NCB獸醫小讀書會

實驗動物科學 - 基礎篇 (P80-101)

陳敬元 Jing-Yuan Chen

國家生物模式中心 (National Center for Biotechnology)
國家實驗研究院 (National Institue of Applied Research)

April 14, 2026

Quiz review

實驗動物福祉中的 3Rs 原則是由 Russell 和 Burch 於 1959 年提出,分別代表替代 (Replacement)、減量 (Reduction) 與哪一個概念?

  • 責任 (Responsibility)
  • 精緻化 (Refinement)
  • 復原 (Rehabilitation)
  • 重複 (Repetition)

1909 年由 Clarence Little 利用連續全同胞配種(full-sib mating)所培育出的世界上第一個近親系小鼠品系名稱為何?

  • C57BL/6
  • BALB/c
  • DBA
  • AKR

國際實驗動物管理評鑑及認證協會(AAALAC International)最初於哪一年在美國成立?

  • 1950 年
  • 1959 年
  • 1965 年
  • 1986 年

根據美國《動物福祉法》(AWA) 規定,機構動物照護及使用委員會 (IACUC) 的成員總數不得少於幾人?

  • 2 人
  • 3 人
  • 5 人
  • 15 人

西元二世紀著名的醫生與生理學家,曾解剖豬與猿猴並宣稱必須利用動物實驗才能瞭解事實真理的學者是誰?

  • 亞里斯多德 (Aristotle)
  • 衣瑞斯川達斯 (Erasistratus)
  • 高林 (Galen)
  • 羅素 (Russell)

在精緻化原則下,若必須對小鼠施行剪爪 (Toe clipping) 識別法,規定必須在出生後幾天內進行?

  • 3 天
  • 5 天
  • 7 天
  • 14 天

目前國際認證與我國實驗動物管理指引中,判定動物照護及使用的基準主要是參考哪一本書的第八版?

  • 《動物福祉法》 (Animal Welfare Act)
  • 《實驗動物管理與使用指南》 (Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)
  • 《人道實驗技術原理》 (The Principles of Humane Experimental Technique)
  • 《動物生物醫學研究的國際指導原則》

3Rs 中的「減量」原則,除了減少使用數量外,也強調利用統計方法從一定數量的動物中獲取什麼?

  • 最高的存活率
  • 最大限度的資訊
  • 零疼痛的結果
  • 最短的實驗時間

在「替代」原則中,以演化程度較低等的動物取代有意識的脊椎動物進行實驗,屬於哪一種替代方式?

  • 絕對取代
  • 相對取代
  • 完全取代
  • 條件取代

「同基因動物」主要包含哪兩種類型?

  • 遠親系與 F2 雜交動物
  • 近親系與 F1 雜交動物
  • 常見近親系與同系近親系
  • 同源近親系與重組近親系

高通量篩選(HTS)技術在藥物研發中常被視為哪種 3Rs 的應用?

  • 替代 (Replacement)
  • 減量 (Reduction)
  • 精緻化 (Refinement)
  • 復原 (Rehabilitation)

今天的範圍(p.80–101)

  • 第二章結語:動物福祉
  • 第三章:
    • 管理篇的核心思維
    • 實驗動物物種的「選擇邏輯」

理解「為什麼這樣設計」

第二章 3R 的內涵

3Rs 的起源與核心精神

  • 起源:1959 年由 W.M.S. Russell 和 R.L. Burch 提出「人道實驗技術原理」。
  • 目的:在需要進行動物實驗時,提升科學研究品質並兼顧人道照護。
  • 三大核心 (3Rs)
    • 替代 (Replacement):採用無感知物質取代活脊椎動物。
    • 減量 (Reduction):使用最少動物量獲取精確資訊。
    • 精緻化 (Refinement):降低非人道處置或動物痛苦的發生率與嚴重度。

替代 (Replacement):理念與策略

  • 定義
    • 絕對取代:使用非動物系統(如電腦模型、離體細胞)。
    • 相對取代:以演化程度較低、無感知的生物取代高階脊椎動物。
  • 執行策略
    • 法規修正:免除不必要的測試(例如歐盟刪除異常毒性試驗)。
    • 資源共享:協調國際驗證,共享未發表數據,避免重複實驗。
    • 重新設計:利用現有數據重新檢視科學目標。

替代 (Replacement):具體落實方法

  • 理化預測:利用物質的物理化學特性(如 pH 值)預測生物效應。
  • 體外系統 (In vitro):使用器官晶片、組織切片、細胞或胞器培養。
  • 低階/無感知生物:使用細菌評估基因毒性,或使用未成熟魚幼體。
  • 人體臨床試驗:透過志願者、流行病學調查或非侵入性影像收集數據。
  • 教育模擬:利用互動軟體、影片或虛擬實境 (VR) 進行教學訓練。

減量 (Reduction):精準的實驗設計

  • 核心概念:最小化所需動物量,並從單一動物獲取最大數據,但不能以增加個體極端痛苦為代價
  • 實驗設計優化
    • 分層與先期實驗 (Pilot study):先小規模測試可行性與劑量,避免大規模失敗。
    • 統計學精算:諮詢統計學家,確保樣本數具有足夠統計效力。
    • 適當對照組:善用共用對照組或歷史數據,減少對照組動物需求。

減量 (Reduction):變異控制與資源最大化

  • 控制變異性
    • 選擇近親或同基因品系,標準化飼育環境與人員操作,以降低數據誤差。
  • 資源與組織共享
    • 冷凍保存暫不使用的基因改造品系 (生殖細胞或胚胎)。
    • 建立機構內組織共享平台,充分利用人道安樂死動物的剩餘器官。
  • 非侵入性技術 (精緻化促成減量)
    • 運用高解析影像設備 (如 MRI、電腦斷層),對同一動物進行長期追蹤,免去分批犧牲。

精緻化 (Refinement):從飼養到實驗的全面照護

  • 核心目標:確保動物具備正常生理與行為,並將痛苦降至最低。
  • 專業團隊與文化
    • 獸醫師、科學家與照護人員的跨領域合作。
    • 建立「關心動物福祉的文化」,提升辨識疼痛與異常跡象的能力。
  • 社會化與環境豐富化
    • 群群飼養:群居動物應有同伴,單獨飼養需具備科學理由並提供視覺/嗅覺交流。
    • 豐富化:提供木屑、躲藏屋、啃咬玩具等,滿足覓食、築巢與認知需求。

精緻化 (Refinement):實務操作與人道終點

  • 保定與標記
    • 縮短保定時間,透過適應訓練減少動物緊迫。
    • 使用痛覺最小的標記法 (如剪毛取代剪趾)。
  • 人道終點 (Humane Endpoints)
    • 定義:在動物承受超過必要痛苦,或已達科學目標時,立即介入處置的標準。
    • 執行指標:如明顯體重減輕、非預期病理反應。
    • 處置方式:停止實驗、給予止痛/支持療法或執行人道安樂死。

第二章 結語:動物福祉

3Rs 的核心精神

  • 改善福祉 vs. 科學品質
  • Harm-benefit analysis (HBA)1
    1. Whether the study is suitable for achieving a legitimate aim?
    2. Whether it is necessary?
    3. Whether it is adequate?
  • Key for
    • EU Directive 2010/63
    • US Guide for the Care and Use of Laboratory Animals

3Rs vs. 3Vs

科學效度 (Scientific validity)

  • 建構效度 Construct validity (cV):
    動物模型、測試或結果變數,是否能真實反映其旨在測量的特質。
  • 內部效度 Internal validity (iV):
    評估研究設計是否具備科學嚴謹性以避免偏誤。
  • 外部效度 External validity (eV):
    評估實驗結果是否能被重製並推廣到其他情境。

3Rs原則與延伸

3Rs

  • Replacement
  • Reduction
  • Refinement

More Rs

  • Responsibility:要對動物福祉有責任感

  • Rehabilitation:使動物結束實驗後能恢復其原有身心的健康狀況

    • Release
    • Rehoming
    • Retirement

Five Freedoms

Freedoms2 Provisions
Freedom from thirst, hunger and malnutrition By providing ready access to fresh water and a diet to maintain full health and vigour
Freedom from discomfort and exposure By providing an appropriate environment including shelter and a comfortable resting area
Freedom from pain, injury, and disease By prevention or rapid diagnosis and treatment
Freedom from fear and distress By ensuring conditions and treatment which avoid mental suffering
Freedom to express normal behaviour By providing sufficient space, proper facilities and company of the animal’s own kind
  1. Mellor DJ. Animals 2016, 6(10):59. https://doi.org/10.3390/ani6100059

兩大福祉評估指標

環境管理 動物表現
評估焦點 外部給以的硬體與資源條件 內在身心狀態與個體直接表現
精準度 僅反映基本福祉門檻 直接反映管理漏洞與真實問題
資源與成本 評分較少資源,易標準化 需極高的時間與紀錄成本
法規畫參考基準 農委會 2018 「實驗動物照護及使用指引」 歐盟 Welfare Quality (2009) 福祉品質計畫

從理論到實踐:如何觀測「動物表現」?

良好飼養 (Good Feeding)

營養狀態與水分攝取的直接生理體現。

良好房舍 (Good Housing)

休息品質與熱舒適度(Thermal comfort)的行為觀察。

良好健康 (Good Health)

無疾病、無痛楚的生理指標與臨床外觀。

適當行為 (Appropriate Behavior)

社交行為、情緒狀態以及正面的人員互動。

  • 參考歐盟 Welfare Quality (2009) 提倡的 4 大動物福祉原則
  • 此 4 大原則可進一步展開為 12 個評估要件,全面落實實驗動物的個體福祉評估。

Twelve criteria of the Welfare Quality

Welfare Quality Principles3 Welfare Quality Criteria Five Freedoms
Good Feeding Absence of prolonged hunger Related to Freedom from hunger and thirst
Absence of prolonged thirst
Good Housing Confort around resting Related to Freedom from discomfort
Thermal confort
Ease of movement
Good Health Absence of injuries Related to Freedom from pain, injury or disease
Absence of diseases
Absence of pain induced by management
Appropriate Behaviour Social Behavior Related to Freedom to express normal behaviour
Other behaviors Related to Freedom to express normal behaviour
Human animal relationship Not directly related to any freedom
Absence of fear (2004–2007) Related to Freedom from fear and distress
Positive emotional state (since 2008) Not directly related to any freedom
  1. Dalmau, A. Animals 2025, 15, 2854. https://doi.org/10.3390/ani15192854

結論與展望

  • 統整出從設施管理者到社會大眾,皆有共同落實動物保護及福祉的責任
  • 實驗動物設施管理者、照護及使用委員會或小組成員、動物照護人員、研究人員、動物保護檢查員、實驗動物專家學者、動物保護團體以及任何關心動物的社會大眾

第三章 管理篇

第三章 管理篇的核心思維

  • 管理的核心理念與目標:
    • 強調「維護動物福祉與提升實驗品質的雙重目的」
    • 推動以「效能標準(performance standards)」為主的照護觀念
  • 實務管理的各項範疇:
    • 涵蓋實驗動物的遺傳育種
    • 利用統計學來優化與最小化動物使用數量的「實驗設計」
    • IACUC(動物實驗照護及使用委員會)的法規審查
    • 疼痛減緩與人畜共通傳染病防護等「醫療照護」管理

管理的梅比斯環

六項主題

常見實驗動物物種
表格重整

實驗動物種類

  • 囓齒類 (Rodents):包含大鼠、小鼠、天竺鼠、倉鼠、沙鼠。
  • 兔類 (Rabbits):如紐西蘭大白兔、荷蘭兔、日本大白兔。
  • 中大型經濟動物:豬、牛、羊、馬、雞。
  • 犬類 (Dogs):以米格魯 (Beagle) 為主。
  • 非人類靈長類 (NHP):如臺灣獼猴、恆河猴。
  • 水生動物:包含魚類(斑馬魚)、兩棲類(青蛙)及頭足類(章魚、烏賊)。
  • 野生動物:依特定研究需求選用。例如:鸚鵡

2024 實驗動物使用

基礎生理與解剖特徵

動物名稱 染色體對數 主要生理特徵與數值
小鼠 20 對 視力差、對強光噪音敏感;心率 310~840 次/分。
大鼠 21 對 缺乏膽囊、無嘔吐反應;心率 320~480 次/分。
倉鼠 敘利亞 22 對 / 黑線 11 對 口腔具頰囊;天性敏感易攻擊;心率 380~410 次/分。
天竺鼠 32對 缺乏合成維生素 C 能力;具食糞特性;對抗生素極具敏感性;心率 150~400 次/分。
兔子 22 對 交配誘發排卵;具較大淋巴結與眼睛;心率 130~325 次/分。
39 對 免疫系統比囓齒類完整;心率 77~150 次/分;血壓收縮壓 120~130 mmHg。
19 對 皮膚、腸胃、心血管、泌尿與呼吸系統結構與人類相近;心率 70 次/分。
39 對 能提供巨大的單一細胞(卵/雞蛋)作為良好的實驗對象。
綿羊 27 對 / 山羊 30 對 綿羊遇危險會集體躲避,心率 75 次/分;山羊較具獨立性且易互動,心率 140 次/分。
32 對 屬於大型經濟動物,具備抗毒蛇毒液的能力。
30 對 反芻草食性動物,消化研究與人類差異大;成年心率 60 次/分,呼吸 24 次/分。
斑馬魚 25 對 受精胚胎呈透明狀,發育極快;24 小時內心臟循環系統即發育完成。
非人類靈長類 21 對 生理與人類遺傳相似度最高可達 98.5%;以獼猴為例,心率約 105~150 次/分。

哺乳類實驗動物的生殖週期

動物名稱 性成熟時間 妊娠期 / 生殖週期特徵
小鼠 約 6–8 週齡 妊娠期約 19–21 天/發情週期約 4–5 天
大鼠 約 8–10 週齡 妊娠期約 21–23 天/發情週期約 4–5 天
倉鼠 約 6–8 週齡 妊娠期約 15–16 天/發情週期約 4 天
天竺鼠 雌性約 2 個月/雄性約 2–3 個月 妊娠期約 59–72 天/發情週期約 15–17 天
兔子 約 4–6 月齡 妊娠期約 30–32 天/誘發排卵,無固定發情週期
約 6–12 月齡 妊娠期約 58–68 天(平均約 63 天)/每年約 1–2 次發情
約 5–8 月齡 妊娠期約 114 天/發情週期約 21 天
約 5–8 月齡 妊娠期約 145–155 天/發情週期約 17 天
約 12–18 月齡 妊娠期約 335–345 天/發情週期約 21 天
約 8–12 月齡(多於 14–16 月齡配種) 妊娠期約 280 天/發情週期約 21 天

鳥類、魚類與非人類靈長類的生殖特性

動物名稱 性成熟時間 生殖週期特徵
約 18–24 週齡 無妊娠期;排卵間隔約 24–26 小時,受光照週期明顯影響
斑馬魚 約 3–4 個月 無妊娠期;可頻繁產卵,常於晨間受光刺激後產卵
非人類靈長類 約 3–5 年 妊娠期約 160–170 天;月經或性週期約 28–32 天(以獼猴類為例)

研究應用與特殊品系總表

動物名稱 主要研究應用領域 特殊品系或種類
小鼠 遺傳操作技術模型、免疫學研究 C57BL/6、BALB/c、C3H、NOD-SCID、ICR (CD-1) 等。
大鼠 生物製劑、毒理試驗、藥物與移植器官研究 Wistar (白化)、Sprague-Dawley (SD)、Long-Evans 等。
倉鼠 齒科研究、遺傳模型研究 黃金鼠、黑線倉鼠。
天竺鼠 傳染病模型 (如沙門氏桿菌)、毒理、組織相容性 Dunkin-Hartly。
兔子 致熱原檢測、動脈粥狀硬化、阿茲海默症、眼科研究 紐西蘭大白兔 (New Zealand White)、荷蘭兔。
心血管、免疫、腫瘤研究、藥物與醫材安全性測試 米格魯 (Beagle)、獵犬 (Mongrels/Hounds)。
人類相關疾病研究、安全性測試 (致畸性試驗) 三品系豬、哥廷根、蘭嶼豬 (臺灣特有種)、李宋豬 等。
大規模疫苗製備 (如流感疫苗)、胚胎發育、腫瘤學(Rous sarcoma) (未特別列出品系)。
早期研究與一般生理實驗、與人類互動度不同的觀察 綿羊、山羊。
抗蛇毒血清製備、人工關節品質檢測平台 大型經濟動物。
蛋白質突變與基因變異研究 (未特別列出品系)。
斑馬魚 環境監測、毒理、發育、老化與基因改造研究 斑馬魚。
非人類靈長類 免疫、行為、毒理、心血管、老化及內分泌等無可替代之研究 臺灣獼猴 (原生特有種)、日本獼猴 等。