早在 20 世紀初甚至更早的 19 世紀，科學家們就發現，專注於相對簡單的生物體可以部分解決發育現象的奧秘。例如，孟德爾在揭示自然界遺傳法則時，使用豌豆作為實驗材料，而摩根則選擇了果蠅。在他們的研究中，豌豆和果蠅的細胞較少，結構更均勻，變化也更容易觀察。

在演化過程中，細胞生命形式在基本發育模式上具有顯著的相似性，地球上不同生物物種的許多基本生命機制也相似。因此，可以利用生物複雜性階梯上相對較低的物種來研究共同的發育規律。當具有不同發育特徵的生物體表現出形態發生和變化的共同特徵時，這一點尤其正確，這使得建立普遍的發育原則成為可能。研究這些生物體有助於我們揭示生命現象的普遍規律，並理解支配生命世界的共同法則。因此，這些經過特殊選擇的生物體被稱為「模型生物」。選擇特定生物體作為模型，首先取決於研究人員設定的科學任務，以及尋找最適合解決該任務的物種。

20 世紀初，摩根選擇黑腹果蠅 (Drosophila melanogaster) 作為研究對象。基於這些工作，建立了染色體遺傳理論，為經典遺傳學奠定了基礎，並開啟了果蠅作為模型生物的應用。科學家們不僅在果蠅上證實了孟德爾定律，還發現了白眼突變的性聯遺傳，提出了基因在染色體上線性排列的原則以及連鎖和交換定律。1933 年，摩根因這些成就獲得諾貝爾獎。2000 年完成的果蠅基因組測序，鞏固了其作為研究遺傳學和發育生物學最重要的模型動物的地位。

自 1965 年以來，科學家西德尼·布倫納將秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans) 引入分子和發育生物學研究領域。1983 年，從受精卵到成蟲的線蟲細胞譜系被完整描述，這成為發育生物學史上的里程碑。隨後，秀麗隱桿線蟲在胚胎發育、性別決定、細胞凋亡、行為和神經生物學研究中得到廣泛應用，並成為研究衰老和壽命最重要的模型生物。

斑馬魚具有高繁殖力、體外受精和發育、胚胎透明、性成熟週期短、體型小且易於飼養等特點，使其成為研究胚胎發育機制、基因功能和疾病發病機理的理想選擇。非洲爪蟾的卵母細胞體積大、數量多，便於顯微操作。此外，它們還可以製備具有生物活性的無細胞系統，適用於生化分析，這使其在發育生物學研究中發揮不可替代的作用。

最重要的模型動物無疑是實驗小鼠！由於其體型小、性情溫順、易於飼養，以及發育過程和組織解剖結構與人類相似，小鼠早在 17 世紀就開始用於解剖學和動物實驗。經過長期的人工選擇和繁殖，目前已培育出數千個獨立的遠交系和近交系。實驗小鼠已成為解讀人類基因功能和研究人類疾病最重要的模型生物，也是世界上研究最詳細的用於科學實驗的哺乳動物。此外，小鼠基因與人類基因具有高度同源性：99% 的人類基因在小鼠基因組中都有對應的基因。小鼠作為模型生物廣泛應用於生物醫學研究，是當今世界上研究最詳細的實驗哺乳動物。

以上介紹了動物界中的模型生物，我們通常稱之為模型動物。那麼是否存在模型植物呢？答案是肯定的。在現代植物學研究中，最常用的模型植物是擬南芥、菸草、番茄、水稻等，每種植物都有其特殊的科研目的。

擬南芥開啟了模型植物的系列。它屬於被子植物門、雙子葉植物綱，是十字花科的代表。這種植物本身不具有很大的經濟價值。然而，其體型小、種子產量高、生命週期短；形態特徵明顯、突變表型易於觀察，以及自花授粉的特性使其成為極其方便的研究對象。擬南芥的基因組對於高等植物來說被認為是小的（約 1.25 億個鹼基對和 5 對染色體），基因具有高度的同型合子性。物理化學因素處理會導致高頻率的突變，這使得容易獲得具有各種代謝功能缺陷的突變體。因此，擬南芥已成為研究開花植物遺傳學、細胞發育和分子生物學的理想模型生物，在科學家中贏得了「植物界的果蠅」的稱號。

擬南芥的研究歷史可追溯到 16 世紀。1943 年，Laibach 詳細闡述了其作為模型生物的優勢，這促成了 1965 年在德國舉辦的第一屆擬南芥國際會議。然而，其作為模型生物的積極應用大約始於該世紀的最後二十年。1986 年，Meyerowitz 實驗室首次報導了擬南芥基因的克隆。1988 年，發表了其基因組的第一張 RFLP 圖譜。隨後幾年，陸續報導了帶有 T-DNA 插入的突變體基因克隆和基於遺傳圖譜的基因克隆。2000 年，其基因組的完整核苷酸序列測定工作完成，使擬南芥成為第一個基因組被完全測序的植物。

番茄，或稱西紅柿，是茄科茄屬的一年生或多年生草本植物。植株高度為 0.6–2 公尺，整個表面覆蓋著黏性腺毛，並具有濃郁的特有氣味。莖易倒伏。葉為羽狀複葉或羽狀深裂。花梗長 2–5 公分，花序通常由 3–7 朵花組成。花萼和花冠呈輪狀。果實為多汁肉質漿果，扁球形或近球形，帶黃色種子。花期和結果期在夏季和秋季。由於其基因組相對較小、生命週期短、能夠自花授粉、具有完善的基因轉化系統和清晰的遺傳基礎，以及與其他模型植物（如擬南芥或水稻）的親緣關係較遠，番茄已成為研究果實發育和成熟過程的經典模型生物。

水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，在作為穀物研究的模型植物方面發揮著越來越重要的作用。這歸因於其相對較小的基因組、已知的基因組序列、完善的農桿菌介導基因轉化系統，以及與其他穀物作物的高度同源性（遺傳相似性）。菸草不僅是一種重要的經濟作物，也是科學研究中最有價值的材料之一。許多創新研究都是在菸草上進行的。大部分植物學知識，如光週期現象、植物營養、光合作用、光呼吸、有機代謝，以及病毒和轉基因生物的研究，都來自菸草。沒有其他植物像菸草一樣被科學如此深入地研究。它是分子生物學和基因工程的模型生物，並理所當然地贏得了「植物界實驗小鼠」的稱號。

除了上述模型動物和植物外，模型生物家族當然還包括微生物。大腸桿菌和酵母菌是研究微生物遺傳學的關鍵材料，並廣泛用作微生物學研究中的模型生物。未來，隨著生命科學研究的發展，模型生物家族無疑將繼續壯大。

小鼠活體光學影像實驗的主要步驟

實驗動物，特別是小鼠的活體光學影像，主要基於兩種技術：生物發光和螢光。生物發光涉及使用螢光素酶 (Luciferase) 基因標記細胞或 DNA，而螢光技術則使用螢光報告基因（例如綠色螢光蛋白、紅色螢光蛋白）、螢光團（例如 FITC、Cy5、Cy7）和量子點 (quantum dot, QD) 進行標記。

• 實驗動物準備：選擇符合實驗目的的小鼠品系，並進行必要的馴化和適應飼養條件。
• 螢光探針或生物發光標記的引入：根據研究目的選擇合適的螢光探針或生物發光標記，並將其引入實驗動物體內。
• 影像前準備：在開始影像程序之前，需要對動物進行準備，例如清潔毛髮、固定在所需位置，以確保結果的準確性和可重複性。
• 進行影像：根據所選的活體影像技術，將標記的動物放入相應的影像設備中。在操作過程中，需要控制環境參數（溫度、濕度等），以確保影像品質並遵守生物倫理原則。
• 數據分析和解釋：獲得影像後，進行數據分析。在實驗專案和既定研究任務的背景下評估和解釋結果。

光學影像技術中的主要標記方法 活體

小鼠活體光學影像原理

小型實驗動物活體影像技術基於使用高靈敏度冷卻 CCD 相機，結合專用不透光腔室和影像處理軟體。這使得可以直接觀察活體生物中的細胞活動和基因表達。透過記錄同一組實驗對象在不同時間點的數據，可以追蹤單一觀察目標（標記細胞和基因）的移動和變化。該方法操作簡單、結果直觀、靈敏度高，廣泛應用於生命科學、醫學研究和藥物開發等各個領域。在腫瘤學領域：建立腫瘤模型可以透過活體影像測量腫瘤的生長和轉移，以及其對藥物的反應，使腫瘤研究更接近臨床疾病的微環境。與傳統方法相比，這種方法不僅提高了靈敏度（允許檢測微觀腫瘤病灶），而且適用於腫瘤生長的活體定量分析，消除了因需要處死動物進行分析而產生的個體差異。在藥物研究中：透過活體影像可以研究與藥物代謝相關的基因、其作用途徑，以及藥物在體內的靶器官和分佈規律。

活體光學影像技術已成為基礎生物醫學研究和醫學診斷的強大工具。透過追蹤和記錄同一組對象在不同時間點的數據，該技術有助於更方便、有效地理解人類疾病的發生和發展規律，以及研究其預防和治療方法。該技術已廣泛應用於腫瘤學、藥理學研究、基因治療、細胞凋亡研究和流行病學等領域。

圖。 1. 活體影像中的發光原理

圖 1. 使用螢光素酶 (Luciferase) 標記基因、細胞和活體生物。螢光素酶是一種由螢光素酶基因表達的蛋白質，在氧氣、Mg²⁺ 和 ATP 存在下，螢光素底物會發生氧化反應，將部分化學能轉化為光能。這種發光由外部高靈敏度 CCD 相機記錄以形成影像。單次注射螢光素到實驗小鼠體內，可使標記有螢光素酶的細胞在其體內維持發光 30-45 分鐘。

1. 以溶瘤病毒為例，評估抗腫瘤藥物的活體藥效學。新城疫溶瘤病毒 (NDV) 憑藉其天然的溶瘤特性，數十年來一直應用於溶瘤治療。α2,6-連接的唾液酸在 NDV 結合和感染腫瘤細胞中起關鍵作用。在 Li, Q. 等人於 2017 年發表的一篇文章 ^[1] 中，NDV 被螢光素酶標記。活體影像實驗表明，NDV 對細胞表面高表達 α2,6-唾液酸的 SW620 結直腸癌細胞具有顯著的抗腫瘤作用，而對 α2,6-唾液酸表達水平正常的 SW480 細胞作用不顯著。

圖。 2. 將 SW620 和 SW480 腫瘤細胞皮下植入小鼠後，用 PBS 和 rNDV-Luci 處理。在 rNDV-Luci 處理組中，腫瘤區域觀察到強烈的螢光訊號。

2. 基因沉默抑制腫瘤生長機制的研究表明，COPB2 在胃癌細胞系中顯著過度表達。在 An, C. 等人 ^[2] 的研究中，證明 COPB2 敲除可抑制 RTK 訊號通路及其下游級聯分子，從而促進胃癌細胞凋亡並抑制裸鼠體內腫瘤生長。活體影像實驗結果顯示，感染 Lv-shCOPB2 的小鼠總螢光強度顯著低於感染 Lv-shRNA 的對照組。

圖。 3. 感染 Lv-shCOPB2 的小鼠總螢光強度顯著低於感染 Lv-shRNA 的對照組。

3. 尋找新的癌症治療靶點：復旦大學藥學院研究團隊在 2017 年發表的一篇文章 ^[3] 中指出，TIPE2 的過度表達顯著抑制 4T1 細胞在體外和活體內的增殖。TIPE2 增加了 T 細胞和 NK 細胞的數量，並降低了 MDSC。TIPE2 提高了腫瘤微環境中 CD8⁺ T 細胞和 NK 細胞產生 IFN-γ 和 TNF-α 的能力，增強了它們的細胞毒性活性。TIPE2 抑制乳腺癌的發展和轉移，可能是透過增強 CD8⁺ T 細胞和 NK 細胞介導的抗腫瘤免疫反應來實現的。因此，TIPE2 可能成為治療乳腺癌的潛在治療靶點。

圖。 4. 將正常 4T1 細胞和過度表達 TIPE2 的 4T1 細胞皮下植入小鼠後，接受過度表達 TIPE2 細胞的動物組腫瘤明顯較小，且未發現轉移。

4. 實體瘤 CAR-T 細胞治療效果研究：嵌合抗原受體 T 細胞 (CAR-T) 治療在實體瘤治療中效果有限，這主要與其到達和滲透腫瘤病灶的能力較弱有關。實體瘤的結構特徵、特異性抗原的缺失以及強烈的免疫抑制微環境是 CAR-T 細胞治療此類腫瘤的主要挑戰。在一項針對頭頸部鱗狀細胞癌 (HNSCC) 的研究中，靶點選擇了 MUC1 ^[4]。作者構建了第二代 CAR 和能夠同時分泌 IL-22 的第四代 CAR。體外和活體實驗表明，與普通 CAR-T 細胞相比，CAR-MUC1-IL-22 T 細胞對 MUC1+ HNSCC 細胞具有更強、更有效的細胞毒性活性。這些結果表明 CAR-T 細胞治療對 HNSCC 患者具有潛在療效，並為使用 MUC1+ CAR-T 細胞進行治療奠定了科學基礎。

圖。 5. 用不同 CAR-T 細胞變體處理 HNSCC 模型小鼠時，結果顯示第四代 CAR 比第二代 CAR 具有更高的治療效果。

在中國科學院動物研究所和北京協和醫院聯合研究團隊最近的一項研究中，透過基因表達譜相互作用分析發現，屬於 C-C 趨化因子配體 20 (CCL20) 在肺癌以及其他高發病率和/或高死亡率的癌症（如結腸癌、直腸癌、胃癌和肝癌）中具有高表達水平 ^[5]。強制表達 C-C 趨化因子受體 6 型 (CCR6) 導致 CAR-T 細胞向分泌 CCL20 的腫瘤細胞遷移。在肺癌異種移植小鼠模型中，過度表達 CCR6 的 CAR-T 細胞在注射後有效遷移並浸潤實體瘤，從而有效清除腫瘤並顯著提高小鼠的存活率。這項研究的結果為工程化趨化因子受體 CAR-T 細胞在實體瘤免疫治療中的臨床開發提供了支持數據。

圖。 6. CAR-T 細胞中 CCR6 的過度表達顯著增強了它們在實體瘤中的遷移和浸潤，從而提高了小鼠的存活率。

參考資料

【1】 Li, Q., Wei, D., Feng,F. et al. α2,6-linked sialic acid serves as a high-affinity receptorfor cancer oncolytic virotherapy with Newcastle disease virus. J CancerRes Clin Oncol 143, 2171–2181 (2017).

【2】 An, C., Li, H., Zhang, X.,Wang, J., Qiang, Y., Ye, X., Li, Q., Guan, Q., Zhou, Y.”Silencing of COPB2inhibits the proliferation of gastric cancer cells and induces apoptosis viasuppression of the RTK signaling pathway”. International Journal ofOncology 54.4 (2019): 1195-1208.

【3】 Zhenhua Zhang, Li Liu,Shousong Cao, Yizhun Zhu, Qibing Mei, Gene delivery of TIPE2 inhibits breastcancer development and metastasis via CD8+ T and NK cell-mediated antitumorresponses, Molecular Immunology, Volume 85, 2017, Pages 230-237, ISSN0161-5890.

【4】 Mei, Z, Zhang,K, Lam, AK‐Y,, et al. MUC1 as a target for CAR‐T therapy in head and neck squamous cell carinoma. CancerMed. 2020; 9: 640– 652.