第一节　常见感染动物模型及其基本制备原则

一、感染动物模型的主要类型

感染系指病原体入侵机体，在其中侵袭、繁殖并造成机体局部乃至全身损害的病理生理现象。根据病原体来源的不同，目前常用的感染动物模型主要分为外源性给予和内源性诱导两种主要的方式。外源性感染模型是指通过注射或植入的方式直接将特定的病原体注入实验动物体内进而引发感染的动物模型。内源性感染模型又称自身感染模型，主要通过破坏机体固有生理屏障或增加易感性等方式诱发模型动物的自发感染。

（一）外源性感染模型

外源性感染模型是指通过将病原体经不同途径引入体内并造成各种病理损害的动物模型。根据引入感染方式的区别，外源性模型又主要分为注入感染模型和植入物感染模型。前者是直接将病原体引入实验动物体内，引发快速而严重的感染，而后者是将病原体置于异物中，并将异物植入实验动物体内，引发相对局限和缓慢的感染。

1. 病原体注入感染模型

注射感染主要通过直接注入的方法，将病原体经各种途径引入实验动物体内脏器或体腔黏膜，从而引发感染。根据病原体注入途径的不同，该模型又可分为静脉注射感染模型、腹腔注射感染模型、肺部滴注感染模型和其他部位注射感染模型。静脉注射和腹腔注射是外源性感染最为经典和常用的建模方式。近年来随着肺部感染严重性的日益增加，肺部感染模型也逐步得到重视和应用。此外，根据不同部位的特定组织脏器的感染研究需求，也可建立除静脉、腹腔和肺部之外的其他部位感染模型。

（1） 静脉注射感染模型：

静脉注射模型是指直接通过静脉注射的方法将病原体引入动物体内的感染模型。细菌、真菌和病毒等病原体均可直接配制为相应浓度的工作液，经外周静脉注射进入动物体内。由于静脉注射可直接引发模型动物严重的全身性感染，因此该模型通常应用于一些重度感染及其并发症的研究。细菌是感染患者最为常见的病原体，同时细菌菌液易于获取，制备方法简便且稳定性好，故在静脉注射感染模型中的应用也最为广泛。如在感染严重并发症——脓毒症的研究中，通常采用尾静脉注射经体外增殖处理、定量浓度的细菌，建立脓毒症小鼠、大鼠或其他实验动物模型，在造模后指定时间取材检测模型动物感染、炎症、免疫等方面的分子生物学、生理及生化指标，以评价感染状态下，机体的各种调控效应。也可给予该模型动物药物治疗，通过观察动物死亡率或检测相应指标的变化来验证药物的有效性。如为研究感染对于脓毒症患者消耗性代谢状态，可经尾静脉注射大肠埃希菌，构建大鼠脓毒症代谢消耗状态的动物模型。并通过比较注射活菌和等剂量灭活细菌，判断动物的代谢消耗差异，以确定活菌对模型动物消耗性代谢改变的影响。除细菌注射感染外，病毒和真菌等病原体也可通过静注的方式造模，如在AIDS研究中，可采用静脉注射猴免疫缺陷病毒SHIV的方法建立灵长类AIDS感染模型。又如HBV感染动物模型可通过在小鼠中经尾静脉快速、高负荷注射HBV真核表达病毒颗粒的方式构建。在真菌感染的研究中，有报道采用尾静脉注射新生隐球菌悬液的方法构建新生隐球菌感染的BALB/c小鼠模型，用于研究药物对小鼠感染新生隐球菌的保护和治疗作用。

（2） 腹腔注射感染模型：

除静脉外，腹腔也是注射模型建模的常用注射部位。腹腔注射的吸收效率与静脉注射相当，但吸收速度更慢，且未直接入血，故可避免静脉注射造成栓塞等导致造模失败。同时相对于静脉注射，该方法操作更为简便，特别是除小鼠、大鼠等小动物外，在犬和猪等大动物也可快速应用腹腔注射病原体的方式引发感染。另一方面腹部创伤所致感染是创伤感染的一种重要亚型，因此该模型在创伤感染的研究中也有广泛应用。细菌感染相关疾病模型的建立可采用腹腔注射致死或亚致死数量的活菌的方法建模，如在单核细胞增生李斯特菌（L.monocytohenes）的研究中，通过腹腔注射的方法在ICR小鼠中造模，通过观察动物存活率及其他感染指征，同时检测肝、脾组织细菌数量，确定细菌毒力和判断造模是否成功。腹腔注射感染模型在病毒感染相关疾病模型中也有应用，又如为建立巨细胞肝炎模型，可将小鼠巨细胞病毒Smith株经腹腔直接注射入新生BALB/c小鼠腹腔中造模。

（3） 肺部滴注感染模型：

肺部是另一常见的感染部位。肺部感染动物模型在研究原发或继发性肺部感染的病理、诊断和治疗方面都有重要应用。由于肺部通过气道与外界相同，故肺部感染通常采用经鼻或经气管滴注的方式建模。在小鼠、大鼠、犬和猪等动物中，肺部滴注感染模型均有相应的建模应用报道。如在插管处理的模型猪汇总，可将大剂量铜绿假单胞菌或耐甲氧西林金黄色葡萄球菌经气管插管滴注建模，模拟肺部感染的发生，用于研究呼吸机相关的获得性肺部感染。另有研究利用呼吸道内注射的方法构建仓鼠支原体呼吸道感染模型。受试仓鼠取肺、呼吸道、肾、脑等组织进行培养及病理学观察评价肺部支原体感染的全身性影响。在流感研究中，通常采用鼻腔接种的方法将流感病毒（Influenza virus，IFV）注入建模，以小鼠为例，先用戊巴比妥钠麻醉动物后，滴鼻接种病毒，为保证动物感染，可滴鼻多次。攻毒后连续观察14天，记录动物死亡情况。并采用病毒分离鉴定，免疫学鉴定，基因鉴定等方法评估IFV 感染的动物模型是否成功。

（4） 其他部位注入感染模型：

除静脉注射、腹腔注射和肺部注射外，还可根据感染的特定部位，采用经黏膜、消化道和植入物的方式将病原体注射入模型动物，如Ⅰ型单纯疱疹病毒感染小鼠模型的构建就不仅可通过静脉注射的方式，还可以通过将病毒经小鼠眼睛黏膜或者鼻腔黏膜沾染的方式进行接种。某些特殊的感染动物模型，如隐孢子虫感染动物模型还可以采用直肠接种或者灌胃针灌胃等方式，在γ干扰素基因敲除小鼠中接种微小隐孢子虫卵囊，以构建隐孢子虫感染模型。

2. 植入物感染动物模型

植入感染动物模型是将含有病原体的材料植入到动物体内如皮下、肺部、腹腔或骨关节等的特定部位，引发该部位感染的感染模型。该模型可用于呼吸系统、消化系统或生殖泌尿系统局部感染的造模研究，也可用于模拟骨科和整形外科假体植入后的感染并发症。

植入感染模型在小鼠、大鼠、猪和犬等模型中都有应用，如通过手术将植入物插入Landrace-White猪的气道中，并模拟机械通气的方式处理模型猪，4天后通常可诱导猪产生自发的感染性肺炎，以此种方式构建的呼吸机相关性肺炎猪模型可用来研究因呼吸机使用所致医院获得性肺部感染的不同方面。在骨科以及创伤外科，植入物相关感染仍然是非常严重的并发症。因此植入物抗感染处理方法是植入感染的主要研究方面。如鼠胫骨干骺端植入物相关感染模型即为将金属锥形物植入到大鼠双侧胫骨近端，而后金黄色葡萄球菌菌液注入植入的金属物腔体内，通过对植入物周围的活菌和超声后菌膜的微生物学观察进行感染程度和后果的评估。兔植入相关骨髓炎模型则是在家兔右后退胫骨坪上钻孔，打开骨髓管。取处理钛合金胫骨钉，将金黄色葡萄球菌菌液处理的钛合金胫骨钉放入骨髓管中，骨蜡密封，构建骨髓炎模型。通过血液学和放射学参数以及动物处死后的标本细菌学和组织学分析，即可对金黄色葡萄球菌所致骨髓炎的形成及其损害进行相应的研究。

（二）自身感染动物模型

自身感染动物模型是指实验动物未经任何人为注射或植入外源性的病原体，而是通过人为破坏模型动物的自然屏障或改变对病原体的易感性而引发感染的模型。自身感染模型的建立可通过烧烫伤、冻伤、冲击伤、撞击伤以及复合伤等创伤因素导致动物表皮或其他部位天然生理屏障的破坏，进而导致动物发生自身感染，也可通过应用转基因技术、免疫抑制药物以及创伤等原发病的方式改变动物的基础生理或免疫状态，造成对某种或某类病原体易感性增加，从而导致感染发病。

1. 生理屏障破坏型感染动物模型

生理屏障破坏型动物模型中，通常引入物理或化学因素导致机体皮肤、黏膜屏障破坏，或造成腹腔、胸腔等封闭无菌部位与外界或有菌脏器沟通，进而引发感染。在各种造模因素中，创伤最为常见，因此以下主要介绍创伤所致表皮和腹腔创伤感染模型。

（1） 表皮创伤感染模型：

在此类模型中，最为常用的是锐器损伤和烧（烫）伤建模方式。从致伤方法来看，锐器损伤一般采用手术器械造成体表浅层皮肤或深层肌肉组织的损伤，破坏了正常的生理屏障，易于病原体定植和侵袭。动物实验性烧伤的致伤方法较多。如凝固汽油烧伤法、闪光粉烧伤法、电光源烧伤、热金属烤灼法等烧伤方式以及点状温热灼伤法和热水浸烫法等烫伤方式均有研究报道。从动物种类来看，小鼠和大鼠最为常用，而猪、狗、家兔和豚鼠等也可用于复制烧（烫）伤模型。上述模型多在无菌条件下造模，同时诱发自发感染的周期较长，且均一性差，故目前有关表皮损伤和烧（烫）伤感染的研究多为在致伤模型基础上通过致伤部位皮下注射细菌（铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等最为常用）的方式构建复合模型。而单一模型已较少应用。

（2） 腹腔创伤感染模型：

除表皮损伤外，腹腔感染模型是另一主要的自发感染模型。尤其是在感染并发症脓毒症的研究应用中，自发性腹腔感染模型的应用最为常见。该模型通过手术方式造成肠段穿孔，进而引发感染性腹膜炎，并导致全身感染和脓毒症发病。目前常用的手术方式主要用两种，分别是盲肠结扎穿孔（cecal ligation and puncture，CLP）和升结肠支架模型（Colon Ascendens Stent Peritonitis，CASP）。前者是通过游离结扎盲肠，并用穿刺针造瘘导致肠腔内容物外溢，引发腹腔感染。后者是在升结肠部位植入一根导管，通过引流的方式使肠腔内容物外溢，进而引发腹腔感染。腹腔感染模型很好模拟了临床创伤等因素所致感染性模型，进而引发全身感染和脓毒症，因而在腹腔感染乃至全身性感染的研究中均有广泛引用。

2. 易感性增加型感染动物模型

易感性增加型模型一般通过基因工程、药物作用以及创伤等原发疾病干预等方式改变模型动物对病原体的易感性，进而引发感染。

（1） 基因工程诱发感染模型：

基因工程模型主要包括转基因和基因敲除模型，主要用于一些目前还不能通过外源性方式有效建立动物模型的寄生虫、细菌和病毒等病原体感染的研究。转基因模型主要将特定的病原基因转入模型动物基因组中，使其表现出该病原体感染的症状特征。如乙型肝炎病毒转基因小鼠，即为将乙型肝炎病毒基因转移到小鼠基因组中，并可代代相传，这类转基因小鼠解决了乙型肝炎研究缺乏动物模型的难题，是乙型肝炎新药开发，药物筛选及乙型肝炎治疗研究的理想动物模型。还有如AIDS转基因小鼠，将HIV原病毒DNA转移到FNB/N小鼠单细胞胚胎内，在F1代小鼠血清中出现抗HIV抗体，皮肤、淋巴结和脾脏组织均可分离出HIV。同时出现皮肤病变，胸腺缩小，脾脏肿大、生长迟缓和自发性死亡。基因敲除模型小鼠主要通过敲除与抗感染免疫应答相关的受体或信号分子基因，导致对感染的预警和反应机制钝化，进而引发模型动物对病原体感染的易感性增加。Toll样受体4（toll like receptor 4，TLR4）是细菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的模式识别受体，在感染免疫中发挥预警识别的作用。研究发现，TLR4敲除小鼠对于细菌感染的易感性增加，具体可表现为细菌吞噬清除能力下降和死亡率升高等。此外，TLR4下游的信号分子MyD88以及IRAK4的缺失也可导致小鼠对肺炎球菌和金黄色葡萄球菌等感染的耐受性减弱。

（2） 药物或原发病诱发感染模型：

除基因工程模型外，通过药物等方式改变动物的免疫状态，在一些继发性感染或隐形感染疾病（尤其是真菌性感染）中的研究中也有较多应用。如在隐孢子虫感染的研究中，采用口服或者皮下注射地塞米松诱导免疫功能抑制，进而观察免疫抑制剂剂量、呼吸道麻醉剂以及季节因素等对感染发生的影响。又如在肺孢子菌隐形感染研究中，通过口服环磷酰胺、地塞米松或者苯丁酸氮芥的方式诱导免疫抑制，进而观察感染的发生和发展。除药物外，创伤等原发疾病也可导致免疫功能抑制，进而造成继发性感染的发生。如在C57BL/6小鼠经烧伤处理后，其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的易感性显著降低，而给予免疫刺激药物IL-18治疗后，血中IGM和IFN-γ的水平显著升高，且中性粒细胞杀菌功能也明显改善，进而导致动物存活率的显著提高。

二、常用感染动物模型的比较及选择制备原则

感染动物模型的种类较多，且具有各自的优缺点以及相应的制备和应用原则。以下将按照感染动物模型的两个主要大类、即外源性感染模型和内源性感染模型进行介绍。

（一）外源性感染模型与内源性感染模型的比较

在外源性感染模型中，病原体种类和数量可控，感染起病迅速，病程持续时间较短，且造模操作简便，动物个体间均一性好。但该模型通过一次性大量注入或植入单一病原体造模，模型动物的病程以及病原体的特征与临床差异较大。相对于外源性感染模型，内源性感染为自身局部感染起病，因此其最大限度模拟了感染发生发展的自然病程，且病理生理特点与临床患者更为接近。但该模型操作更为复杂，引发感染的病原体数量和种类也更难以控制（表6-1）。

（二）外源性感染模型与内源性感染模型的选择和制备原则

基于上述对外源性和内源性感染动物模型的分析，可以明确二者具有鲜明的优势，同时各自的缺点也非常明确。因此在选择和制备应用中必须遵循相应的原则。首先从模型选择方面来看，外源性感染模型主要用于提供一种致病因素单一的在体感染环境，以利于对某种特殊病原体或病原体成分的致病机制研究，或在一些基因缺陷或转基因动物模型中研究机体抗感染免疫的分子机制。同时该模型操作简便，严重程度易于控制，故应首先选择应用。而内源性感染模型虽然与临床最为接近，但其操作更为复杂，且均一性也不易控制，故一般主要用于药物的活性评价研究或外源性模型无法复制的一些特殊病理生理现象的研究。比如在脓毒症研究中，外源性感染模型难以模拟脓毒症患者的血流动力学特征和免疫功能变化，故必须采用如CLP等自身感染模型。

在模型的选择和制备方面，外源性感染模型的主要原则有：第一，根据研究目的，模型动物的种属选择可综合考虑动物易感性和遗传背景的问题。一般而言，小鼠和大鼠是最为常用的候选动物，对于一些特殊的病原体感染，也可选择其他的实验动物乃至包括一些模式生物。第二，根据研究所需的感染部位及严重程度的差异，外源性感染模型可采取不同的注射方式进行建模。如静脉注射模型往往用于严重全身感染的相关研究。而腹腔或肺部注射感染模型以及植入感染模型则通常用于研究某一特殊部位起源的感染。第三，因造模方式相对简单，故应维持病原体数量和状态的一致性，并在引入过程中确保完全给予模型动物。对于内源性感染模型而言：第一，模型建立易受制于建模方法的限制，故一般常规使用小鼠和大鼠等啮齿类模型。同时自身感染模型起病更为复杂，故在实验动物的基础状态和前期准备中要求比外源性模型更为严格，方可确保均一性。第二，内源性感染模型易受造模方法差异的影响，故在制备过程中也更应完全规范操作手法，以保证模型的稳定性。第三，目前比较成熟的自身感染模型以腹部感染为主，其他部位尚缺乏稳定可靠的模型应用，故在进行研究中应合理选择。