新冠动物模型难觅
新冠动物模型难觅
对新冠疫苗和药物研发来说，颇显尴尬的是，科学家们还没有找到特别合适的动物来为人类「以身试毒」
全球新冠疫苗研发正在加速推进。4 月 2 日，澳大利亚联邦科学院宣布其研发的新冠疫苗进入临床前测试阶段。在进入人体临床试验前，澳大利亚联邦科学和工业研究组织 (CSIRO) 的研究团队将先进行动物实验，在雪貂身上测试两种候选疫苗的安全性和有效性。CSIRO 健康部主任 Rob Grenfell 表示，这一阶段的测试预计需要 3 个月。
3 月 16 日晚，中国研制的重组新冠疫苗也获批启动展开临床试验。据央视网报道，军事科学院军事医学研究院生物工程研究所所长、中国工程院院士陈薇团队在春节期间快速完成抗原设计、病毒包装，确定了符合临床试验材料的生产工艺和质量标准，同时平行开展动物实验，完成了临床前的有效性和初步安全性评价。但报道未提及动物实验的具体动物模型。
动物感染模型可以再现人类感染病毒时的临床症状，帮助科学家破译病毒的传播途径和致病机理，以及测试药物和疫苗，目前在疫苗研发和药物效果评价中发挥着不可替代的作用。通常，疫苗投入临床试验前，需要遵循两个重要步骤，其中一个就是要在适当的动物模型中测试疫苗是否具有保护作用；其次要在动物身上进行毒性测试，这一步骤如果在良好实验室实践 (GLP) 下进行，通常需要 3–6 个月左右。
中国医学科学院实验动物研究所副所长刘江宁在接受央视采访时曾表示，动物模型是连接实验室和医院临床的桥梁，在新冠疫情的研究中可以用来模拟新冠肺炎发生的病因。在实验室里研制的疫苗和药物，也需要在动物模型上证明它是否安全有效。
但目前对新冠疫苗和药物研发来说，颇显尴尬的是，科学家们似乎还没有找到特别合适的动物来为人类「以身试毒」。
从目前公布的研究来看，雪貂、小鼠和恒河猴是三种被寄予厚望的动物感染模型，严格来说效果均不理想。美国纽约西奈山伊坎医学院一个研究小组近日在《免疫》(Immunity) 杂志发表的文章「新冠疫苗：进展综述」中提到，新冠病毒的动物模型「或难以建立」(might be difficult to develop)。
理想的新冠动物模型是什么样的呢？美国宾夕法尼亚大学医学院副研究员李懿泽告诉财新记者，一个合适的新冠病毒动物感染模型必须在感染后至少出现肺炎症状，动物会有一定比例的死亡，且死亡的原因是肺炎而不是其他原因。
广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室教授王健近期在接受《中国科学报》采访时表示，对于一种新暴发的疫情，很难找到单一的理想动物模型。因此，可以根据研究目的的不同，选择不同的动物模型。如果要研究一种病毒的致病机理或发病机制，可以选择能表现出与人类相似症状的动物模型；而在疫苗研发中，则应优先考虑病毒在动物模型的组织中能够复制达到一定水平的病毒滴度，并且病毒滴度与疾病的严重程度相关即可。
但从公开发表的研究成果来看，新冠病毒在常见的几种动物模型中均无法很好地模拟人类的新冠病理变化；一些动物可以在体内有效复制病毒，却均只能出现轻症。新冠病毒无法感染普通的实验小鼠，在表达人 ACE2(血管收缩素转化酶 2) 受体的转基因小鼠中只能诱发轻微疾病；在非人灵长类动物模型中，恒河猴只能诱发轻微疾病，且不出现发热现象。最新发表于期刊《细胞-宿主与微生物》(Cell Host & Microbe) 的研究论文「新冠病毒在雪貂体内的感染与快速传播」显示，小型哺乳动物雪貂体内可以有效复制新冠病毒，但在不同病毒滴度的实验组中均只能诱发轻症。
无法替代的动物实验
当地时间 3 月 16 日，美国国立卫生研究院 (NIH) 在西雅图开始了首例预防新冠病毒疫苗的临床试验，该疫苗来自美国生物科技公司 Moderna 公司。之所以在短时间内就能启动临床试验，有一个原因是其跳过了动物实验阶段，直接展开了人体疫苗测试。
美国国家过敏和传染病研究所 (NIAID) 疫苗研究中心主任 Barney Graham 于 3 月 11 日接受媒体采访时称，现有实验室小鼠对新冠病毒的感染效果不佳，而培育新的易感啮齿动物还没完成，因此研究人员只能对现有标准实验室小鼠进行安全测试。于是在 3 月的第一周，美国跳过了传统的动物实验环节，开启了第一批新冠疫苗临床受试者招募。
但跳过动物实验直接开展全球首例人体临床试验，也引发了不少争议。加拿大麦吉尔大学生物医学伦理部主任 Jonathan Kimmelman 曾向媒体表示，疾病暴发和国家紧急情况往往会导致忽视某些权利或标准，这给规则的正常运作带来极大压力。「日后回想起来，这些决定往往是不明智的」。
什么情况下可以跳过动物实验阶段呢？美国生物伦理研究所 Hastings Center 研究员凯伦·马什克 (Karen Maschke) 告诉财新记者，如果所需的信息可以从动物实验以外的来源获得，那么可以有力地提出不需要对动物进行实验干预。
一些科学家认为，如果在动物身上测试实验疫苗而无法获得安全性和有效性的数据，但与测试疫苗相类似的疫苗有足够的来自动物实验的安全性和有效性数据，那么在新冠肺炎这样的公共卫生紧急情况下，有理由首先对人类进行第一阶段给药研究。另一方面，监管官员应该要求进行平行的动物实验，这样一旦出现对生物体的严重危害，人们能够更早在动物而不是人类受试者身上获得这个重要信息。
动物实验在人类的生物医学研究中一直扮演着重要的角色，自医学诞生以来，人类便一直在利用动物作为解剖和生理学的模型。法国史学家伊万·布洛哈尔曾在其著作《西医的故事》中提到，在古希腊时期，人体解剖是禁忌的，也因此古希腊的医生选择解剖动物来进行解剖学研究。
这一方面是因为活体是一个极为复杂的生理系统，到今天人类仍无法在试管内复制跳动的心脏，也不能在电脑上模拟中风对人体所有器官的影响，更未能理解生物体内从蛋白质大分子到每个细胞再到呼吸和循环系统，是如何相互作用的。科学家认为，在人类临床试验开始前，还没有强大的非动物模型能够提供关于治疗干预安全性和潜在疗效的可靠证据。另一方面则是因为从「以人为本」的伦理角度，用活人做危险的医学实验往往会面临难以逾越的法律障碍和伦理压力。人类已进入新的文明时期，1796 年英国乡村大夫爱德华·詹纳将牛痘和活天花病毒先后接种到自家园丁 8 岁的儿子身上从而发明「疫苗」的人体实验，在今天已难以复制。
事实上，用动物做医学实验在今天也会面临严格的伦理审查。科学界围绕动物实验研究形成了基本的「3Rs 原则」，即尽可能使用没有知觉的实验材料替代 (replacement) 活体动物，尽量减少 (reduction) 使用的实验动物，以及优化 (refinement) 动物实验程序，避免或减轻给动物造成的疼痛和不安。如今，每一篇在正规学术刊物上发表的动物实验相关论文，都会声明实验过程已经通过相关动物实验伦理审查程序的批准。
在现代医学研究中，动物实验的重要性尚无可替代。一些动物在生物学意义上与人类高度相似，比如黑猩猩与人类有 98% 的基因相似度，老鼠与人类的基因相似度也达到了 90% 以上。因此，它们对病毒、细菌的反应与人可能相似；其次，实验室常用的动物生命周期大多比人类短，以最常见的实验室小鼠为例，在比较好的环境下它们通常能活 2–3 年，因此人们可以对它们的整个生命周期甚至数代小鼠进行研究；此外，科学家很容易控制小型实验室动物的环境因素变量，比如饮食、环境温度、光照等，这在人类身上也很难做到。
马什克介绍，在对人类进行药物或疫苗干预前，先在动物身上测试实验药物或生物制剂的一个原因，是要找出这种干预是否有严重的副作用。如果测试药物的动物全部死亡或受到严重伤害，在人类身上试验这种药物就是不道德的。另外，对于疫苗，动物实验可以初步测试疫苗的有效性，如果不同剂量的疫苗不能在各种动物模型中产生免疫反应，科学家便可以由此推论，它不会在人类中产生免疫反应，那么在人类受试者中测试疫苗就不存在有效的科学目的了。
雪貂：病毒有效复制，仅现轻症
相较于实验室小鼠、大鼠或猴子等非人灵长类动物，雪貂对普通人来说，或许是一个相对陌生的动物模型。事实上，自从人们偶然发现雪貂对流感病毒具备易感特质，它便相继被确认可以高度复制包括呼吸道合胞病毒、副流感病毒和 SARS 冠状病毒等多种呼吸道病毒的人类疾病表现。
英国牛津大学一位分子免疫病毒学博士后告诉财新记者，在病毒感染中，雪貂是仅次于老鼠的常用动物实验模型。多项研究显示，雪貂上呼吸道和下呼吸道的解剖比例、支气管壁粘膜下腺体的密度等都能准确再现人类呼吸道的状况。
根据初次用流感病毒感染雪貂的英国病毒学家克里斯托弗·安德鲁斯 (Christopher Andrewes) 的口述，1935 年英国流感流行期间，安德鲁斯和他的同事威尔逊·史密斯 (Wilson Smith) 按计划通过各种途径将流感病毒注射给大鼠、小鼠、兔子和其他动物。但在研究进程中， 安德鲁斯自己的体温和脉搏反而上升了，随后因流感而卧病在床，史密斯帮他洗出了喉和鼻的洗嗽液， 并接种到大鼠和小鼠体内， 但一无所获。
过了几天，来自英国 Wellcome 实验室的 O'Brien 医生打来电话， 说他实验室所有工作人员都得了流感病倒了，另外那些用作犬瘟热研究的正常雪貂， 也以同样症状病倒。得到这条线索后，史密斯便将安德鲁斯的洗漱液滴入雪貂的鼻腔。果然，在安德鲁斯回到实验室当天，就有雪貂出现打喷嚏的情况并患病，随后确认为流感。
有意思的是，Wellcome 实验室的雪貂后来被发现实际上得的并不是流感，而是不典型的犬瘟热。也正是这一次阴差阳错，使得雪貂逐渐成为研究人类呼吸道病毒感染的重要动物模型。
上述最新发表于期刊《细胞-宿主与微生物》杂志的关于雪貂感染新冠病毒的动物模型研究发现，感染了新冠病毒的雪貂在体内能够有效复制病毒，但引起的病症较轻，这项研究来自韩国忠北大学、美国南加州大学等多个研究机构。研究显示，感染了新冠病毒感染的雪貂体温会升高，病毒在体内也会复制，但实验的雪貂中没有观察到死亡病例。感染新冠病毒的雪貂在感染后 8 天内仍能在鼻腔冲洗液、唾液、尿液和粪便中检测到新冠病毒。在与直接感染了新冠病毒的雪貂直接接触后 2 天，所有未感染的雪貂体内也都能检测到新冠病毒。病毒抗原在鼻甲、气管、肺和肠中被检测到，其中出现肺部感染的雪貂中，有存在急性细支气管炎的情况。
为了评估病毒的传播方式，研究人员设计了三个独立实验。第一个实验中，6 只雪貂通过鼻腔直接接种新冠病毒并直接感染，毒株来自 2020 年 2 月从一名韩国患者身上分离出的毒株。这些直接感染新冠病毒的雪貂在两天后，被平分为两批，分别参加了第二个和第三个实验。第二个实验是上述一半数量的感染雪貂通过共住的方式与一批雪貂 (下称 DC 组) 进行直接接触。第三个实验是另一半数量的感染雪貂与一批雪貂 (下称 IC 组) 间接接触，间接接触的方式为在笼子中用可渗透的隔板将未感染的雪貂与感染雪貂隔开。
实验结果显示，直接接种病毒的 6 只雪貂和 DC 组全都出现了体温升高的情况，有些偶尔会咳嗽，但在实验期间没有发现感染雪貂出现体重下降或死亡。且在 12 天的研究中，没有一只 IC 组雪貂表现出体温升高或体重减轻的现象。研究人员认为，这些数据表明，要想在雪貂身上有效地建立新冠肺炎的临床特征，就需要直接接触，从而再现人与人之间的传播。
研究还从多个途径证明了感染雪貂体内的新冠病毒复制。这 12 天里，研究人员每隔一天就采集一次染上病毒的雪貂的血液、鼻腔冲洗液、唾液、尿液和粪便标本。结果显示，在感染雪貂的血清中检测到的病毒拷贝数较低，且相较鼻腔冲洗液和唾液标本，血清中的病毒拷贝数更早下降到最低检出线以下。体液标本的检测结果表明，雪貂对来自体液的新冠病毒感染高度敏感，尤其是 DC 组雪貂的唾液和粪便标本中连续 8 天可以检测到病毒 RNA，这意味着新冠病毒或可通过感染雪貂的尿液和粪便标本在雪貂之间传播。
感染雪貂的病毒复制情况方面，肺组织病理学显示，感染新冠病毒的雪貂在肺泡壁、支气管上皮和支气管腔内出现急性细支气管炎的症状。感染 12 天后，三组中所有剩余的雪貂均恢复了正常体温和体重，所有标本均呈病毒 RNA 阴性。血清中和抗体检测结果显示，直接感染组的雪貂和 DC 组雪貂体内的抗体滴度远高于 IC 组雪貂。研究人员认为，与 SARS 冠状病毒相比，新冠病毒在动物模型的体内复制能力较弱，但持续时间较长，这或许最终导致了一些无症状携带者持续感染，从而有效传播病毒。
研究人员还提到，与感染 SARS 冠状病毒的 hACE2 转基因小鼠以及感染 MERS 冠状病毒的 hDPP4 转基因小鼠相比，感染了新冠病毒的雪貂仅表现出轻微的临床症状，肺部出现的病毒滴度也较低，因此新冠病毒感染雪貂的动物模型「存在局限性」。
为 SARS 研究而生的转基因小鼠
小鼠因其价格便宜、易于获取、体型小易饲养等优点，广泛应用于医学研究的各个领域，也成为科学家们研究人类冠状病毒的重要备选之一。与 SARS 冠状病毒一样，多项科学研究明确，新冠病毒也是通过表面刺突蛋白与人类 ACE2 受体相互作用的分子机制，来感染人的呼吸道上皮细胞。
一篇发表于 2007 年《中国比较医学杂志》的综述文章提到，自 2003 年 SARS 疫情暴发以来，科学家们研究了多种动物模型，包括非人灵长类、小鼠、仓鼠、狸子猫和雪貂等动物感染模型都支持 SARS 冠状病毒的复制，有些动物显示了不同程度的病理变化。然而，这些 SARS 动物模型缺乏与 SARS 患者一致的临床疾病和病理变化，还不太令人满意。文章强调，动物模型在 SARS 研究的整个过程中发挥了很重要的作用，有必要继续研究更为敏感的 SARS 动物模型。
在天然的动物中难以寻觅到合适的动物模型，科学家们便拿起了「上帝的手术刀」。同样在 2007 年，美国爱荷华大学微生物与免疫学教授 Paul McCray 及其研究团队成功构建了人类 ACE2 受体 (hACE2) 转基因小鼠，并发布了相关研究。人类 ACE2 受体蛋白由人细胞角蛋白 18(K18) 启动子调控并在上皮细胞中表达，团队将携带有人 ACE2 编码基因的载体引入到野生型小鼠中。结果显示，该 K18-hACE2 转基因小鼠在鼻内接种从 SARS 病人体内分离的毒株后会迅速感染并致命。
研究发现，SARS 冠状病毒感染始于小鼠的气道上皮细胞，随后扩散到肺泡，最终蔓延至大脑。病毒感染导致转基因小鼠的肺部巨噬细胞和淋巴细胞浸润，并引起肺部和脑部的促炎细胞因子和趋化因子上调。感染后 3 至 5 天，K18-hACE2 小鼠体重减轻，并伴有呼吸困难及精神萎靡，7 天内全部死亡。
2013 年中东呼吸综合征 (MERS) 暴发后，科学家亦迅速了解到 MERS 冠状病毒进入人体利用的受体为人 DPP4 蛋白，由于不同种属 DPP4 分子的差异，导致该病毒不能感染常见的小鼠、仓鼠等动物，缺乏合适的实验动物模型。hDPP4 转基因小鼠的成功构建，再次帮助人们发展了对 MERS 冠状病毒的研究。
然而，时隔多年，与 SARS 冠状病毒利用同种受体 ACE2 进入人体细胞的新冠病毒，对 K18-hACE2 转基因小鼠的感染效果却不够理想。
中国医学科学院医学实验动物研究所副研究员鲍琳琳及其研究团队于今年 2 月 28 日在预印本平台 bioRxiv 上发表的研究初步发现，感染了新冠病毒的 hACE2 转基因小鼠能够在其支气管上皮细胞、肺泡巨噬细胞和肺泡上皮中检测到病毒抗原，但在感染新冠病毒的野生小鼠体内无法检测到病毒抗原。此外，hACE2 转基因小鼠只出现了体重减轻及间质性肺炎的症状。
研究提到，与 SARS 冠状病毒相比，新冠病毒对 hACE2 转基因小鼠的致病性较轻，除了肺部，此前的研究显示 SARS 冠状病毒会引起小鼠包括脑、肾、肠、心、肝在内的其他器官损伤，且神经元易受病毒感染。然而，这些症状在感染新冠病毒的 hACE2 小鼠中均未观察到，新冠病毒感染的 hACE2 小鼠中只能观察到间质性肺炎。
非人灵长类恒河猴：体温未现明显变化
在各种动物模型中，属于非人灵长类的食蟹猴、恒河猴等也备受关注，尤其恒河猴曾因其数量繁多，比其他灵长类更容易捕捉和繁殖，在 20 世纪初期被广泛运用于动物研究中。
值得注意的是，比较理想的人类疾病动物模型应该是可重复的，也是可标准化的，但非人灵长类及其他大动物模型普遍会存在个体差异大、结果重复性较差、样本数较小等问题。然而，非人灵长类具有与人类非常相似的组织器官功能和免疫应答系统等，因此它们对于测试人体如何应对病毒依然颇具参考价值。
但在新冠病毒的研究上，恒河猴与人类表现出的病理变化差异仍然较大。中科院武汉病毒所于 2 月 27 日发表于预印版网站 Research Square 的一项关于恒河猴感染模型的研究显示，感染新冠病毒的过程中，没有观察到恒河猴明显的临床体征。该研究挑选了 6–12 岁的 6 只恒河猴 (雌雄各 3 只)，通过气管内接种新冠病毒而感染。
研究团队持续评估了恒河猴的血液样本，咽拭子、鼻拭子和肛门拭子。结果显示，感染过程中，恒河猴没有出现明显的病理变化，只有一只恒河猴的食欲降低了。且在感染新冠病毒后的两周内，研究团队对实验对象每天监测体温，均未发现明显变化，也没有其他明显的呼吸道疾病临床症状。但病理研究显示，感染后的恒河猴会出现肺部病变，部分症状表明出现间质性肺炎。
恒河猴感染新冠病毒后仅出现轻症，这一研究结果又在另外两项中国学者的研究中被佐证。自 2 月中旬以来，中国医学科学院医学实验动物研究所所长秦川研究团队在 bioRxiv 上发表了三项利用恒河猴模型进行的研究，其中两项与新冠病毒的研究有关。
在一项利用恒河猴研究新冠病毒是否存在结膜感染途径的研究中，恒河猴在感染新冠病毒期间尽管多器官标本的检测发现病毒在其体内大量繁殖并扩散，但三只恒河猴均未出现明显的体温变化。
另一项对于感染新冠病毒痊愈后是否会出现二次感染的研究也提到，初次感染后，四只恒河猴出现了食欲下降、呼吸频率加快、身体蜷缩等症状。其中三只恒河猴的体重有所减轻，但所有猴子都未出现发热现象。尽管如此，恒河猴与人类相似的免疫系统仍能够在一定程度上帮助科学家们测试人体如何应对病毒。
除了上述雪貂、小鼠和恒河猴等实验室动物，家养动物是否易感染新冠病毒？3 月 31 日，哈尔滨兽医研究所在 bioRxiv 发表的一篇预印版论文称，通过给多种伴侣动物及家畜接种新冠病毒，发现新冠病毒能够在猫体内有效复制，且在猫群中能够通过呼吸道飞沫传播；对狗的感染性较低，家畜猪、鸡、鸭不易感染。
但实验只是检测了实验动物体内的病毒，并未提及这些动物的症状。美国俄亥俄州立大学的病毒学家 Linda Saif 对《自然》表示，上述研究中感染了病毒的猫没有表现出疾病症状，且暴露于被感染动物的三只猫中仅有一只感染了这种病毒，「这表明该病毒可能不会在猫群中高度传播」。
为了找到更好的动物模型来研究重症感染的情况，研究人员还需要继续考察不同的动物，并改变病毒注射途径等其他实验因素。美国威斯康星大学病毒学家 David O』Connor 在接受《自然》杂志采访时表示：「最终科学家们可能需要不止一种动物模型来进行新冠病毒的研究。」
即便最终不能找到可复制人类疾病症状的合适的动物模型，对于疫苗的研究也不会止于此。科学家还可以将血清从免疫动物中取出，实验其中抗体的病毒中和能力，来评估新冠疫苗的有效性。前述牛津大学分子免疫病毒学博士后告诉财新记者，这一原理类似于从康复病人的血清里寻找抗体。
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