陳 玥，蘇 丹，貴文娟，孫效容*

(1.成都合拓創(chuàng)展生物科技有限公司，成都 610000；2.寧夏醫(yī)科大學總醫(yī)院，銀川 750004)

動物實驗在基礎研究、藥物發(fā)現(xiàn)、藥物臨床前研究中至關重要[1]。多學科研究者廣泛使用實驗動物作為研究對象，包括：毒理學、腫瘤學、免疫學、遺傳學、病理學、兒科學、婦產(chǎn)科學、老年醫(yī)學等學科范疇[2-4]。動物實驗為臨床研究背景提供重要信息，并對人體實驗前的程序優(yōu)化具有重大意義。然而，在神經(jīng)保護[5]、消化系統(tǒng)[6]和癌癥研究等諸多領域，從臨床前動物研究到有效臨床治療的年齡匹配度并不高。

體內(nèi)實驗的一個重要特征是需要將臨床前研究中使用的動物年齡與人類疾病狀態(tài)的峰值發(fā)病年齡相匹配，但離乳動物物種之間的生長和發(fā)育變化很大，年齡匹配總是基于對發(fā)育性質(zhì)的假設。許多作為藥物治療的目標病癥都具有年齡依賴性，疾病病變發(fā)生率和嚴重程度以及對治療的反應都隨著年齡而變化。此外，年齡的變化通常會帶來不同的并發(fā)癥，使藥物治療和檢測復雜化[7]。很明顯，良好的動物實驗必須在盡可能相似的生命階段匹配人類年齡，以便使動物實驗結果更加科學可靠。

物種之間的相似性在特定發(fā)育階段反映出基本相似的生物過程的程度，稱之為年齡匹配問題。動物在發(fā)育和衰老過程中對許多藥物的反應不同。因此，有效的年齡匹配對于在生物醫(yī)學研究中成功使用動物模型至關重要。

1 物種間相似性發(fā)展理論假說

在進化論中，物種之間的相似性有三種類型[7]：①血緣相似性(同源性)；②適應進化而產(chǎn)生的相似性(類比)；③來自類似祖先狀態(tài)自適應形式的并行發(fā)展相似性。這意味著功能相似性可能受到不同生物化學和生理過程的影響，并且同源的生物化學反應可以在不同物種發(fā)揮不同的功能作用。在當前的動物實驗中，這些復雜的相似性經(jīng)常被忽略。事實上，所有動物與人類年齡匹配方式都取決于生物進化發(fā)展理論。目前有許多進化發(fā)展理論：如經(jīng)典發(fā)育生物學，“進化論”[8]等。

2 實驗動物與人類年齡匹配發(fā)展理論

目前，動物實驗中動物與人類年齡匹配中所探討的發(fā)展理論，主要包含以下四種[7]。

2.1 線性縮放

線性縮放是一種簡單的年齡匹配方法，離乳動物的發(fā)育被認為是一種高度進化保守的序列(即離乳動物物種之間高度相似)，通過計算模型物種的平均壽命與人類的平均壽命百分比，最終計算得出動物相對于人類的年齡[7]。

2.2 非線性縮放

在該理論中，仍然假設離乳動物的發(fā)育遵循相對一致的步驟順序。較為流行的發(fā)展理論是關于性成熟的理論，認為相關物種之間的一個關鍵差異是性成熟發(fā)育階段的相對持續(xù)時間[9]。可以說，非線性縮放是研究人員在嘗試將動物與人類進行年齡匹配時使用的較多理論之一。研究者們認識到每個階段的相對持續(xù)時間和速度對于每個物種而言差異是非常顯著的。

兩種縮放理論具有直觀的意義，它們是基于分支因果關系的發(fā)展理論[7]。

2.3 解剖結構模塊化

Williams[10]認為機體發(fā)展包括組織解剖模塊的定時增長。模塊化發(fā)展理論認為不僅離乳動物物種的某些發(fā)育階段可能不同，甚至某些階段的序列也可能不同，各種物種機體子系統(tǒng)以不同的速度發(fā)展?；谶@種發(fā)展理論，年齡匹配不是根據(jù)人類和模型物種之間發(fā)育階段的匹配順序發(fā)生的，而是更加集中在身體發(fā)育狀態(tài)上。子系統(tǒng)被認為部分地與身體的其他部分隔離開來，當解剖標記做為使用的主要標準時，可以稱為結構模塊性。

2.4 功能模塊化

在該理論中，發(fā)育不僅僅是一個系統(tǒng)通過不成熟階段進入成熟階段的過程，而是一個過程中，根據(jù)生物體在該特定點的需要，機體功能發(fā)育過程中在機體系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生變化[7]。發(fā)育可以被視為遵循一系列生理和生態(tài)優(yōu)先事項，其中一些功能早期出現(xiàn)(例如，血管循環(huán)，其執(zhí)行在生物體發(fā)育早期需要的功能)和一些晚期出現(xiàn)(例如，生殖系統(tǒng)往往是許多物種中最后完全發(fā)育的系統(tǒng))。

3 實驗動物與人類年齡相關性的幾種常用研究方法

有多位學者進行了離乳動物與人類年齡相關性研究，例如：通過人體和動物晶狀體質(zhì)量對比[11]、牙齒發(fā)育對比[12]、脛骨骨內(nèi)膜層數(shù)對比[13]、骨骺閉合情況對比[14]等。但是，這些技術都以相對的方式對動物年齡與人類年齡相關性進行研究，而不能準確定義絕對年齡，因此，研究人員在每一次進行年齡換算時常需同時采用多種方法。

3.1 晶狀體重量對比法

已有研究嘗試通過關聯(lián)動物和人類眼晶狀體在生命周期中的發(fā)育過程，找尋動物與人類年齡相關性[11]。在大多數(shù)離乳動物的正常生命周期內(nèi)，晶狀體重量呈漸進曲線增加，且與動物營養(yǎng)狀態(tài)無關，但該方法適用于發(fā)育階段動物[15]。這項技術在20世紀80年代后期被廣泛接受，認為是一種較為準確的方式，然而，這種方法只適用于3～4月以內(nèi)的大小鼠，對于超過該年齡階段的大小鼠，則無法得出準確的相關性。

3.2 牙齒發(fā)育

一些研究人員確定了使用臼齒生長的情況來測定小型離乳動物年齡的方法。幼年動物的磨牙僅由一個特殊棱鏡部分(即齒冠)組成，經(jīng)過大約2.5個月的牙根部生長，并且連續(xù)向上推動齒冠的發(fā)育，而在老年動物中,大部分的齒冠都發(fā)生了磨損，相比較而言牙根部較長。所以，該推算方式主要包括臼齒老化法或齒冠法。主要觀察動物磨牙和臼齒的牙根、牙冠發(fā)展情況[16]。由于飲食和地理區(qū)域的等因素均會影響原生磨牙硬度，因此，磨牙老化方法并不能直接適用于廣泛地區(qū)內(nèi)的實驗動物。

3.3 脛骨骨內(nèi)膜層數(shù)

在脊椎動物中應用較廣泛的方法是計算脛骨的骨內(nèi)膜層數(shù)推算實驗動物年齡。但在幾項研究報告中發(fā)現(xiàn)在幼齡動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的骨板與它們的年齡并不完全匹配[13, 17]。所以，該計算方式未得到廣泛推廣，而僅限于有限的實驗動物物種，如雙冠鸕鶿[13]、Lewis大鼠[17]。

3.4 骨骺閉合

對動物年齡的估計部分依賴于觀察骨骼的形成，尤其是長骨的長度，以及其他骨骼的發(fā)育，如評估髂骨和顳部的皮脂部分的發(fā)育情況。在動物的幼年期，通常采用額中縫閉合和骨化中心的出現(xiàn)進行判斷[14]。除了測量骨骼和評估牙齒，骨骺的形成和愈合程度也很重要。在人類6歲之前，骨化中心主要出現(xiàn)在肱骨、股骨、脛骨、橈骨、髕骨和尺骨；14～18歲上肢骨骨骺閉合；18～25歲下肢骨骨骺閉合。骨骺評估包括骨骸的大體檢查和動物放射學評估[18]。由于人類是直立行走的哺乳動物，其骨化中心發(fā)育情況和骨骺的形成和愈合程度與主要利用四肢行走及攀爬的動物差異較大，所以該計算方式更加適用于計算靈長類動物相對于人類的年齡。

上述四種常見方法均針對某一種實驗動物的某段年齡，無法對某一種實驗動物的全部生命周期進行推演，不能精準實現(xiàn)動物與人類年齡相關性對比。因此近年來不斷有研究者嘗試探索更準確的方法。

4 實驗動物全生命周期與人類年齡匹配相關性研究

曾經(jīng)大多數(shù)研究人員簡單的將人類和實驗動物的壽命聯(lián)系起來，來判斷人類和實驗動物的年齡的關系，但是，因為在一項特定的研究工作中，人們使用的是實驗動物處于特定的發(fā)育階段，簡單的推算并不科學。研究中應考慮動物生命的不同階段來推斷準確的相關性。

4.1 大鼠年齡與人類年齡的匹配相關性

4.1.1 常見的線性縮放的推算方法

實驗大鼠的壽命約為2～3.5歲(平均3歲)[19]，而全球人類的預期壽命為80歲[20]，各國根據(jù)各自的社會經(jīng)濟條件而有所不同。將他們的壽命統(tǒng)一衡量，可以計算為：

(80×365)÷ (3×365)≈26.7人類日=1大鼠日；

365 ÷ 26.7 ≈13.7鼠日=1人類年。

因此，當與大鼠的整個壽命周期相關聯(lián)時，人類1年約相當于13.7個大鼠日[21]。

然而，考慮到大鼠的不同生命階段，從離乳到老年階段，相對于人類，大鼠有一個短暫而快速的童年。大鼠在嬰兒期發(fā)育迅速，在6周左右性成熟，在5～6個月大社會成熟[22]。而人類發(fā)育緩慢，直到11～12歲左右才進入青春期。大鼠和人類在不同的生命階段中的發(fā)育速度不同，不能粗暴的將大鼠看做人類的微縮版，不能以同等倍數(shù)的關系看待人類與大鼠年齡的相關性，因此簡單的線性縮放推算整個生命周期不夠客觀合理。

4.1.2 依據(jù)生長發(fā)育階段進行推演的方法

(1)離乳階段年齡匹配：從一般意義上講，離乳是實現(xiàn)獨立的一個里程碑，這是離乳動物發(fā)展中標志著生活模式發(fā)生重大變化的一個突出而普遍的不連續(xù)現(xiàn)象[14]，嚴格地說，離乳過程涉及到進食行為的改變，嬰兒期的營養(yǎng)獲取完全依靠母乳，而離乳后大鼠則需獨立選擇和攝取食物。大鼠是研究攝食行為的重要實驗動物物種，幼鼠在出生后18 d(postnatal day 18，P18)左右開始確定能夠攝取固體食物，P21左右攝乳時間開始減少，攝入固體食物的時間增加。人的平均離乳年齡約為6個月(180 d)，而實驗大鼠平均約為3周(P21)[2]。據(jù)此，從離乳年齡進行計算：

180 ÷ 21 ≈ 8.6人類日=1大鼠日；

365 ÷ 8.6 ≈ 42.4大鼠日=1人類年。

因此，在離乳階段，人類1年約相當于大鼠的42.4 d[21]。

(2)青春期階段年齡匹配：大鼠生命的第二階段是青春期，這時大鼠第一次擁有繁殖能力。大鼠在出生后平均50 d進入青春期(P50)，而人類發(fā)育緩慢，直到11.5歲左右進入青春期[23](11.5 × 365 ≈ 4 198 d)。另一方面，大鼠在6周時性成熟(P42)。然而，在幾項比較大鼠和人類出生體重的研究，均認為大鼠在出生后第12天(P12)才真正達到人類的“出生”。這意味著大鼠在大約38 d左右達到性成熟(即比它們在P50時的青春期實際年齡少12 d)。據(jù)此，從青春期階段年齡計算：

4 198 ÷ 38 ≈ 110.5人類日=1大鼠日；

365 ÷ 110.5 ≈ 3.3大鼠日=1人類年。

因此，在青春期階段，人類1年約相當于大鼠的3.3 d[21]。

(3)成年階段年齡匹配：青春期階段之后，大鼠開始經(jīng)歷性成熟[24]。性成熟通常是由陰道開口(雌性)或龜頭包皮分離(雄性)進行定義。個體間性成熟的年齡差異很大，雌性大鼠在P32～P34左右達到性成熟，而雄性大鼠的性成熟年齡從P40到P76不等[25]。性成熟本身并不標志著成年的開始，大鼠長骨中沒有骨骺閉合，所以用大鼠的肌肉骨骼成熟度來確定是否成年也存在問題[26]。在大約7～8個月大(P210)時，雄性和雌性SD大鼠的骨骼生長逐漸減弱[21]。在人類生長板閉合過程中，個體間以及個體內(nèi)不同生長板之間存在較大的不一致性，人體最后融合的生長板之一是肩胛骨，肩胛骨平均在20歲左右閉合[27](365×20=7 300 d)。因此采用大鼠骨與人類骨融合時間作為成年的標志較為客觀統(tǒng)一。據(jù)此，從骨融合時間計算：

7 300 ÷ 210 ≈ 34.8人類日=1大鼠日；

365 ÷ 34.8 ≈ 10.5大鼠日=1人類年。

因此，在成年階段，約10.5大鼠日相當于人類1年[21]。

(4)生殖衰退階段年齡匹配：大多數(shù)老年雌性嚙齒動物表現(xiàn)出持續(xù)發(fā)情期(持續(xù)的性接受能力)。由于強化的雌激素分泌刺激陰道上皮細胞的角質(zhì)化，這種狀態(tài)也稱為持續(xù)性陰道角質(zhì)化，這是實驗室大鼠最常見的非循環(huán)性狀態(tài)，雌性大鼠在15～20個月(600 d)之間進入更年期[21]。人類婦女生殖衰退的傳統(tǒng)標志是更年期，其特征是中年時月經(jīng)減少或生育周期終止，據(jù)美國醫(yī)學協(xié)會統(tǒng)計，女性的更年期平均年齡為51歲[28](51 × 365=18 615 d)。因此，從生殖衰退計算：

18 615 ÷ 600 ≈ 31.0人類日=1大鼠日；

365 ÷ 31.0 ≈ 11.8大鼠日=1人類年。

在生殖衰退期，約11.8個大鼠日相當于人類1年[21]。

(5)老年階段年齡匹配：比較生殖衰退期至死亡的時間，雌性大鼠在生殖衰退后平均存活495 d，而人類女性在衰老后平均存活10 585 d[29]。由此進行計算：

10 585 ÷ 495 ≈ 21.4人類日=1大鼠日；

365÷21.4 ≈ 17.1大鼠日=1人類年。

在老年階段，約17.1個大鼠日相當于人類1年[21]。

4.2 小鼠年齡與人類年齡的匹配相關性

4.2.1 常見的線性縮放的推算方法

與大鼠的線性縮放推算方法一樣，該方法以實驗小鼠的壽命約為24個月[30]，而人類的預期壽命為80歲。因此，將小鼠與人類壽命統(tǒng)一衡量，可以計算為：

(80×365)÷ (2×365)=40人類日=1小鼠日；

365 ÷ 40=9.125小鼠日=1人類年。

以簡單線性縮放推算方法計算，人類1年相當于小鼠的9.125 d。

4.2.2 依據(jù)生長發(fā)育階段進行推演的方法

(1)離乳階段年齡匹配：小鼠幼鼠在出生后第3～4周，第28天(P28)左右開始確定能夠攝取固體食物[31]。人的平均離乳年齡約為6個月(180 d)。據(jù)此，從離乳階段年齡進行計算：

180÷28 ≈ 6.43人類日=1小鼠日；

365 ÷ 6.43 ≈ 56.77小鼠日=1人類年。

因此，在離乳階段，人類1年約相當于小鼠的56.77 d[32]。

(2)青春期階段年齡匹配：小鼠青春期最常見的標志是陰道角化[33]，小鼠在出生后平均42 d進入青春期(P42)[33-34]，而人類11.5歲左右才進入青春期(4198 d)。據(jù)此，計算青春期階段年齡相關性：

4198 ÷ 42 ≈ 99.95人類日=1小鼠日；

365 ÷ 99.95 ≈ 3.65小鼠日=1人類年。

因此，在青春期階段，人類1年約相當于小鼠的3.65 d[32]。

(3)成年階段年齡匹配：小鼠8～12周時達成年階段，平均10周(P70)[23]，人類成年平均20歲(7300 d)。據(jù)此，計算成年階段年齡相關性：

7300 ÷ 70 ≈ 104.3人類日=1小鼠日；

365 ÷ 104.3 ≈ 3.50小鼠日=1人類年。

因此，在成年階段，約3.50小鼠日相當于人類1年[32]。

(4)生殖衰退階段年齡匹配：小鼠生育功能在15個月結束(P450)[35]，人類女性絕經(jīng)平均年齡為51歲(18 615 d)。因此，計算生殖衰退階段年齡相關性：

18 615 ÷ 450 ≈ 41.37人類日=1小鼠日；

365 ÷ 41.37 ≈ 8.82小鼠日=1人類年。

在生殖衰退期，約8.82個小鼠日相當于1個人類年[32]。

(5)老年階段年齡匹配：小鼠在衰老后平均存活約為280 d，人類女性在衰老后平均存活10 585 d。因此，計算老年階段年齡相關性：

10 585 ÷ 280 ≈ 37.8人類日=1小鼠日；

365 ÷ 37.8 ≈ 9.66小鼠日=1人類年。

在老年階段，約9.66個小鼠日相當于1個人類年。

4.3 兔年齡與人類年齡的匹配相關性

4.3.1 常見的線性縮放推算方法

兔壽命約為8～12歲[36]，實驗兔的平均壽命約為10歲[37]，與大、小鼠的線性縮放簡單推算方法一樣，將它們的壽命統(tǒng)一衡量，可以計算為：

(80×365)÷ (10×365)=8人類日=1兔日；

365 ÷ 8=45.625兔日=1人類年。

以簡單線性縮放推算方法計算，人類1年相當于兔的45.625 d[38]。

4.3.2 依據(jù)生長發(fā)育階段進行推演的方法

(1)離乳階段年齡匹配：兔在出生后約第28天(P28)離乳[37]，人的平均離乳年齡約為6個月(180 d)。因此，從離乳階段年齡計算：

180 ÷ 28 ≈ 6.43人類日=1兔日；

365 ÷ 6.43 ≈ 56.77兔日=1人類年。

在離乳階段，人類1年約相當于兔的56.77 d[38]。

(2)青春期階段年齡匹配：兔進入青春期平均年齡約為150 d(P150)[39]，人類11.5歲左右進入青春期(4 198 d)。因此，計算青春期階段年齡相關性：

4 198 ÷ 150 ≈ 27.99人類日=1兔日；

365 ÷ 27.99 ≈ 13.04兔日=1人類年。

在青春期階段，人類1年約相當于兔的13.04 d[38]。

(3)成年階段年齡匹配：兔大約在1歲時達到性成熟(P365)[39]，人類平均約20歲(7 300 d)。因此，計算成年階段年齡相關性：

7 300 ÷ 365=20人類日=1兔日；

365 ÷ 20=18.25兔日=1人類年。

在成年階段，18.25兔日相當于人類1年[38]。

(4)生殖衰退階段年齡匹配：兔生殖衰退時間約為出生后6年(P2 190)[39]，人類生殖衰退平均年齡為51歲(18 615 d)。因此，計算生殖衰退期年齡相關性：

18 615 ÷ 2190=8.5人類日=1兔日；

365 ÷ 8.5 ≈ 42.94兔日=1人類年。

在生殖衰退期，約42.94個兔日相當于一個人類年[38]。

(5)老年階段年齡匹配：兔在生殖衰退后生活近4年(1 460 d)[39]，女性在衰老后可存活約10 585 d。因此，計算老年階段年齡相關性：

10 585 ÷ 1 460=7.25人類日=1兔日；

365 ÷ 7.25 ≈ 50.34兔日=1人類年。

在老年階段，約50.34個兔日相當于人類一年[38]。

4.4 小結

實驗動物與人年齡相關性理論及計算方式不同，根據(jù)研究類型可采用不同計算方式。通過本文動物與人年齡相關性理論及計算方式，將上述計算方式匯總，得到人類年齡計算實際動物年齡(表1)，人類年與實驗動物日匹配表(表2)，便于廣大研究者查閱。

表1 以人類年齡計算實驗動物年齡

注：P表示出生后的天數(shù)；表格內(nèi)容為筆者根據(jù)參考文獻[22, 32, 38]整理匯總所得。

Note.P indicates postnatal day.Table contents were collected by us according to the references[22, 32, 38].

表2 人類年與實驗動物日匹配表

注：表格內(nèi)容為筆者根據(jù)參考文獻[22, 32, 38]整理匯總所得。

Note.Table contents were collected by us according to the references[22, 32, 38].

5 結語

實驗動物是生物醫(yī)學研究中不可或缺的元素，通過大量文獻發(fā)現(xiàn)動物不是一種微縮的人類；當年齡是關鍵因素時，對實驗動物的任何研究結果進行分析，都必須考慮到解剖學、生理學、發(fā)育和生物學現(xiàn)象的差異。需要特別注意以天為動物年齡單位與以年為人類年齡單位的年齡相關性。

許多研究揭示了實驗動物與人類發(fā)育持續(xù)時間和階段的廣泛差異，動物模型在生物醫(yī)學科學中對于研究人體生理學及其調(diào)節(jié)至關重要，實驗動物與人類的相對年齡在各個生命階段中有較大差異。研究人員通過明確實驗動物年齡與人類年齡的相關性，進而選擇科學合理的動物種類和動物年齡，并在生物醫(yī)學研究中科學合理地運用，使所得到的動物實驗資料更能擬推至人類具有重要意義。