我國實驗動物資源建設的問題與展望

趙心剛 盧 凡 程 蘋 田 勇

1 中國科學院科技促進發(fā)展局 北京 100864

2 國家科技基礎條件平臺中心 北京 100862

3 中國科學院生物物理研究所 北京 100101

實驗動物是指經(jīng)人工飼育，對其攜帶的病原體實行控制，遺傳背景明確或來源清楚，用于生命科學和生物技術研究、食品和藥品等質(zhì)量檢驗和安全性評價的動物。實驗動物資源以其科研條件中的基礎性地位與領域廣益性，成為支撐國家科技發(fā)展與創(chuàng)新的重要戰(zhàn)略資源之一，是實現(xiàn)科技進步、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、提高我國科技國際地位的基礎支撐條件。

經(jīng)過 40 余年的發(fā)展，我國實驗動物資源在種質(zhì)研究與開發(fā)、品種保藏與應用、信息數(shù)字化與社會共享服務等方面取得了長足進展，部分動物資源的實驗動物化已為生命科學的繁榮發(fā)展貢獻了重要的力量。同時，我國在利用基因編輯技術開展基因修飾動物模型研發(fā)領域已達到國際領先水平，產(chǎn)生了一批在世界范圍內(nèi)有顯著影響力的科研成果。因此，全面掌握未來實驗動物資源的開發(fā)、生產(chǎn)、使用及發(fā)展需求，建立資源更為豐富、質(zhì)量合格穩(wěn)定、品種品系結(jié)構合理的實驗動物生產(chǎn)、保種、共享、供應體系，建立健全以資源共享機制為核心的管理制度和運行機制，建成滿足國家科技創(chuàng)新需求的實驗動物資源與共享服務支撐體系，這對推動我國生命科學相關研究有著重要意義[1]。

1 國際實驗動物資源建設概況

國際實驗動物資源經(jīng)過近百年的發(fā)展歷程，已形成包含 3 萬余個品系的資源體系，資源十分豐富，并在全球形成了實驗動物產(chǎn)業(yè)化和社會化供應格局[2]。由于近年來基于 CRISPR/Cas9 基因編輯技術的廣泛應用，實驗動物模型的構建比以往更加迅速、準確、可靠，新的動物模型，尤其是基因修飾動物和免疫缺陷動物模型資源得以迅速普及和應用。

目前以美國、歐盟、日本等發(fā)達國家和地區(qū)為引領的實驗動物資源體系已基本構建完成[3]。美國是生命科學技術最發(fā)達的國家，也是為生命科學技術作出最多貢獻的國家，而其實驗動物資源在其中發(fā)揮了重要的支撐作用。美國是最早把實驗動物進行系統(tǒng)化、專業(yè)化研究和管理的國家之一，實驗動物工作已形成一個專業(yè)化、規(guī)格化、商品化和社會化的科研和經(jīng)濟體系[4]。歐盟各國也采取多國合作、集中研發(fā)的形式，成立了歐洲遺傳工程小鼠種子中心（EMMA），并建立了資源使用聯(lián)盟，向全球提供各類小鼠種質(zhì)資源[5]。日本一直高度重視實驗動物學科的發(fā)展，從國家層面投入專項科研經(jīng)費，提升實驗動物設施服務能力，促進實驗動物相關研究的有序開展，在資源保藏、模型研發(fā)和共享服務等方面，有力推動了日本的生命科學研究[4]。

實驗動物資源的共享與合作是全球性的發(fā)展趨勢，主要目標在于打破國家之間的貿(mào)易壁壘，增進實驗動物資源的分享、利用和保存，避免資源的重復生產(chǎn)與浪費。目前，全球已經(jīng)形成了多個以信息共享為主的非營利性實驗動物資源聯(lián)盟。2006 年，由北美和歐洲研究者牽頭成立了“國際小鼠基因敲除聯(lián)盟”（IKMC），基于 C57BL/6N 的小鼠胚胎干細胞同源重組和基因捕獲技術，計劃敲除小鼠基因組中的 2 萬個編碼蛋白基因并建立胚胎干細胞庫。2010 年，全球 10 多個小鼠研究機構合作共同成立了小鼠表型分析聯(lián)盟（IMPC），其旨在通過建立統(tǒng)一打靶策略的小鼠品系，對構建的小鼠品系進行人類疾病相關的表型分析，并利用分析軟件對獲得的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析以促進操作的標準化。IMPC 的成立為人類疾病研究和藥物研制提供更多的基礎數(shù)據(jù)，有效促進了全球生物醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展。截至 2018 年底，IMPC 總共獲得了 8 123 個基因敲除品系，其中 6 523 個基因敲除品系的表型分析計劃已經(jīng)完成。預計到 2025 年，IMPC 還將在保守的非編碼區(qū)域獲得至少 500 個基因敲除品系，以及 1 000 個人類遺傳疾病相關品系[6]。

鑒于實驗動物在各學科領域的廣泛應用以及在國民經(jīng)濟中發(fā)揮的重要作用，世界各國和相關組織分別出臺了相應的實驗動物標準、準則和法規(guī)，并設立了相應機構以規(guī)范實驗動物的生產(chǎn)和應用，促進了實驗動物產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。在發(fā)達國家，實驗動物行業(yè)已經(jīng)是一個比較成熟的行業(yè)，已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)?；?、標準化生產(chǎn)供應，建立了較為成熟的生產(chǎn)繁育技術體系和產(chǎn)業(yè)化營銷網(wǎng)絡。例如，美國 Jax 實驗室、Charles River 實驗室等少數(shù)企業(yè)，占據(jù)全球近 80% 的實驗動物市場份額。發(fā)達國家實驗動物產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長期的自由競爭，已經(jīng)完成了規(guī)模進程，體現(xiàn)了規(guī)模效益。同時，為在競爭激烈的市場上占據(jù)有利位置，各個企業(yè)在實驗動物、動物實驗服務及相關配套衍生領域制定了具有一定領先性和權威性的企業(yè)標準，從而進一步使得實驗動物質(zhì)量、技術服務水平得以不斷提高。

2 國內(nèi)實驗動物資源建設概況

2.1 國內(nèi)實驗動物使用現(xiàn)狀與分析

在科學技術部、國家發(fā)展和改革委員會和中國科學院等相關部門的支持下，經(jīng)過“九五”到“十二五”的發(fā)展，尤其是全面貫徹實施《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》以來，借助于國家各個科技計劃的推動，我國實驗動物資源工作取得了長足的進步，已經(jīng)基本建成了包括小鼠、大鼠、魚類、兔、犬、禽類和非人靈長類的國家實驗動物種子中心和種質(zhì)資源基地。

根據(jù)目前已掌握的調(diào)查數(shù)據(jù)，2013—2015 年我國實驗動物使用量呈明顯逐年上升趨勢[3]。2015 年我國實驗動物使用量近 1 200 萬只，實驗動物平均年增長幅度達到約 15%。同時，隨著國家面向生命科學領域不斷給予的政策傾斜與科研經(jīng)費投入，預計未來實驗動物使用量仍將呈平穩(wěn)增長趨勢。從行政區(qū)域使用量分布來看，全國各省份實驗動物使用量差異較大，以京、滬等地為代表的較發(fā)達地區(qū)使用總量位居前列。以 2015 年為例，北京、上海兩地實驗小鼠總使用量近 210 萬只，占全國實驗小鼠使用總量的 30%。京、滬兩地已初步實現(xiàn)了實驗動物生產(chǎn)規(guī)?；⒐鐣?，并成為國內(nèi)實驗動物使用規(guī)模最大的地區(qū)。另外，隨著國家針對實驗動物、微生物等級及檢測相關標準的不斷提升，高質(zhì)量實驗動物使用占比明顯升高。根據(jù)中國科學院戰(zhàn)略生物資源科技服務網(wǎng)絡計劃發(fā)布的年度報告，中國科學院模式與特色動物實驗平臺已全部使用 SPF（無特定病原體動物）級嚙齒類實驗動物[2]。

表 1 國家實驗動物資源保藏機構

2.2 新型實驗動物模型研發(fā)取得顯著成績

我國在實驗動物模型，特別是應用基因編輯技術研發(fā)的多種具有自主知識產(chǎn)權的動物模型品系方面也取得了一系列令人矚目的科研成果。例如：中國科學院動物研究所和南京大學的研究團隊分別構建了基因編輯大鼠和小鼠的模型[7-9]；中國科學院昆明動物研究所及相關科研團隊率先實現(xiàn)了非人靈長類基因編輯動物模型的構建[10]；中國科學院神經(jīng)科學研究所非人靈長類團隊于 2018 年和 2019 年獲得體細胞克隆猴和基因編輯的體細胞克隆猴，從而實現(xiàn)了該領域的重大突破[11,12]；對于我國最重要的經(jīng)濟動物之一的豬，利用其在生物育種方面的特點，中國科學院動物研究所的研究團隊利用基因編輯技術培育低脂抗寒豬、甲減豬等模型[13,14]；中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的研究團隊建立了亨廷頓病豬基因敲入模型，準確地模擬人類神經(jīng)退行性疾病的臨床表型[15]。上述多項成果曾入選科學技術部評選的年度“中國科學十大進展”。

2.3 國內(nèi)實驗動物資源主要保藏機構

在國家發(fā)展規(guī)劃的整體設計和全面部署及各項科技研究計劃的支持下，我國已經(jīng)建成了以 7 個國家實驗動物資源庫為主體的國家實驗動物種質(zhì)資源保藏機構（表 1）。同時，中國科學院實驗動物資源平臺和中國醫(yī)學科學院人類疾病動物模型資源中心分別以基因編輯動物模型和人類疾病動物模型資源為主要保藏與創(chuàng)制對象，也成為國家實驗動物資源建設的重要力量。

中國科學院從 2006 年起整合了中國科學院現(xiàn)有的人才與資源的優(yōu)勢，分別在北京、上海、武漢、廣州、昆明等地遴選了一批已具備一定硬件設施及研究隊伍的單位組建了中國科學院模式與特色動物實驗平臺。該平臺以“整合資源、服務科研”為目標，為支撐生命科學領域相關研究所的發(fā)展，特別是對實驗動物模型從研發(fā)到表型和分子機制的深度挖掘，促進了我國生命科學與生物醫(yī)藥研究的發(fā)展。預計到 2020 年底前，中國科學院實驗動物資源庫將收集包含小鼠、大鼠、斑馬魚和非人靈長類等各類遺傳工程實驗動物模型約 5 000 種[16]。

2.4 國內(nèi)實驗動物數(shù)據(jù)資源的建設情況

隨著我國實驗動物資源豐富度和動物模型研發(fā)數(shù)據(jù)的海量產(chǎn)生，目前對實驗動物資源科學數(shù)據(jù)的收集、整理、整合、集成、優(yōu)化和共享的需求十分迫切。2010 年，科學技術部批準依托廣東省實驗動物監(jiān)測所成立國家實驗動物數(shù)據(jù)資源中心，確立國家實驗動物數(shù)據(jù)資源庫建設和運行以及中國實驗動物信息網(wǎng)建設與運行管理是國家實驗動物數(shù)據(jù)資源中心的主要工作任務之一[2]。該資源數(shù)據(jù)中心主要保存各類實驗動物的遺傳、生理、生化、解剖等生物學數(shù)據(jù)和組織、解剖圖譜數(shù)據(jù)，并提供實驗動物的檢索、比對、查詢等服務。截至 2017 年，資源庫已收集保存了大鼠、小鼠、猴、犬、豬、雞、魚等共計 15 大類包含遺傳、生理、生化、解剖等生物學數(shù)據(jù)，并通過中國實驗動物信息網(wǎng)初步實現(xiàn)了實驗動物數(shù)據(jù)資源的共享。

目前，國家遺傳工程小鼠資源數(shù)據(jù)庫活體及冷凍保存的各類人源化嚙齒類動物模型、代謝研究模型、免疫缺陷鼠模型、工具鼠模型等資源品系數(shù)據(jù)超過 4 000 個品系，數(shù)據(jù)服務范圍覆蓋了我國 28 個省、自治區(qū)、直轄市約 400 家院校研究所、200 余家醫(yī)院以及近百家制藥和生物技術企業(yè)。中國科學院實驗動物資源平臺數(shù)據(jù)庫也實現(xiàn)了中國科學院實驗動物數(shù)據(jù)資源的共建互通與社會共享。該數(shù)據(jù)庫擔負著收集、維護、整理中國科學院實驗動物品系數(shù)據(jù)信息的任務。截至 2019 年 10 月，數(shù)據(jù)庫品系數(shù)量已超過 2 200 個品系，包含大鼠、小鼠、斑馬魚、豬、非人靈長類、果蠅等共計 9 類實驗動物品種。我國各類實驗動物數(shù)據(jù)資源中心的建設，為支撐國家科技創(chuàng)新提供堅實的科技資源保障條件，為政府相關決策提供了不可或缺的數(shù)據(jù)支撐。

2.5 國內(nèi)實驗動物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展概況

經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，特別是近年來的快速發(fā)展階段后，我國實驗動物產(chǎn)業(yè)迅速崛起。目前，在實驗動物特別是基因修飾動物模型的規(guī)?；a(chǎn)供應，飼養(yǎng)設施與飼育設備迭代建設和更新，以及動物試驗設備尖端技術利用度等方面已發(fā)展到較高水平。我國實驗動物產(chǎn)業(yè)一方面需要面向科研人員，引領技術導向，提供動物模型診斷、基因編輯模型等技術與資源的服務；另一方面，要面向醫(yī)藥研發(fā)企業(yè)，提供藥物、疫苗、醫(yī)療器械的臨床前毒性和有效性研究，以保障我國生命科學研究與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，不僅需要政策扶持，也同時需要發(fā)動社會的力量，建立以需求為導向的實驗動物產(chǎn)業(yè)，這是促進我國實驗動物資源發(fā)展的必經(jīng)之路。

在我國實驗動物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中，一批本土孕育而生的專門從事人源化模型、基因編輯模式動物及藥物篩選技術研發(fā)的高科技生物技術企業(yè)，利用其領先的疾病模型研發(fā)創(chuàng)制能力和模型創(chuàng)制技術，為我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)提供了強大的模型和平臺支持。預計在未來 5—10 年，我國高科技生物技術企業(yè)，特別是以實驗動物模型創(chuàng)制、飼養(yǎng)繁育、市場銷售、表型分析、功能藥效等創(chuàng)新技術及資源服務相互整合的一站式服務平臺，在市場需求的不斷推動下，整體數(shù)量和規(guī)模品質(zhì)將得到明顯的提升，必然會成為國際實驗動物資源市場的中堅力量。

在實驗動物飼育和實驗設備領域，我國生產(chǎn)廠家已達數(shù)十家，產(chǎn)品類型幾乎覆蓋了所有實驗動物種類。部分種類產(chǎn)品地方標準的出臺，為規(guī)范國內(nèi)實驗動物行業(yè)作出了積極貢獻。但總體而言，目前國內(nèi)實驗動物相關設備生產(chǎn)商仍然以小型民營企業(yè)為主，無論從品種、選材還是設計理念，均和國外知名廠商有一定差距，而對能參與國際市場競爭的優(yōu)秀本土企業(yè)仍需進一步培育。

3 實驗動物資源建設中遇到的問題

美國、日本和歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)都始終將實驗動物資源建設、研究積累和開放共享作為一項根本性工作放在國家科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要地位；并將其作為生命科學和醫(yī)學的重要支撐條件和公益性資源給予重視，制定了長期的發(fā)展規(guī)劃，持續(xù)投入大量經(jīng)費，形成了穩(wěn)定的資助扶持體系，對實驗動物資源、保藏中心等進行了大規(guī)模的建設，形成了完整的實驗動物資源架構。同時，這些發(fā)達國家和地區(qū)還建立健全了一整套資源共享體系，不但實現(xiàn)了本國的高程度共享，也輻射到了全球多個國家。

經(jīng)過多年的建設與追趕，雖然我國已經(jīng)先后建立了 7 個資源庫館，初步建成了實驗動物種質(zhì)資源開發(fā)與共享平臺，也培育出諸多具有自主知識產(chǎn)權的動物品系；但整體來看，當前實驗動物資源和服務共享體系的建設，欠缺全國性布局理念，導致了一定程度上資源浪費。為進一步提高國家實驗動物資源庫的核心作用，應重點支持一批在國內(nèi)已有重要影響力的實驗動物資源庫，并加強實驗動物資源保藏技術和共享服務水平。

美國、日本和歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)在建立種質(zhì)資源中心的同時，也建立了相應的數(shù)據(jù)庫對實驗動物生物信息進行存儲與共享，避免了資源的重復建設，優(yōu)化了資源利用效率。例如，美國 Jax 實驗室目前已經(jīng)收錄了超過 8 200 個基因工程動物模型品系信息[17]。而我國目前尚未建立起統(tǒng)一的實驗動物資源數(shù)據(jù)庫與信息管理平臺，缺乏相關信息的存儲和整理，這嚴重制約了實驗動物種質(zhì)資源的開放共享與服務體系建設。

美國、日本、英國及其他歐洲國家在 20 世紀 50—70 年代先后對實驗動物行業(yè)施行立法管理，使其逐步走上了法制化管理的道路。近幾十年，隨著這些國家對各項法律、法規(guī)不斷完善和改進，其實驗動物生產(chǎn)及相關領域已完成法制化、專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化體系建設，特別是在科學研究中保障動物倫理福利方面總結(jié)出許多我國可以借鑒的先進管理經(jīng)驗。

《實驗動物管理條例》是我國第一部關于實驗動物管理工作的行政法規(guī)，于 1988 年經(jīng)國務院批準，由原國家科學技術委員會頒布。該條例實施 30 多年來，在實驗動物工作規(guī)范化、法制化管理，保障實驗動物和動物實驗的質(zhì)量，推動我國實驗動物科技發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。但隨著科技進步、社會經(jīng)濟發(fā)展和立法工作的不斷深入，實驗動物科學研究和管理工作中，特別是實驗動物“3R”，即替代（replacement）、減少（reduction）、優(yōu)化（refinement）所體現(xiàn)的動物倫理福利等方面出現(xiàn)了諸多新情況和新問題，我國實驗動物管理政策法規(guī)體系的建設明顯滯后，已不能適應當前我國科技創(chuàng)新、經(jīng)濟與社會發(fā)展的需要。

4 針對我國實驗動物資源建設的建議

4.1 把握生命科學科技創(chuàng)新趨勢，提升模型資源研發(fā)與技術創(chuàng)新能力

實驗動物資源研發(fā)需要投入大量的資金與人力，因此，準確把握科技創(chuàng)新發(fā)展趨勢和需求，加大對實驗動物資源建設的支持與投入，增強實驗動物對科技創(chuàng)新與發(fā)展的服務能力，顯得至關重要。建議針對實驗動物資源、動物模型研究和技術創(chuàng)新，重點圍繞“垃圾 DNA”與功能基因組學、新型大動物模型研制和表型分析技術、動物模型評價技術標準化和產(chǎn)業(yè)化等領域予以重點資助。同時，建議加強國際和國內(nèi)各相關學科之間的交叉合作，積極參與和引領相關實驗動物國際大科學計劃的實施，提升我國在實驗動物科研領域的國際影響力。

4.2 穩(wěn)步推進國家實驗動物資源庫建設，加強資源庫服務能力

從國家實驗動物資源平臺布局層面來看，目前在常規(guī)實驗動物資源方面已經(jīng)建立了一系列國家實驗動物資源庫，但是在與基因工程動物模型和與人類健康密切相關的重大疾病研究和醫(yī)藥成果轉(zhuǎn)化領域，還缺乏全面的資源布局。建議國家加強統(tǒng)籌規(guī)劃，充分實施政府規(guī)劃和市場調(diào)節(jié)的作用，建立更多具備公用性、權威性、便捷性的國家實驗動物資源庫、數(shù)據(jù)中心和公共服務平臺，并給予長期穩(wěn)定資助；同時完善評價評估體系，實行動態(tài)考核調(diào)整。

4.3 亟待加強實驗動物倫理福利和相關認證體系建設，提升我國科學家整體形象

實驗動物“3R”相關體系的建設，是國際上針對利用實驗動物開展研究的重點關注領域。目前，我國還未建立健全相關的研究體系，特別是針對大動物模型的“3R”體系研究還處于初級階段。建議國家針對實驗動物“3R”體系，出臺相關管理辦法，并對部分實驗動物倫理福利研究項目予以重點支持；同時加強相關國家標準以及包括中國合格評定國家認可（CNAS）在內(nèi)的相關認證體系的建設，促進我國“3R”領域的健康發(fā)展，提升我國科學家在實驗動物研究中的整體形象。

4.4 加強動物模型資源數(shù)據(jù)庫建設，優(yōu)化資源利用效率

在實驗動物資源信息化和共享方面，和發(fā)達國家相比，我國還處于發(fā)展初期階段。當務之急應加強實驗動物與動物實驗有關數(shù)據(jù)的標準化采集、整理、數(shù)據(jù)化表達存儲和網(wǎng)絡共享，進一步完善實驗動物科學數(shù)據(jù)庫建設，擴大數(shù)據(jù)交匯往來，促進國際間資源和數(shù)據(jù)交流，提高實驗動物資源的利用效率。同時，建議國家出臺相應政策，促進實驗動物資源的共享和成果轉(zhuǎn)化。

4.5 積極推進實驗動物資源的產(chǎn)業(yè)化，支撐生物產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

實驗動物的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是實驗動物資源領域成長的必經(jīng)之路。實驗動物產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對生物產(chǎn)業(yè)、生物育種等應用領域也將產(chǎn)生深遠影響。因此，建議政府主管部門在實驗動物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前瞻政策上加以引導，倡導規(guī)?；?、標準化生產(chǎn)模式，合理布局；建立完善的質(zhì)量控制體系，保證產(chǎn)品和技術服務質(zhì)量；充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的作用，加強生物育種和優(yōu)秀研發(fā)隊伍的培育；通過政策扶持，特別是充分發(fā)揮社會融資的作用，進一步促進我國實驗動物產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，有力推動能參與國際實驗動物資源市場競爭的優(yōu)秀企業(yè)的成長。

4.6 健全國家實驗動物管理政策法規(guī)體系，穩(wěn)固行業(yè)發(fā)展根基

建議國家成立統(tǒng)一的實驗動物管理機構，綜合協(xié)調(diào)，實現(xiàn)國家各部門對實驗動物的監(jiān)管與分工合作，統(tǒng)籌實驗動物基礎性工作相關的技術和質(zhì)量標準等方面的管理，從頂層設計上解決實驗動物領域存在的一系列根本問題。同時，進一步明晰、理清立法層面遇到的困難和阻力，建立健全與實驗動物相關研究的許可準入制度體系。建議盡快修改已經(jīng)明顯落后的《實驗動物管理條例》，這對規(guī)范實驗動物管理工作，保證實驗動物質(zhì)量，維護公共衛(wèi)生安全，支撐科技創(chuàng)新，以及促進國際科技合作與交流都具有非常重要的意義。