实验动物科学:第四节　放射生物学研究中实验动物的选择和应用

一、实验动物在放射生物学研究中的作用

进行放射生物学研究是实验医学中最复杂的任务之一。因为在放射生物学实验研究中，不仅要求工作人员遵守相应的措施，免受超允许剂量的照射或沾染，而且还要得到能客观反应辐射与生物对象互相作用真实情况的稳定结果。这就必须同时满足许多条件，其中最重的条件之一，就是要选择适于研究课题需要的动物种类、建立实验模型。

超过一定剂量的高能辐射作用于机体，可引起体一系列全身性综合病症，称为放射病，或称为急性放射综合症（Acute　Radiation　Syndrome)。这种病在平时极少见到，只有在核战争和核事帮情况下才可见到该病。因此研究这种疾病眩要是在实验室内选择各种实验动物来进行研究的。今天我们对辐射损伤的大部分知识，不是来自方广岛或长畸，也不是来自几个出过事故的反应堆，大量的知识是通过选用各种实验动物进行动物实验积累起来的。关于辐射的远期遗传效应至今只有动物实验的材料。

由于在实验室可以随时选择各种实验动物并使其接受不同剂量的照射，可以复制成病变相似、病例多量的不同类型的放射病或辐射损伤，这就为放射生物学研究提供了极为便利的条件，对放射医学的发展起到了极大的推动作用。

二、实验动物对辐射效应的影响

同样种类和剂量的辐射以相同的方式作用于机体时，所出现的后果往往用动物的种类、年龄、性别、机体状况等而异，即有不同的辐射反应。放射生物学研究中常用放射敏感性（Radiosensitivity)的概念来观察个体组织、细胞的敏感程度。放射敏感性，是指当一切照射条件完全严格一致时，机体或其组织成部分在射线作用下发生的某种变化的程度和速度，若变化大且其发生迅速，则表明其敏感性高，反之，则相反。一般文献资料中多以细胞、组织的形态学损伤或机体的死亡作为判断放射敏感性的依据。下面所指的放射敏感性，都是以此为准的。

（一)种系发生过程中的放射敏感性

不同种系动物的放射敏感差别很大，总的趋势是：种系发生的等级愈高，机体结构愈复杂，其放射敏感性也愈高。脊椎动物的放射敏感性高于无脊椎动物；在脊椎动物中，哺乳类比鸟类、鱼类、两栖类和爬虫类为高。哺乳类中各种实验动物的放射敏感性差异也较大，豚鼠、狗、山羊、和绵羊、猪对射线比较敏感，猴、小鼠次之，大鼠、田鼠更次之（见表10-10)。

表10-10　各种动物羊致死剂量比较表

家兔对放射的敏感性与其它实验动物有一定差异。家兔的LD50/30的剂量为750～800伦琴或751拉德，但其受射线照射时初期反应比其它动物要敏感得多，常出现一种应激反应性的变化，我们称之为放射性休克状态，而且随着照射剂量的不断增加，休克的发生率也随之增加，如不及时采取抢救措施（当动物发生四肢软瘫并不断抽搐，瞳孔尚未散大之前，立即由于耳缘静脉快速注射25%可拉明0.5～1.0毫升，同时配合作人工呼吸)，丧失抢救时机，动物会很快死去，对实验影响很大。家兔照射初期的放射性休克发生率与照射剂量呈一定的线性关系（见表10-11)。

表10-11　家兔*照射初期休克发生率与照射剂量关系

（剂量率24.5伦琴/分)

*杂种兔照射初期休克发生率要低

同一种动物中的不同品系亦可表现出显著不同的放射敏感性。例如BALB/cAnN小鼠对X线或r线照射均极为敏感。A系小鼠对X线照射高度敏感。LACA小鼠对射线也较敏感。而C57BR/cdJN对射线不敏感，而具有一定、抗射线的能力。Wistar大鼠在一定剂量范围内，对两种射线的敏感性应高于杂种大鼠。

（二)个体发生中的放射敏感性

哺乳动物在个体发育的不同阶段，其放射敏感性有明显的差别。一般规律是放射敏感性随着个体发生的过程而逐渐降低。在胚胎植入前母体受照射时，放射敏感性很高，较小的剂量即可引起胚胎的大量死亡；此时不死的胚胎可继续发育，畸形发生率较低。在器官形成期进行照射时，虽胚胎的死亡率降低，却出现较多的畸形和死胎。有人认为，这一时期是胚胎发育过程中放射敏感性很高的“危险期”。在器官形成期的后期，胚胎的放射敏感性开始下降，胎儿期的放射敏感性明显地低于以前各期（图10-7)。

图10-7　胚胎发育不同时期的辐射敏感性

（小鼠200R照射的实验资料，并外推引伸到人体)

在出生后的个体发育过程中，幼年动物的放射敏感性比成年的要高，但老年动物的机体由于各种功能的衰退，其耐受辐射（特别是大剂量辐射)的能力低于成年时期。

（三)组织和细胞的辐射敏感性

动物不同组织和细胞对辐射作用的反应有很大的差别。成年动物机体各种细胞的放射敏感性与其功能状态有密切的关系。早在1906年Bergonie和Tribndeau在观察大鼠睾丸的辐射效应时就曾发现，分裂的细胞（生精细胞)受辐射的影响较不分裂的细胞（间质细胞)要大。根据这些观察，他们提出了一条定律，即有丝分裂活动旺盛、正常时进行许多次分裂的细胞以及在形态结构和功能上未分化的细胞对射线敏感。即一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比，而与其分化程度成反比。他们提出的这一定律已被其后许多其它的观察所证实，基本上是符合于客观实际的。按照细胞动力学特点，可将体内的主要细胞组织分为下表中的三在类（表10-12)。表中左侧的组织对辐射很不敏感，右侧的组织则对辐射非常敏感。中间的各种组织则介手其间。

表10-12　细胞动力学特点不同的各种组织

动物各种组织中，有一类组织是依靠细胞的分裂不断进行更新的，称为“增殖性组织”。造血组织，胃肠道上皮组织，生殖腺，皮肤上皮（包括毛囊上皮)组织都是增殖性组织。另一种组织在器官发育完全之后，细胞不再更新，如中枢神经系统，心脏，骨骼骨等。还有一种组织在发育成熟后继续进行缓慢的分裂，当受伤后可加速细胞更新的，如肝、肾及结缔组织。各种组织对射线的敏感性与细胞分化程度、细胞增殖能力、代谢状态以及细胞的周期环境有密切关系。一般说，分化程度低的、细胞分裂活跃的、代谢旺盛的（细胞DNA合成旺盛)组织对放射敏感性高，否则相反。根据这些特点进一步对动物各组织的放射敏感性进行了分类，其排列顺序为：

1．高度敏感组织

⑴淋巴组织（淋巴细胞和幼稚的淋巴细胞)；

⑵胸腺（胸腺细胞)；

⑶骨髓组织（幼稚的红、粒和巨核细胞)；

⑷胃肠上皮，尤其是小肠隐窝上皮细胞；

⑸性腺（睾丸和卵巢的性细胞)；

⑹胚胎细胞。

2．中度敏感组织

⑴感觉器官（角膜、晶状体、结膜)；

⑵内皮细胞（主要是血管、血窦和淋巴管内皮细胞)；

⑶皮肤上皮（包括毛囊上皮细胞)；

⑷唾液腺；

⑸肾、肝、肺组织的上皮细胞；

3．轻度敏感组织

⑴中枢神经系统；

⑵内分泌腺（除性腺外)；

⑶心脏；

4．不敏感组织

⑴肌肉组织；

⑵软内和骨组织；

⑶结缔组织

三、放射生物学研究中实验动物的选择

（一)实验动物种系的选择

放射生物学研究中可选用成年的猴、猪、羊、狗、兔、豚鼠、田鼠、大鼠、小鼠等动物来作实验。我们认为用猴、狗、大鼠和小鼠复制放射病模型比较理想。BALB/cAnN、A、LACA小鼠和Wistar大鼠对射线敏感，应该首选。

（二)实验动物性别、年龄、体重的选择

关于动物性别对放射感染性影响的报导是有争论的。一些材料证明雌性敏感性较高。而另一些（占多数)材料则认为雄性敏感性高或性别间无明显差别。性别间无明显差别在狗的实验中得到很好的证明。然而，在性周期的不同阶段，雌性动物的放射敏感性可能有变化。考虑到这点以及在实验中可能混入妊娠的雌性动物，所以在绝大多数情况下为放射生物学实验选择动物时，应该优先选用雄性动物。

因为动物的体重和年龄增加，可降低放射生物效应。这一点在照射狗时表现得更为明显。深入研究表明，当改变照射的几何位置时，在死亡率、放射性综合征的严重程度方面，仍程度不等地存在着这种影响（表10-13)。

表10-13　400伦丙种射线单向和多向照射对不同体重狗^＊损伤作用的综合材料（AkoeB1971)

*小体重：7.0～11.0公斤，中等体重15.5～22.7公斤，大体重24.0～29.5公斤。

实验证明两kg以上家兔比两kg以下的放射敏感性低，大鼠的体重由180g增加到350g可以引起放射生物效应的降低。当照射小鼠时未见辐射效应与体重之间有密切的关系。因此注射生物学实验所用的动物体重，小鼠18～22g，大鼠180～220g，豚鼠250～300g，家兔2～2.5g，狗10～15kg。对慢性实验，考虑到实验的持续时间长，可选择体较小的动物。希望实验所用的各组动物的体重波动在一定范围内，小鼠1～2g、小鼠5～10g、豚鼠15～20g、家兔200～300g。体重的波动范围可以容许在±5～7%。

（三)实验动物辐射损伤病变特点的选择

在相类似的情况下，不同种系动物的放射病明显程度和发生时间是不同的。小鼠和大鼠几乎完全没有全身初期反应，豚鼠表现的不大显著，而狗和猴则非常明显。在家兔常常可观察到对照射所特有的休克样反应，并有部分动物在照射后立即或不久死亡。

小鼠和大鼠造血系统的损伤出现得最早（表10-14)。豚鼠、狗和猪造血障碍的特点发展比较缓慢。猴的造血改变与豚鼠、狗和猪相同。

肠放射综合征在小鼠和大鼠中表现得非常明显（表10-15)，而家兔、豚鼠、狗和猴则明显。

表10-14　各种动物急性放射病时的造血障碍

（CeMeHOB　1965)

表10-15　各种哺乳动物急性放射病肠型阶段发展特点（CeMeHOB)

表10-16　各种动物急性放射病时某些感染并发症的发生率（%)

（CeMeHOB)

急性放射病并发的感染过程在不同种类的动物中各有特点（表10-16)。小鼠和大鼠的特点是发生肺炎和肠炎。狗的典型感染并发症是坏死性咽峡炎和齿龈炎以及发生率较高的肺炎和发生率较低的结肠炎。小鼠、大鼠和豚鼠感染的特点是具有播散的倾向，引起全身败血症，而狗和猴的感染过程具有局限性特点。

人的放射病就其表现而言，与豚鼠、狗和猴的病理变化相似，其中与豚鼠相差较远，而和猴最为接近。

（四)实验动物不同季节和昼夜过程辐射效应的选择

在其它条件相同的情况下，动物在不同季节和昼夜过程的辐射效应有一定差异。因此要求动物预先适应实验环境和考虑动物在不同季节和昼夜的活动规律。机体内环境功能和季节性和昼夜性波动通常称为生物节律。它们对生物效应的影响是由于机体的许多生理机能活动在一昼夜间和一年四季中发生极其明显的变化所致。现已知实验动物的体温、血糖、基础代谢率、内分泌腺激素的分泌等均会发生昼夜明显的变化。

实验证明，不同季节对辐射效应有影响。家兔的放射敏感性在春夏两季升高，秋冬两季降低。在狗的实验中，这方面的关系虽不象家兔表现得那样明显，但狗在春、夏两季照射后的死亡率比秋、冬为高。小鼠的放射敏感性，在冬季和初夏显著升高，而初春和夏季则降低。大鼠的放射敏感性则没有明显的季节性波动。

动物对照射的敏感性的昼夜间有不同的变化，这种变化见于不同性别、种系和年龄的小鼠和大鼠。白天放射敏感性降低（死亡较少，LD50/30较高，体重下降较少，肝脏损伤较轻)，夜间升高。同时，在小鼠和大鼠实验中，除了夜间21～24点的高峰外，还发现白天（小鼠9～12点，大鼠15点)损伤加重的情况。下午和后半夜放射敏感染性最低。大鼠与小鼠不同，其放射敏感性虽有昼夜间的明显波动，但不很剧烈。因此，为了得到有可比性的实验结果，所有实验组动物应在同一时间内进行照射。

因为哺乳动物放射病的急性期于第30天前结束，所以对小动物照射后观察30天，对狗（如未较早死亡时)则观察45天。地慢性放射病实验动物的观察，建议不少于12个月。

（五)实验动物对辐射作用条件的选择

1．辐射种类

不同种类的辐射所产生的生物学效应不同，从射线物理特性来看，电离密度和穿透能力对其生物效应有重要影响。α射线的电离密度较大，但穿透能力很弱，因此，由外照射时，对机体损伤作用小，而发射α射线的核素进入体内时则对机体的损www.lindalemus.com/shiti/伤作用很大。β射线的电离能力较α射线的小，而穿透力较大，由外照射时可引起皮肤表层的损伤，由内照射时亦引起明显的生物效应。X射线和r射线穿透力很强，与体内物质作用时产生次极电子，后者引起电离效应，其电离密度α及β射线的小，但由于能穿透深层的组织，由外照射时易于引起严重损伤。一般实验室常选用⁶⁰Cor射线照射动物进行各辐射损伤研究。快中子和各种高能重粒子也都具很大的穿透力，而且在其射程的未端产生极高的电离密度。外照射时可引起比x和r射线更严重的损伤。

2．辐射剂量

辐射剂量与生物学效应之间存在着一定的相依关系。总的规律是剂量愈大，效应愈显著，但并不是一个直线关系。

急性放射病动物模型的复制方法，关键在于照射剂量的选择。根据实验目的和要求，选择好合适的照射剂量，以便复制程度适中的急性放射病。

现将常用的狗、大鼠、小鼠、家兔和猴的照射剂量与动物存活情况列于表10－17～表10－21供选择照射剂量时参考。

表10-17　狗所受剂量与动物存活情况

A表

B表

表10-18　狗所受剂量和死亡动物存活时间的关系

表10-19　大鼠照射剂量与动物存活情况

A表

B表

表10-20　家兔照射剂量与动物存活情况

表10-21　小鼠照射剂量与动物存活情况

A表

B表

注：剂量率：165.5～172拉德/分

3．剂量率

剂量率即单位时间内机体所接受的辐射剂量。在一般情况下，总辐射剂量相同时，剂量率愈大，生物效应愈显著，但有一定的限度。如r-射线剂量率为30伦/分时，小鼠的LD50/30为840伦，而当剂量率为3伦/分时，LD_50/30则需1200伦。

4．分次照射及时间间隔

当辐射的总剂量和剂量率相同时，分次给予辐射的效应要低于一次给予的效应，总的规律是分次愈多，各次间的时间间隔愈长，则效应愈弱。例如，475伦的辐射一次照射小白鼠。60天内引起39%的动物死亡；若将上述照射剂量分成4次照射，每次照射间隔一天，则死亡率下降到23%；若同样分成4次，但每次间隔4天，则60天内全部动物可以存活。这种现象的发生，显然与机体的代偿和修复功能有关。

表10-22　猕猴照射剂量与动物存活情况^＊

※《昆明医学院资料选编》1979年第1期2～3页

5．照射部位和面积

同样质和量的辐射对动物不同部位作用的后果是不同的。腹部对照射的敏感性很高，盆腔、头、胸、四肢辐射敏感性依次下降。如600伦照射动物四肢引起的放射损伤很轻，而600伦照射头或腹部时则可有严重的病理变化。

在辐射总剂量、剂量率和照射部位都相同的条件下，照射面积愈大，则生物效应愈显著，全身照射的后果最严重，如照射狗的四肢可允许1000伦或更大剂量，而全身照射300伦就可使半数动物死亡，可致典型的造血型放射病。

6．照射方式

照射方式一般可分为外照射和内照射；若二者兼有，则称混合照射。在外照射中，单向和多向照射对生物效应有很大的影响。多向照射引起的死亡率较高。生存时间较短。例如，从4个或12个方向（四联或十二联X线照射装置照射狗时，绝对致死量为500伦；而单向照射时，则绝对致死量为800伦，其原因可能是多向照射时组织接受的辐射剂量比较均匀。因此，www.lindalemus.com/zhicheng/我们用于照射动物的钴源，是装有自动旋转装置的，这样照射的剂量均匀。

内照射是指放射性核素进入机体后，在其体内发射特有的辐射，作用于不同组织。其损伤效应受许多因素的影响，主要有放射性核素的物理化学特性、侵入途径、分布和排出特点、物理学和生物半衰期等。例如α放射体的生物学效应大于β和r放射体；由呼吸道侵入机体时，粒子大于1～2μ者多沉积于上呼吸道，小于0.5μ者多进入肺泡；如为可溶性化合物可迅速吸收入血，而难溶性化合物则多沉积于局部组织及相应的淋巴结，小量地、缓慢地转移至其它部位。

四、放射生物学研究中实验动物的应用

（一)急性放射综合征研究中的应用

实验动物是研究急性放射综合征的主要对象，常采用⁶⁰Cor-射线照射实验动物，使其接受不同剂量的照射，复制成各种不同类型的放射综合征或称放射病。再来研究它的发病特点、变化规律、发病机理、诊断和防治方法等。

当动物全身一次受到较大剂量照射后，可产生急性放射病。随着照射剂量增大，可以出现一些典型的综合征。文献上对放射病分型和制定标准等问题看法不尽一致。根据我们的资料，以狗为例，当受到200～700拉德照射后，动物所出现的综合征主要是以造血系统功能和结构的变化为主，一般称造血型放射病；2000～8000拉德照射后，动物出现的综合征除造血系统功能及结构有严重损伤外，消化系统（胃肠道特别是小肠)出现明显变化，引起消化系统改变为主的综合征，称肠（胃肠)型放射病38000～15000拉德照射后可出现以心血管系统症候为主的放射病，叫心血管型放射病。15000拉德以上照射后，动物主要出现一些以中枢神经系统（主要是脑)症候为主的综合征称为脑型放射病。各型放射病之间并不是截然分开的，中间可有过渡型，而且病变也是交错存在的。照射剂量在800～2000拉德之间，随动物机状况不同可产生造血型或肠型放射病。照射剂量在800～15000拉德之间，随动物情况不同的可产生心血管型或脑型放射病。动物种类不同造成各型放射病所需剂量亦不同。

根据我们对372条狗、500只大鼠、1000多只小鼠的实验资料分析，我们认为急性放射病类型的划分标准应综合考虑四个方面问题：即⑴照射剂量、剂量率；⑵临床症状；⑶死亡时间；⑷病理检查。综合起来判定属哪种类型的放射病。造血型放射病的动物，造血器官（骨髓、脾、淋巴结)发生明显的改变，而消化系统（胃、小肠、结肠)只出现轻微的可恢复的一些变化，临床上可出现一般放射病的典型分期（初期、假愈期、极期)。病程2～4周。中度以上造血型放射病动物死亡原因是发生了严重的出血和感染的结果。肠型放射病，除造血系统发生严重的病变外，突出的病变在肠道（主要是小肠)，动物照射后即可出现频繁呕吐，初期及假愈期短暂或不明显，很快进入极期，呕吐更为顽固，狗可吐出胆汁（吐黄)。第一、二天可出现不典型的的柏油便，此后即可出现血水便。吐黄、血小便是肠型放射病的典型临床症候，而出血和感染可以不出现。狗在照射800～2000拉德（交叉剂量范围)时可出现轻微吐黄水和血水便。这是一种过渡型（既有极重度造血症状，又有肠型症状)。由于肠型放射病动物小肠粘膜损伤、脱落、隐窝受到严重破坏，失去增殖更新能力，绒毛?

■［此处缺少一些内容］■

急性放射病一般分为造血型、肠型和脑型三型，但是否存在心血管型，目前国内外学者尚有争议，我们通过对203条狗和367只大鼠不同水平超致死剂量⁶⁰Cor射线一次全身照射后的心管功能、形态和血浆酶活力等变化观察证实在肠型与脑型之间存在心血管型放射病。此型放射病的造型剂量狗为9000～15000拉德，大鼠为20000～25000拉德，其特点是照射剂量介于肠型和脑型之间；病程较脑型稍长；有明显的心衰、休克等病症；出现一系列心血管功能低下的变化如动脉血压迅速下降、心输出量和心脏血流量早期即有明显减少、循环代偿功能丧失、心电图有明显反映心肌炎和心肌除极和复极过程障碍的变化，反映心肌损伤的LDH_１显著升高；病理形态学上可见到心肌严重病变，如心肌炎细胞浸润、心肌纤维萎缩、变性、坏死、溶解等变化，而此时小脑皮层颗粒细胞基本正常或固缩的还不多，病变严重者固缩最多也不超过２５％。心血管型放射病动物模型的复制成功，不仅对我们充分认识心血管系统辐射损伤在放射病发生、发展过程中的作用和急性放射病的分型问题上具有一定理论意义，而且在强辐射核武器杀伤效应条件下，伤员的分类、防护和救治方面也有一定实际价值。

狗的三种类型急性放射病鉴别标准可见表10-23。动物四种类型放射病造型所需的选择剂量见表10-24。

（二)内照射效应研究中的应用

放射性核素引起动物急性损伤的病理主要为破坏过程，它与核素分布类型有关。全身均匀性分布的核素急性损伤基本与外照射相同，如¹²⁷Cs、^３H等。那些选择性分布的核素除有类似全身照射的损伤表现外，同时还出现重要器官的局部严重损伤改变，如表10-25所列举的几种主要放射性核素的急性损伤中，亲骨性核素⁹⁰Sr主要表现为造血组织的损伤，动物死于严重的出血和贫血；视网状内皮系统的核素，如²¹⁰Po、¹⁴⁴Ce、¹⁴⁷Pm，对造血组织、肝、脾的损伤都比较严重，使动物死于广泛的出血、感染与胃肠功能障碍；选择性分布于甲状腺的¹³¹I主要造成甲状腺组织严重损伤与功能低下；吸入难溶性²³⁹PuO₂主要沉积于肺，引起肺功能不全，导致心肺功能衰竭死亡，这些都是核素的辐射作用所引起局部严重损伤的结果。

表10-23　狗三种类型急性放射病临床及病理变化的主要点鉴别

表10-24　常用动物四型放射病造型选择剂量（拉德)

引起急性损伤的剂量，因各种核素的辐射类型、能量、化学性质以及它在体内的有效半碱期等因素不同而异。例如²¹⁰Po与³H相比较，²¹⁰Po为α辐射体，能量大，与体内蛋白质的硫基结合紧，且选择性沉积于对辐射敏感的造血组织内，有效半减期较长，而³H是一种低能量的β辐射体，有效半减期短，在体内呈均匀性分布，因而²¹⁰Po的急性损伤剂量比³H的低千倍。

放射性核素对动物的慢性损伤有两种情况，即小量多次和一次内污染放射性核素对动物的持续性内照射。有人曾观察了小量多次给家兔注射⁸⁹Sr对造血功能的影响，在三年内，每日注射⁸⁹Sr2.68微居里/公斤，它的造血功能损伤大致分三期：第一期⁸⁹Sr作用初期（11～12月)，造血器官的变化不稳定，表现为网织红细胞数、血小板数、白细胞总数波动大。第二期上述血液指标波动小，网织红细胞数稍有增加。第三期出现红白细胞数、淋巴细胞绝对数、网织红细胞数减少。此外，还表现机体免疫功能减低、早衰、部分动物死亡。表10～26列举了几种核素对动物内照射远期引起肿瘤的结果，分析结果可以看出：远期损伤的部位多为该核素的紧要器官；损伤的性质多为恶性肿瘤和血液病；引起损伤的剂量也因核素的理化性质和器官的敏感性因素不同而异，因为亲骨性的诸核素，引起狗骨肉瘤的剂量也有差别（表10-27)。²³⁹Pu、²²⁶Ra、²²⁸Th、⁹⁰Sr四种核素相比，以²²⁸Th的相对生物效应最大。近年来有人对²³⁹Pu致动物骨肉瘤效应的研究证实，最低致癌剂量为78拉德。

表10-26　几种放射性核素对动物远期损伤的剂量与特点

表10-27　几种亲骨性核素引起狗骨肉瘤的相对生物效应