді бере алады, бұл медицинада пайдалы болуы мүмкін. Омыртқалы жануарлардың түрлі филогенетикалық ағаштары салыстырмалы протеомика, генетика, геномика, сондай-ақ геохимиялық және қазбалық деректерді пайдалана отырып құрастырылған. Бұл бағалаулар бойынша, адам мен шимпанзелердің соңғы ортақ ата-бабасы шамамен 6 миллион жыл бұрын (мжж) болған. Біздің ең жақын туыстарымыз болғандықтан, шимпанзелер ауру механизмдері (және адам ақылы үшін жауапты гендер) туралы көптеген мәліметтер бере алады. Дегенмен, шимпанзелер зерттеулерде сирек қолданылады және тым жойқын процедуралардан қорғалады. Кеміргіштер – ең көп қолданылатын жануарлар моделі. Филогенетикалық ағаштар адамдар мен кеміргіштердің соңғы ортақ ата-бабасы шамамен 80-100 миллион жыл бұрын болғанын көрсетеді. Осы қашық бөлінуге қарамастан, адамдар мен кеміргіштердің айырмашылықтарына қарағанда ұқсастықтары көп. Бұл геномның үлкен бөліктерінің салыстырмалы тұрақтылығына байланысты, омыртқалы жануарларды пайдалануды өте тиімді етеді. Геномдық деректер түрлер арасындағы жақын салыстырулар жасау және туыстық байланысты анықтау үшін қолданылады. Адамдар геномдарының 99% -ын шимпанзелермен (боноболармен – 98,7%) және 90% -дан астамын егешқұйрықтармен (тышқандармен) бөліседі. Эукариоттарда, әсіресе Saccharomyces cerevisiae («нанына қамыр ашытатын» немесе «бүршікленетін») ашытқысы, генетика және жасуша биологиясында кеңінен қолданылады, себебі олардың өсуі жылдам және оңай. Қарапайым ашытқыдағы жасуша циклы адамдағы жасуша циклына өте ұқсас және гомологты ақуыздармен реттеледі. Drosophila melanogaster жеміс шыбығы да оңай өсірілуі, әртүрлі көзге көрінетін туа біткен қасиеттері және сілекей бездеріндегі политенді (үлкен) хромосомасы бар, оны жарық микроскопымен қарастыруға болады, сондықтан зерттеледі. Caenorhabditis elegans дөңгелек құрты нақты даму үлгілерімен, белгілі бір мөлшердегі жасушалармен сипатталатындықтан және аномалияларды жылдам анықтауға мүмкіндік беретіндіктен зерттеледі.

Таңдалған үлгілік организмдер

Төмендегі организмдер үлгілі организмдерге айналды, өйткені олар белгілі бір қасиеттерді зерттеуді жеңілдетеді немесе олардың генетикалық қолжетімділігіне байланысты. Мысалы, E. coli генетикалық әдістерді, мысалы трансформация немесе генетикалық манипуляцияны алғаш қолданған организмдердің бірі болды. Барлық үлгі түрлерінің геномдары, оның ішінде митохондриялық/хлоропласт геномдары секвенирленді. Зерттеушілерге тізбектерді (ДНК, РНК немесе белок) жүктеуге немесе белгілі бір гендер туралы функционалдық ақпаратқа қол жеткізуге арналған порталмен қамтамасыз ету үшін үлгілі организмдердің деректер базасы бар, мысалы, ген өнімінің жасуша ішіндегі орналасуы немесе оның физиологиялық рөлі. Үлгілік организм Жалпы атауы Бейресми жіктеу Қолданылуы (мысалдар) Вирус Phi X 174 ΦX174 Вирус эволюциясы Прокариоттар Escherichia coli E. coli Бактерия бактериялық генетика, метаболизм Pseudomonas fluorescens P. fluorescens Бактерия эволюция, адаптивті сәулелену Эукариоттар, бір жасушалы Dictyostelium discoideum Амеба иммунология, қабылдаушы-патоген өзара әрекеттесуі Saccharomyces cerevisiae Пиво ашытқысы Нан ашытқысы Ашытқы жасуша бөлінуі, органеллалар және т.б. Schizosaccharomyces pombe Фиссен ашытқысы Ашытқы жасуша циклы, цитокинез, хромосома биологиясы, теломерлер, ДНК метаболизмі, цитоскелет ұйымы, өнеркәсіптік қолданылу Chlamydomonas reinhardtii Алгалар сутек өндірісі Tetrahymena thermophila, T. pyriformis Ciliate білім беру, биомедициналық зерттеу Emiliania huxleyi Планктон теңіз бетінің температурасы Өсімдіктер Arabidopsis thaliana Thale cress Гүлді өсімдік популяция генетикасы Physcomitrella patens Жер бетінде өсетін мох Мох молекулалық шаруашылық Populus trichocarpa Бальзам толы Ағаш құрғақшылыққа төзімділік, лигнин биосинтезі, ағаш қалыптасу, өсімдік биологиясы, морфологиясы, генетикасы және экологиясы Жануарлар, омыртқасы жоқ Caenorhabditis elegans Nematode, Roundworm Құрт дифференциация, даму Drosophila melanogaster Жеміс шыбыңы Құбыртқы даму биологиясы, адам миының дегенеративті ауруы Callosobruchus maculatus Сиыр бұршағы Құбыртқы даму биологиясы Жануарлар, омыртқалы Danio rerio Zebrafish Балық эмбриондық даму Fundulus heteroclitus Mummichog Балық гормондардың мінез-құлыққа әсері Nothobranchius furzeri Turquoise killifish Балық қартаю, ауру, эволюция Oryzias latipes Жапон күріш балығы Балық балық биологиясы, жыныс анықтау Anolis carolinensis Carolina anole Бауырымен жорғалаушы бауырымен жорғалаушы биологиясы, эволюция Mus musculus Үй тышқаны Сүтқоректі адамдар үшін ауру моделі Gallus gallus Red junglefowl Құс эмбриологиялық даму және органогенез Taeniopygia castanotis Австралиялық зебра қарғасы Құс дауыс үйрену, нейробиология Xenopus laevis Xenopus tropicalis Африкалық тырнақты бақа Батыс тырнақты бақа Амфибия эмбриондық даму.

Шектеулер

Биомедициналық зерттеулерде сынақ нысандары ретінде қолданылатын көптеген жануарлар модельдері, мысалы, егеуқұйрықтар мен тышқандар, таңдау бойынша қозғалмауы мүмкін, семіз және глюкозаға төзімсіздік танытуы мүмкін. Бұл, олардың адамның метаболизм процестерін және ауруларын модельдеу үшін қолданылуына кедерес келтіруі мүмкін, себебі олар диеталық энергия мөлшері мен физикалық жаттығуларға байланысты өзгеруі мүмкін. Сол сияқты, модельдік организмдер мен адамдардың иммундық жүйелері арасында айқын айырмашылықтар бар, бұл стимулдарға реакцияның өзгеруіне алып келеді, бірақ геномдық функцияның негізгі принциптері бірдей болуы мүмкін. Күнделікті әртүрлілік, тәуекел мен пайда, күрделі ортаның болмауы жануарлар модельдерінің адам тәжірибесін дұрыс бейнелемейтінін көрсетеді деген пікірлер де бар. Егеуқұйрықтар адамдардан бірнеше иммундық қасиеттерімен ерекшеленеді: олар кейбір уларға адамдардан гөрі төзімді; қандағы жалпы нейтрофил мөлшері төмен, нейтрофилдердің ферменттік белсенділігі төмен, комплемент жүйесінің активтігі төмен, және қабыну процесіне қатысатын пентраксиндердің басқа жиынтығына ие; сондай-ақ, иммундық жүйенің маңызды компоненттері үшін, мысалы, IL 8, IL 37, TLR10, ICAM 3 және т.б. гендері жоқ. 2016 жылы жасалған тағы бір зерттеу егеуқұйрықтардың ішек микробиомы ғылыми зерттеулерге әсер етуі мүмкін екенін көрсетті.

Баламалар

Этикалық мәселелер, сондай-ақ жануарлар зерттеулерінің құны, күтімі және салыстырмалы тиімсіздігі ауруды зерттеудің балама әдістерін дамытуға түрткі болды. Жасуша мәдениеті немесе *in vitro* зерттеулер тірі жасушаның физиологиясын сақтайды, бірақ механизмдік зерттеулер үшін жануарды құрбан етуді қажет етпейді. Адамның индукцияланатын көпүрлі шешімдік жасушалары қатерлі ісік пен жасушаларды жаңартуды түсінудің жаңа механизмдерін анықтауға көмектеседі. Бейнелеу зерттеулері (мысалы, МРТ немесе ПЭТ сканерлеуі) адамдарды бақылауға инвазиялық емес әдіс ұсынады. Генетика және геномика саласындағы соңғы жетістіктер аурумен байланысты гендерді анықтауға мүмкіндік береді, оларды емдеу үшін нысана ретінде пайдалануға болады. Көптеген биомедициналық зерттеушілер ауру патологиясы немесе емдеудегі күрделі өзара әрекеттесулерді зерттегенде тірі организмнің орнын ешбір нәрсе баса алмайды деп санайды.

Этика

Жануарларды зерттеуде этикалық қолдану туралы пікірталас кем дегенде 1822 жылға дейін жетеді, сол кезде британдық және үндістандық зиялылардың қысымымен британ Парламенті малға жасалатын қатыгездікті болдырмайтын алғашқы заңды қабылдады. Бұған 1835 және 1849 жылдарғы «Жануарларға қатыгездік туралы» заңдар ілесуі керек болды, ол жануарларды жаман күтуді, асыра шабуылдауды және азаптауды қылмыс деп жариялады. 1876 жылы Ұлттық антививисекция қоғамының қысымымен «Жануарларға қатыгездік туралы» заңға жануарларды зерттеуде пайдалануды реттейтін ережелер енгізілді. Бұл жаңа заңда белгіленген: 1) эксперименттер оқыту үшін немесе адам өмірін сақтау немесе ұзарту үшін қажетті екені нақты дәлелденуі керек; 2) жануарларға тиісті анестезия жасалуы керек; және 3) эксперимент аяқталғаннан кейін жануарлар дереу өлтірілуі керек. Бүгінде осы үш принцип жануарларды пайдалану және зерттеуді реттейтін заңдар мен нұсқаулардың негізгі бөлігін құрайды. АҚШ-та 1970 жылғы «Жануарлардың әл-ауқатын қорғау туралы» заң (қараңыз, сондай-ақ «Зертханалық жануарлардың әл-ауқатын қорғау туралы» заң) зерттеулерде жануарларды пайдалану мен күтуге қатысты стандарттарды белгіледі. Бұл заңды APHIS-тің «Жануарларды күту» бағдарламасы іске асырады. NIH қаржысымен жануарлар зерттеулері жүргізілетін академиялық мекемелерде NIH Зертханалық жануарлар қамын жасау кеңсесі (OLAW) басшылық жасайды. Әрбір орында OLAW-тың нұсқаулары мен стандарттарын жергілікті қарау комиссиясы – Институционалды жануарларды күту және пайдалану комитеті (IACUC) сақтайды. Тірі жануарларды қатыстыратын барлық зертханалық тәжірибелер осы комитет қарауына түсіп, бекітілуі керек. Адам денсаулығына пайдасы болу мүмкіндігін дәлелдеуден өзге, ауырсыну мен стресті азайту, уақтылы және гуманды эвтаназия жасаудан бөлек, тәжірибе жүргізушілер өз протоколдарын Ауыстыру, Азайту және Жақсарту принциптеріне сәйкес негіздеуі тиіс. «Ауыстыру» жануарларды пайдаланудың баламаларын іздеуге бағытталған. Бұл компьютерлік модельдерді, тірі емес тіндер мен жасушаларды пайдалануды, сондай-ақ «жоғары сатыдағы» жануарларды (приматтар мен сүтқоректілерді) «төмен сатыдағы» жануарлармен (мысалы, суыққанды жануарлар, омыртқасыздар) мүмкіндігінше алмастыруды қамтиды. «Азайту» эксперимент барысында қолданылатын жануарлардың санын барынша азайтуға, сондай-ақ бұрынғы эксперименттердің қажетсіз қайталануын болдырмауға бағытталған. Бұл талапты орындау үшін статистикалық маңызды нәтиже алу үшін қолданылатын жануарлардың ең аз санын анықтау үшін статистикалық қуатты математикалық есептеулер қолданылады. «Жақсарту» әр жануардың азаптарын азайту үшін тәжірибелік жобаны мүмкіндігінше жеңілдету және тиімді етуге бағытталған.