Введение

Модельный организм (часто сокращенно – модель) – это вид, не относящийся к человеку, который широко изучается для понимания конкретных биологических явлений, с тем расчетом, что открытия, сделанные на модельном организме, позволят получить представление о функционировании других организмов. Модельные организмы широко используются в исследованиях заболеваний человека, когда проведение экспериментов на людях было бы невозможным или неэтичным. Такая стратегия стала возможной благодаря общему происхождению всех живых организмов и сохранению метаболических и процессов развития, а также генетического материала в ходе эволюции. Изучение модельных организмов может быть полезным, но необходимо проявлять осторожность при экстраполяции результатов с одного организма на другой. В исследованиях заболеваний человека модельные организмы позволяют лучше понять механизм развития болезни без дополнительного риска для здоровья человека. Виды, выбранные в качестве моделей, обычно соответствуют определенной таксономической близости к человеку, чтобы их реакция на болезнь или ее лечение была сопоставима с человеческой физиологией, насколько это необходимо. Хотя биологическая активность в модельном организме не гарантирует аналогичного эффекта у человека, многие лекарства, методы лечения и средства от болезней человека разрабатываются частично на основе данных, полученных на животных моделях. Существует три основных типа моделей заболеваний: гомологичные, изоморфные и предиктивные. У гомологичных животных причины, симптомы и варианты лечения совпадают с таковыми у людей, страдающих тем же заболеванием. Изоморфные животные имеют одинаковые симптомы и методы лечения. Предиктивные модели схожи с конкретным человеческим заболеванием лишь по нескольким признакам, но полезны для выделения и прогнозирования механизмов, лежащих в основе определенных признаков заболевания. Существует множество модельных организмов. Одной из первых модельных систем для молекулярной биологии была бактерия Escherichia coli, обычный обитатель пищеварительной системы человека. Некоторые бактериальные вирусы (бактериофаги), заражающие E. coli, также оказались очень полезными для изучения структуры и регуляции генов (например, фаги Lambda и T4). Однако вопрос о том, следует ли классифицировать бактериофаги как организмы, остается дискуссионным, поскольку они лишены собственного метаболизма и зависят от функций клеток-хозяев для размножения. Модельные организмы отбираются из всех трех доменов жизни, а также среди вирусов. Примеры включают Escherichia coli (E. coli), пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), фаговый вирус T4, плодóвую мушку Drosophila melanogaster, цветущее растение Arabidopsis thaliana, морских свинок (Cavia porcellus) и мышей (Mus musculus).

История

Использование животных в исследованиях восходит к древней Греции, где Аристотель (384–322 до н.э.) и Эрасистрат (304–258 до н.э.) были одними из первых, кто проводил эксперименты на живых животных. Открытия в 18 и 19 веках включали использование Антуаном Лавуазье морской свинки в калориметре для доказательства того, что дыхание является формой горения, и демонстрацию Луи Пастером в 1880-х годах микробной теории болезни на примере сибирской язвы у овец. Исследования с использованием животных моделей играли центральную роль во многих достижениях современной медицины. Они внесли основную часть базовых знаний в таких областях, как физиология человека и биохимия, и сыграли значительную роль в нейробиологии и изучении инфекционных заболеваний. Например, результаты включали почти полное искоренение полиомиелита и развитие трансплантации органов, принеся пользу как людям, так и животным. С 1910 по 1927 год работа Томаса Ханта Моргана с плодовой мушкой *Drosophila melanogaster* позволила идентифицировать хромосомы как вектор наследования генов. *Drosophila* стала одним из первых и на некоторое время наиболее широко используемых модельных организмов, а Эрик Кандель писал, что открытия Моргана «помогли превратить биологию в экспериментальную науку». *D. melanogaster* остается одним из наиболее широко используемых эукариотических модельных организмов. В тот же период исследования генетики мышей в лаборатории Уильяма Эрнеста Касла в сотрудничестве с Эбби Латруп привели к созданию инбредной линии мышей DBA («разбавленный, коричневый и неагути») и систематическому созданию других инбредных линий. С тех пор мышь широко используется в качестве модельного организма и связана со многими важными биологическими открытиями 20-го и 21-го веков. В конце XIX века Эмиль фон Беринг выделил дифтерийный токсин и продемонстрировал его действие на морских свинках. Затем он разработал антитоксин против дифтерии на животных, а затем и на людях, что привело к современным методам иммунизации и практически положило конец дифтерии как опасной болезни. Память об антитоксине дифтерии увековечена в гонке Iditarod, которая смоделирована по образцу доставки антитоксина в 1925 году в сыворотке для Нома. Успех исследований на животных в производстве антитоксина дифтерии также рассматривался как причина упадка оппозиции исследованиям на животных в Соединенных Штатах в начале 20-го века. Последующие исследования на модельных организмах привели к дальнейшим медицинским достижениям, таким как исследования Фредерика Бантинга на собаках, которые показали, что выделения поджелудочной железы могут быть использованы для лечения собак с диабетом. Это привело к открытию инсулина в 1922 году (совместно с Джоном Маклеодом) и его использованию в лечении диабета, который ранее означал смерть. Исследования Джона Кейда на морских свинках обнаружили противосудорожные свойства солей лития, что произвело революцию в лечении биполярного расстройства, заменив предыдущие методы лечения, такие как лоботомия или электросудорожная терапия. Современные общие анестетики, такие как галотан и родственные соединения, также были разработаны в ходе исследований на модельных организмах и необходимы для современных сложных хирургических операций. В 1940-х годах Джонас Солк использовал исследования на обезьянах-резусах для выделения наиболее вирулентных форм вируса полиомиелита, что привело к созданию вакцины против полиомиелита. Вакцина, ставшая общедоступной в 1955 году, снизила заболеваемость полиомиелитом в 15 раз в Соединенных Штатах в течение следующих пяти лет. Альберт Сабин улучшил вакцину, пропуская вирус полиомиелита через животных-хозяев, включая обезьян; вакцина Сабина была произведена для массового потребления в 1963 году и практически искоренила полиомиелит в Соединенных Штатах к 1965 году. По оценкам, для разработки и производства вакцин потребовалось использовать 100 000 обезьян-резусов, при этом от каждой обезьяны было получено 65 доз вакцины. Сабин писал в 1992 году: «Без использования животных и людей было бы невозможно получить важные знания, необходимые для предотвращения страданий и преждевременной смерти не только среди людей, но и среди животных». Другие медицинские достижения и методы лечения 20-го века, основанные на исследованиях на животных, включают методы пересадки органов, аппарат искусственного сердца и легких, антибиотики и вакцину против коклюша. Также были разработаны методы лечения болезней животных, в том числе бешенства, сибирской язвы и туберкулеза. Эксперименты на животных продолжают быть необходимыми для биомедицинских исследований и используются с целью решения медицинских проблем, таких как болезнь Альцгеймера, СПИД, рассеянный склероз, травмы спинного мозга, многие виды головных болей и другие состояния, для которых нет полезной системы моделирования *in vitro*.

Выбор

Модельные организмы – это организмы, обладающие большим объемом биологических данных, что делает их привлекательными для изучения в качестве моделей для других видов и/или природных явлений, которые сложнее исследовать напрямую. Постоянные исследования этих организмов сосредоточены на широком спектре экспериментальных техник и задач, охватывающих различные уровни биологии – от экологии, поведения и биомеханики до мельчайшего функционального масштаба отдельных тканей, органелл и белков. Исследования ДНК организмов классифицируются как генетические модели (с коротким временем генерации, такие как плодовая мушка и нематода), экспериментальные модели и модели геномной экономии, изучающие ключевые позиции на эволюционном дереве. Исторически модельные организмы включали небольшое количество видов с обширными данными геномных исследований, например, модельные организмы NIH. Часто модельные организмы выбирают, исходя из их пригодности для экспериментальных манипуляций. Обычно это включает в себя такие характеристики, как короткий жизненный цикл, методы генетической манипуляции (инбредные линии, линии стволовых клеток и методы трансформации) и несложные требования к содержанию. Иногда структура генома облегчает секвенирование генома модельного организма, например, благодаря его компактности или низкому содержанию "мусорной" ДНК (например, у дрожжей, арабидопсиса или рыбы фугу). Когда исследователи ищут организм для своих исследований, они обращают внимание на ряд признаков, включая размер, время генерации, доступность, возможность манипулирования, генетику, консервацию механизмов и потенциальную экономическую выгоду. С развитием сравнительной молекулярной биологии некоторые исследователи стали искать модельные организмы из более широкого круга таксономических групп на дереве жизни.

Филогенеза и генетическая родственность

Основная причина использования модельных организмов в исследованиях – эволюционный принцип, согласно которому все организмы обладают некоторой степенью родства и генетического сходства из-за общего происхождения. Изучение таксономических родственников человека может предоставить значительный объем информации о механизмах и заболеваниях в организме человека, полезной для медицины. Различные филогенетические деревья для позвоночных были построены с использованием сравнительной протеомики, генетики, геномики, а также геохимических и палеонтологических данных. Эти оценки показывают, что люди и шимпанзе последний раз имели общего предка около 6 миллионов лет назад (мya). Как наши ближайшие родственники, шимпанзе обладают большим потенциалом для раскрытия механизмов заболеваний (и генов, которые могут быть ответственны за человеческий интеллект). Однако шимпанзе редко используются в исследованиях и защищены от высокоинвазивных процедур. Грызуны – наиболее распространенные модельные животные. Филогенетические деревья оценивают, что люди и грызуны последний раз имели общего предка около 80–100 миллионов лет назад (mya). Несмотря на это отдаленное разделение, сходства между людьми и грызунами значительно превосходят различия. Это обусловлено относительной стабильностью значительных участков генома, что делает использование позвоночных животных особенно продуктивным. Геномные данные используются для детального сравнения видов и определения степени их родства. Люди разделяют около 99% своего генома с шимпанзе (98,7% с бонобо) и более 90% с мышью. Среди эукариот дрожжи, особенно Saccharomyces cerevisiae («пекарские» или «почковые» дрожжи), широко используются в генетике и клеточной биологии, в основном благодаря их быстрой и легкой культивации. Клеточный цикл у простых дрожжей очень похож на клеточный цикл у человека и регулируется гомологичными белками. Плодовую мушку Drosophila melanogaster изучают, в частности, потому, что ее легко выращивать, она имеет различные видимые врожденные признаки и содержит политенные (гигантские) хромосомы в слюнных железах, которые можно исследовать под световым микроскопом. Круглого червя Caenorhabditis elegans изучают, поскольку он характеризуется четко определенными паттернами развития, включающими фиксированное количество клеток, и его можно быстро анализировать на предмет аномалий.

Выбранные образцовые организмы

Нижеперечисленные организмы стали моделями, поскольку они облегчают изучение определенных признаков или благодаря своей генетической доступности. Например, *E. coli* была одним из первых организмов, для которых были разработаны генетические методы, такие как трансформация или генетическая манипуляция. Геномы всех модельных видов были секвенированы, включая их митохондриальные и хлоропластовые геномы. Существуют базы данных модельных организмов, предоставляющие исследователям возможность загружать последовательности (ДНК, РНК или белки) или получать функциональную информацию о конкретных генах, например, субклеточную локализацию продукта гена или его физиологическую роль.

Модельный организм | Общее название | Неформальная классификация | Использование (примеры)
---|---|---|---
Вирус | Phi X 174 (ΦX174) | Вирус | Эволюция
Прокариоты | *Escherichia coli* (E. coli) | Бактерии | Бактериальная генетика, метаболизм
| *Pseudomonas fluorescens* (P. fluorescens) | Бактерии | Эволюция, адаптивное излучение
Эукариоты, одноклеточные | *Dictyostelium discoideum* | Амеба | Иммунология, взаимодействие патоген-хозяин
| *Saccharomyces cerevisiae* | Пивные дрожжи / Пекарские дрожжи | Дрожжи | Деление клеток, органеллы и т.д.
| *Schizosaccharomyces pombe* | Фиссионные дрожжи | Дрожжи | Клеточный цикл, цитокинез, биология хромосом, теломеры, метаболизм ДНК, организация цитоскелета, промышленные применения
| *Chlamydomonas reinhardtii* | Водоросли | | Производство водорода
| *Tetrahymena thermophila, T. pyriformis* | Инфузории | | Образование, биомедицинские исследования
| *Emiliania huxleyi* | Планктон | | Температура поверхности моря
Растения | *Arabidopsis thaliana* | Резуховидка Таля | Популяционная генетика
| *Physcomitrella patens* | Земляной мох | Мох | Молекулярное земледелие
| *Populus trichocarpa* | Бальзамический тополь | Дерево | Засухоустойчивость, биосинтез лигнина, формирование древесины, биология растений, морфология, генетика и экология
Животные, беспозвоночные | *Caenorhabditis elegans* | Нематода / Круглый червь | Дифференцировка, развитие
| *Drosophila melanogaster* | Фруктовая мушка | Насекомое | Биология развития, дегенеративные заболевания головного мозга человека
| *Callosobruchus maculatus* | Бобковый зерновой жук | Насекомое | Биология развития
Животные, позвоночные | *Danio rerio* | Данио рерио (Зебра) | Рыба | Эмбриональное развитие
| *Fundulus heteroclitus* | *Mummichog* | Рыба | Влияние гормонов на поведение
| *Nothobranchius furzeri* | Бирюзовая каранка | Рыба | Старение, болезни, эволюция
| *Oryzias latipes* | Японский карповый окунь | Рыба | Биология рыб, определение пола
| *Anolis carolinensis* | Каролинская аноле | Рептилия | Биология и эволюция рептилий
| *Mus musculus* | Домашняя мышь | Млекопитающее | Модель болезней человека
| *Gallus gallus* | Красный джунгливый петух | Птица | Эмбриологическое развитие и органогенез
| *Taeniopygia castanotis* | Австралийский зебровый вьюрок | Птица | Вокальное обучение, нейробиология
| *Xenopus laevis / Xenopus tropicalis* | Африканская когтистая лягушка / Западная когтистая лягушка | Амфибия | Эмбриональное развитие

Ограничения

Многие животные, используемые в качестве подопытных в биомедицинских исследованиях, такие как крысы и мыши, могут быть от природы малоподвижными, склонными к ожирению и непереносимости глюкозы. Это может искажать результаты их использования для моделирования метаболических процессов и заболеваний человека, поскольку на эти процессы влияет потребление энергии с пищей и физическая активность. Кроме того, существуют различия между иммунными системами модельных организмов и человека, приводящие к значительно отличающим реакциям на стимулы, хотя фундаментальные принципы функционирования генома могут быть схожими. Отсутствие повседневного разнообразия, рисков, вознаграждений и сложной среды обитания заставляет некоторых исследователей считать, что животные модели нерелевантны для изучения человеческого опыта. Мыши отличаются от людей рядом иммунных характеристик: они более устойчивы к некоторым токсинам, имеют меньшую общую долю нейтрофилов в крови, более низкую ферментативную активность нейтрофилов, сниженную активность системы комплемента и отличный набор пентраксинов, участвующих в воспалении; у них также отсутствуют гены, кодирующие важные компоненты иммунной системы, такие как IL-8, IL-37, TLR10, ICAM-3 и другие. Другое исследование, проведенное в 2016 году, показало, что микробиота кишечника у мышей может оказывать влияние на результаты научных исследований.

Альтернативы

Этические соображения, а также стоимость, обслуживание и относительная неэффективность исследований на животных стимулировали разработку альтернативных методов изучения заболеваний. Культивирование клеток, или исследования in vitro, предоставляют альтернативу, сохраняющую физиологию живой клетки, но не требующую жертвоприношения животного для изучения механизмов. Человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки также позволяют выявить новые механизмы понимания рака и регенерации клеток. Методы визуализации (такие как МРТ или ПЭТ-сканирование) обеспечивают неинвазивное изучение людей. Последние достижения в области генетики и геномики позволяют идентифицировать гены, связанные с заболеваниями, которые могут служить мишенями для терапии. Многие исследователи в области биомедицины утверждают, что нет замены живому организму при изучении сложных взаимодействий в патологии заболеваний или при оценке эффективности лечения.

Этика

Дискуссия об этическом использовании животных в исследованиях восходит, по крайней мере, к 1822 году, когда британский парламент под давлением британских и индийских интеллектуалов принял первый закон о защите животных, предотвращающий жестокое обращение с крупным рогатым скотом. За этим последовали законы о жестоком обращении с животными 1835 и 1849 годов, которые криминализировали издевательства, переутомление и пытки животных. В 1876 году, под давлением Национального антививисекционного общества, в Закон о жестокости к животным были внесены поправки, включающие регулирование использования животных в исследованиях. Этот новый закон устанавливал, что 1) эксперименты должны быть доказано абсолютно необходимыми для обучения или для спасения или продления жизни человека; 2) животные должны быть надлежащим образом анестезированы; и 3) животных следует умерщвлять сразу после завершения эксперимента. Сегодня эти три принципа лежат в основе законов и руководящих принципов, регулирующих использование животных в исследованиях. В США Закон о благополучии животных 1970 года (см. также Закон о благополучии лабораторных животных) установил стандарты использования и ухода за животными в исследованиях. Этот закон обеспечивается программой по уходу за животными APHIS. В академических учреждениях, финансируемых NIH для исследований на животных, учреждения руководствуются Управлением по благополучию лабораторных животных NIH (OLAW). На каждом объекте соответствие руководящим принципам и стандартам OLAW обеспечивается местным советом по рассмотрению, называемым Институциональным комитетом по уходу и использованию животных (IACUC). Все лабораторные эксперименты с участием живых животных рассматриваются и утверждаются этим комитетом. Помимо доказательства потенциальной пользы для здоровья человека, минимизации боли и страданий, а также своевременной и гуманной эвтаназии, исследователи должны обосновывать свои протоколы, основываясь на принципах замены, сокращения и усовершенствования. "Замена" относится к усилиям по поиску альтернатив использованию животных, включая использование компьютерных моделей, неживых тканей и клеток, а также замену животных "высшего порядка" (приматов и млекопитающих) животными "низшего порядка" (например, холоднокровными животными, беспозвоночными), где это возможно. "Сокращение" относится к усилиям по минимизации количества используемых животных в ходе эксперимента, а также к предотвращению ненужного повторения предыдущих исследований. Для выполнения этого требования используются математические расчеты статистической мощности для определения минимального количества животных, необходимого для получения статистически значимого экспериментального результата. "Усовершенствование" относится к усилиям по разработке максимально безболезненного и эффективного дизайна эксперимента, чтобы свести к минимуму страдания каждого животного.