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実験用マウスまたはラボマウスは、齧歯目に属する小型哺乳類で、科学研究や特定のペットの餌として飼育・利用されています。これらのマウスの実験動物源は通常、Mus musculus種です。これらは最も一般的に使用されている哺乳類の研究モデルであり、遺伝学、生理学、心理学、医学、その他の科学分野の研究に使用されています。マウスは、ヒトを含むEuarchontogliresクレードに属しています。この近縁関係、ヒトとの高い相同性、飼育と取り扱いの容易さ、および高い繁殖率により、マウスはヒトを対象とした研究に特に適したモデルとなっています。実験用マウスのゲノムは配列決定されており、多くのマウス遺伝子にはヒトの相同遺伝子があります。[ 1 ]実験用マウスは、ヘビの餌としてペットショップで販売されており、ペットとして飼育することもできます。
実験室での研究に用いられる他のマウス種としては、アメリカ原産のシロアシネズミ（Peromyscus leucopus ）とヒガシシカネズミ（Peromyscus maniculatus）の2種が挙げられる。
マウスは17世紀以来、生物医学研究に用いられてきた。ウィリアム・ハーヴェイは生殖と血液循環の研究にマウスを用い、ロバート・フックは気圧上昇の生物学的影響を調査するためにマウスを用いた。[ 2 ] 18世紀には、ジョセフ・プリーストリーとアントワーヌ・ラヴォアジエがともにマウスを用いて呼吸を研究した。19世紀には、グレゴール・メンデルがマウスの毛色の遺伝に関する初期の研究を行ったが、上司から「臭い生き物で、しかも交尾してセックスをする」マウスを自分の独房で飼育するのをやめるよう求められた。[ 2 ]その後、研究対象をエンドウ豆に移したが、彼の観察結果はやや無名の植物学雑誌に掲載されたため、20世紀初頭に再発見されるまで35年以上もの間、事実上無視されていた。 1902年、リュシアン・キュエノは、メンデルの遺伝法則が動物にも当てはまることを示すマウスを用いた実験結果を発表した。この結果はすぐに確認され、他の種にも拡張された。[ 2 ]
20世紀初頭、ハーバード大学の学部生クラレンス・クック・リトルは、ウィリアム・アーネスト・キャッスルの研究室でマウスの遺伝学の研究を行っていた。リトルとキャッスルは、高級マウスやラットのブリーダーで、ネズミ愛好家やエキゾチックペットの飼育者に販売し、後に科学研究者にも大量に販売し始めたアビー・ラスロップと密接に協力した。[ 3 ]彼らは協力して、DBA（希釈、褐色、非アグーチ）近交系マウス系統を作り出し、系統的な近交系系統の作出を開始した。[ 4 ]それ以来、マウスはモデル生物 として広く利用され、20世紀と21世紀の多くの重要な生物学的発見と関連付けられている。[ 2 ]
メイン州バーハーバーにあるジャクソン研究所は、現在、世界最大の実験用マウス供給機関の1つであり、年間約300万匹のマウスを供給している。[ 5 ]また、同研究所は、8,000系統以上の遺伝的に定義されたマウスの世界的な供給源であり、マウスゲノム情報データベースの本拠地でもある。[ 6 ]
雌雄ともに生後約50日で繁殖が始まりますが、雌は25～40日で最初の発情を迎えることがあります。マウスは多発情性で、一年中繁殖します。排卵は自然発生的です。発情周期は4～5日間で、夕方に約12時間続きます。膣スメアは、発情周期の段階を判断するために、タイミングを合わせた交配で役立ちます。交配後24時間以内であれば、膣内に交尾栓が存在することで交配を確認できます。膣スメアに精子が存在することも、交配の確実な指標となります。[ 7 ]
平均妊娠期間は20日です。出産後14～24時間後に発情期が訪れ、授乳と妊娠が同時に起こると着床が遅れるため妊娠期間が3～10日長くなります。最適な産子数は平均10～12匹ですが、これは系統によって大きく異なります。一般的に、近交系マウスは非近交系マウスや雑種マウスよりも妊娠期間が長く、産子数が少ない傾向があります。生まれたばかりの子マウスは「パップ」と呼ばれ、出生時の体重は0.5～1.5g （0.018～0.053オンス）で、毛がなく、まぶたと耳は閉じています。パップは生後3週間で離乳し、その時点での体重は約10～12g（0.35～0.42オンス）です。雌が出産後の発情期に交尾しない場合、離乳後2～5日で発情周期が再開します。[ 7 ]
新生児のオスは、肛門生殖器間距離が大きく、生殖乳頭が大きい点で新生児のメスと区別されます。これは通常、同腹仔の尾を持ち上げて会陰部を比較することで観察されます。[ 7 ]
ネズミは、真主齧類（祖先とそのすべての子孫からなるグループ）に属する哺乳類であり、ウサギ形類、ツパイ、ヒヨケザルなどとともに、霊長類以外の動物の中でヒトに最も近い親戚にあたります。
実験用マウスは、ハツカネズミと同じ種ですが、行動や生理機能が大きく異なることがよくあります。数百の確立された近交系、異系交配系、および遺伝子組み換え系統があります。げっ歯類に関して言えば、系統とは、すべてのメンバーが遺伝的に可能な限り同一であるグループのことです。実験用マウスでは、これは近交によって達成されます。このタイプの集団を持つことで、遺伝子の役割に関する実験や、遺伝的変異を要因として除外した実験を行うことができます。対照的に、異系交配集団は、同一の遺伝子型が不要な場合、または遺伝的変異のある集団が必要な場合に使用され、通常は系統ではなくストックと呼ばれます。[ 8 ] [ 9 ] 400を超える標準化された近交系が開発されています。
ほとんどの実験用マウスは、異なる亜種の交雑種であり、最も一般的なのはイエネズミとヨーロッパネズミの交雑種です。実験用マウスは、アグーチ、黒、アルビノなど、さまざまな毛色を持つことができます。多くの（すべてではない）実験用系統は近交系です。異なる系統は、特定の文字と数字の組み合わせで識別されます。たとえば、C57BL/6とBALB/cです。このような近交系の最初の系統は、マウスを実験動物として普及させる上で影響力のあるクラレンス・クック・リトルによって 1909 年に作られました。 [ 10 ] 2011 年に、米国で供給された実験用げっ歯類の推定 83% が C57BL/6 実験用マウスでした。[ 11 ]
実験用マウスのゲノム配列決定は、C57BL/6系統を用いて2002年後半に完了した。これは、ヒトに次いで2番目に配列決定された哺乳類のゲノムである。[ 11 ] 半数体ゲノムは約30億塩基対（19本の常染色体と1本または2本の性染色体に分布する3,000 Mb）の長さであり、ヒトゲノムのサイズに等しい。 マウスゲノムに含まれる遺伝子の数を推定することは困難である。これは、遺伝子の定義がまだ議論され、拡張されているためである。実験用マウスの現在の主要なコード遺伝子の数は23,139である。[ 12 ]ヒトでは推定20,774である。[ 12 ]
様々な変異マウス系統が、数多くの方法によって作製されてきた。利用可能な多くの系統の中から、ごく一部を挙げると以下のようになる。
1998年以降、成体動物由来の細胞からマウスをクローン化することが可能になった。
研究には多くの系統のマウスが使用されていますが、ほとんどの分野では近交系マウスが好んで用いられます。近交系マウスは、少なくとも20世代にわたる兄弟姉妹交配によって生まれたものであり、すべての個体が単一の繁殖ペアから派生したものであると定義されています。[ 15 ]
近交系マウスには、研究目的に理想的な特性がいくつかあります。同質遺伝子であるため、すべての動物は遺伝的にほぼ同一です。[ 16 ]ゲノム内の遺伝子座の約98.7%がホモ接合であるため、問題を引き起こす可能性のある「隠れた」劣性形質はおそらく存在しません。[ 16 ]また、この安定性により、表現型も非常に均一です。 [ 16 ]
多くの近交系系統は、特定の研究に適した特性が十分に解明されています。以下の表は、ジャクソン研究所が発表した最も人気のある系統トップ10を示しています。
ジャクソン研究所のDO（Diversity Outbred）プロジェクト[ 30 ]は、複数の近交系創始系統を用いて遺伝的に多様なマウス集団を科学研究に利用するマウス繁殖プログラムです。
これらのマウスは精密な遺伝子マッピング用に設計されており、マウスゲノムの遺伝的多様性の大部分を捉えています。 [ 31 ]
このプロジェクトにより、肥満、癌、糖尿病、アルコール使用障害などの疾患の遺伝的要因を特定するために使用された、1,000匹以上の遺伝的に多様なマウスが得られました。[ 32 ]
実験用マウスは、イエネズミの身体的特徴や行動特性を多く保持していますが、何世代にもわたる人為選択の結果、これらの特性の一部は著しく変化しています。実験用マウスの系統は非常に多いため、すべての系統の外見や行動を網羅的に記述することは現実的ではありませんが、以下に最も一般的に使用されている2つの系統について説明します。
C57BL/6マウスは濃い茶色、ほぼ黒色の毛皮を持つ。BALB /cなどのよりおとなしい実験用系統に比べて、騒音や臭いに敏感で、噛みつく可能性が高い。[ 38 ]
グループ飼育されたC57BL/6マウス（および他の系統）は、かつて優位性の兆候と見なされていた毛づくろい行動を示します。しかし、現在ではこれはストレスによって引き起こされる定型的な行動であり、人間の抜毛症やオウムの羽むしりに似ていることがわかっています。 [ 39 ]広範囲に毛づくろいされたマウスは、体に大きな禿げた部分ができ、一般的には頭、鼻、肩の周りに見られますが、毛づくろいは体のどこにでも現れる可能性があります。また、自己毛づくろいも起こり得ます。毛と触毛の両方が除去される可能性があります。毛づくろいは雌マウスでより頻繁に見られ、雄マウスは闘争によって優位性を示す可能性が高いです。[ 40 ]
C57BL/6 にはいくつかの特異な特徴があり、一部の研究には有用ですが、他の研究には不向きです。痛みや寒さに異常に敏感で、鎮痛薬の効果が低いのです。[ 41 ]ほとんどの実験用マウス系統とは異なり、C57BL/6 は自発的にアルコール飲料を飲みます。モルヒネ中毒、動脈硬化、加齢に伴う難聴に平均よりもかかりやすいのです。[ 11 ] BALB/c マウスと直接比較すると、C57BL/6 マウスは社会的報酬に対する強い反応[ 42 ] [ 43 ]と共感[ 44 ]の両方を示します。
BALB/cは、多くの一般的な亜系統の由来となった、実験室で繁殖されたアルビノ系統です。1920年以来200世代以上にわたって繁殖されてきたBALB/cマウスは世界中に分布しており、動物実験で最も広く使用されている近交系系統の1つです。[ 45 ]
BALB/cは高いレベルの不安を示し、食事誘発性動脈硬化症に対して比較的抵抗性があることで知られており、心血管研究の有用なモデルとなっている。[ 46 ] [ 47 ]
BALB/c マウスのオスは攻撃的で、一緒に飼育すると他のオスと喧嘩をします。しかし、BALB/Lac 亜系統ははるかにおとなしいです。[ 48 ]ほとんどの BALB/c マウス亜系統は繁殖寿命が長いです。[ 45 ]
BALB/cの亜系統間には顕著な違いが見られるが、これらは遺伝子汚染ではなく突然変異によるものと考えられている。 [ 49 ] BALB/cWtは、子孫の3%が真の雌雄同体を示すという点で特異である。[ 50 ]
実験室でアルツハイマー病（AD）の有用なモデルとして、Tg2576系統のマウスが挙げられます。この系統（スウェーデン変異とも呼ばれる）では、ヒトのアミロイド前駆体タンパク質（APP）の695スプライスバリアントに見られるK670MとN671Lの二重変異が発現しています。主にニューロンに存在するハムスタープリオンタンパク質遺伝子プロモーターが、この発現を駆動します。非トランスジェニック同腹仔と比較すると、Tg2576マウスではAβ40が5倍、Aβ42/43が10～15倍増加します。[ 51 ] [ 52 ]これらのマウスは、脳内にマウス本来のAPPよりも約5倍のトランスジェニック変異ヒトAPPが存在するため、細胞性炎症反応に関連した老人斑を発症します。このマウスは、加齢に伴うアミロイド線維の生成増加、プラーク形成、海馬の学習と記憶の障害など、アルツハイマー病（AD）の主な特徴を示します。Tg2576マウスは、加齢に伴うアミロイド形成と作業記憶障害を示すものの、神経変性を示さないため、初期段階のADの良いモデルです。[ 53 ]細胞死がないことから、学習とシナプス可塑性に関与する典型的な細胞シグナル伝達カスケードの変化が、おそらく記憶表現型に関連していることが示唆されます。
Tg2576マウスとA246E FAD変異を持つPSEN1トランスジェニック動物を交配させると、連合学習障害が悪化する。この交配は中枢神経系におけるアミロイドの蓄積とプラーク形成を促進する。このことから、アルツハイマー病の発症機序はAPPとPSEN1遺伝子産物の相互作用によって影響を受けるという説が裏付けられる。
Tg2576マウスは細胞死を伴う末期ADを完全に再現するわけではないが、この疾患の生理学および生化学を研究するためのプラットフォームを提供する。トランスジェニックマウスモデルを利用することで、研究者はAβペプチドの産生に関与する遺伝子産物間の複雑な関係を理解することにより、AD研究を進展させることができる。[ 53 ]
従来、実験用マウスは尾の付け根を持って持ち上げられてきた。しかし、最近の研究では、この方法では不安や嫌悪行動が増加することが示されている。[ 54 ]代わりに、トンネルや手のひらをすくった状態でマウスを扱うことが推奨されている。行動テストでは、尾を持って持ち上げられたマウスは、トンネルを持って持ち上げられたマウスに比べて、探索やテスト刺激の調査に対する意欲が低いことが示されている。トンネルを持って持ち上げられたマウスは、容易に探索し、テスト刺激に対して強い反応を示す。[ 55 ]
自然界では、ネズミは通常草食動物で、さまざまな果物や穀物を食べます。[ 56 ]しかし、実験室での研究では、生物学的変動を避けることが通常必要であり、そのためには、実験用マウスにはほぼ常に市販のペレット状のマウス用飼料のみが与えられます。食物摂取量は、体重100gあたり1日約15g 、水分摂取量は、体重100gあたり1日約15mlです。[ 7 ]
実験用マウスへの注射の投与経路は主に皮下、腹腔内、静脈内である。筋肉量が少ないため、筋肉内投与は推奨されない。 [ 57 ]脳内投与も可能である。各投与経路には、推奨される注射部位、おおよその針のゲージ、および1回に1箇所に注射できる推奨最大量が以下の表に示されている。
尾への静脈注射を容易にするために、実験用マウスをヒートランプで注意深く温めて血管を拡張させることができる。 [ 57 ]
ハツカネズミの全身麻酔の一般的な方法は、ケタミン（ 体重1kgあたり100mg）とキシラジン（体重1kgあたり5～ 10mg）を腹腔内投与することです。[ 59 ]効果の持続時間は約30分です。[ 59 ]
実験用マウスの安楽死に承認されている手順には、圧縮CO2ガス、注射用バルビツール酸系麻酔薬、ハロタンなどの吸入麻酔薬、頸椎脱臼や断頭などの物理的方法が含まれます。[ 60 ] 2013年に米国獣医学協会はCO2導入に関する新しいガイドラインを発表し、実験用マウスの安楽死には10～30%の流量が最適であると述べています。[ 61 ]
実験用マウスは、さまざまな自然病原体に感染する可能性があり、多くの場合、明らかな病気を引き起こさないものの、実験結果が変化するリスクがあります。意図的な検査と繁殖により、発生率は大幅に減少しました。[ 62 ]
ヒトの感染症は多岐にわたり、実験用マウスに感染させることができ、マウスは研究用の疾患モデル動物となる。マウスに自然に感染しない疾患については、遺伝子組み換え技術を用いて、感染に必要なヒト遺伝子（多くの場合、細胞表面受容体）を発現するヒト化マウスを作製することができる。[ 63 ]
最近の研究では、調査対象となった米国と日本の研究所の半数以上で飼育されている実験用マウスからマウスアストロウイルスが検出された。マウスアストロウイルスは、 NSG、NOD-SCID、NSG-3GS、C57BL6 - Timp-3 −/−、uPA-NOG、B6J、ICR、Bash2、BALB/Cを含む9系統のマウスで、様々な程度の蔓延率で発見された。マウスアストロウイルスの病原性は不明であった。[ 64 ]これらのアストロウイルスは、哺乳類に感染するウイルスを含むママストロウイルス属に属していた。免疫能を有するマウスにおける感染の経過は、免疫能を有するヒトにおける無症状のアストロウイルス感染の経過に類似しており、このシステムは有用な疾患モデルとなっている。[ 65 ]
英国では、他のすべての脊椎動物および一部の無脊椎動物と同様に、「痛み、苦しみ、苦痛、または永続的な害」を引き起こす可能性のある科学的手順はすべて、1986 年動物（科学的手順）法に基づき内務省によって規制されています。英国の規制は、世界で最も包括的かつ厳格な規制の一つと考えられています。[ 66 ]英国での研究における実験用マウス（およびその他の種）の使用に関する詳細なデータは、毎年公表されています。[ 67 ] 2013 年、英国では、同法に基づいて認可された科学的手順施設でマウスに対して実施された規制対象の手順は合計 3,077,115 件でした。[ 68 ]
米国では、実験用マウスは、USDA APHISが管理する動物福祉法では規制されていません。しかし、国立衛生研究所が管理する公衆衛生サービス法(PHS) では、マウスの飼育と使用に関する基準が定められています。PHS を遵守することは、研究プロジェクトが連邦政府の資金援助を受けるために必要です。PHS の方針は、実験動物福祉局によって管理されています。多くの学術研究機関は、実験動物ケアの評価と認定協会を通じて自主的に認定を受けようとしており、同協会は、実験動物の飼育と使用に関するガイドおよび PHS の方針に記載されている飼育基準を維持しています。ただし、この認定は、実際の遵守とは異なり、連邦政府の資金援助を受けるための前提条件ではありません。[ 69 ]
マウスは生物医学研究において最も広く使用されている動物であるが、最近の研究ではその限界が強調されている。[ 70 ]例えば、敗血症[ 71 ] [ 72 ]、火傷[ 72 ]、炎症[ 72 ]、脳卒中[ 73 ] [ 74 ]、ALS [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] 、アルツハイマー病[ 78 ]、糖尿病[ 79 ] [ 80 ]、癌[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] 、多発性硬化症[ 86 ]、パーキンソン病[ 86 ]、その他の疾患の検査におけるげっ歯類の有用性は、多くの研究者によって疑問視されている。マウスを使った実験に関して、一部の研究者は、研究におけるこれらの動物の使用にこだわりすぎた結果、「誤った手がかりを追って何年も何十億ドルものお金が無駄になった」と不満を述べている。[ 70 ]
マウスはヒトとはいくつかの免疫特性が異なります。マウスはヒトよりも一部の毒素に対する抵抗力が高く、血液中の好中球の総分画が少なく、好中球の酵素活性が低く、補体系の活性が低く、炎症過程に関与するペントラキシンのセットが異なり、 IL-8、IL-37、TLR10、ICAM-3などの免疫系の重要な構成要素の遺伝子を欠いています。[ 71 ]特定病原体フリー（SPF）条件下で飼育された実験用マウスは、通常、記憶T細胞が不足している未熟な免疫系を持っています。これらのマウスは、免疫系と病理学的状態の発症に直接影響を与える微生物叢の多様性が限られている可能性があります。さらに、持続的なウイルス感染（例えば、ヘルペスウイルス）はヒトでは活性化されますが、敗血症合併症を伴うSPFマウスでは活性化されず、細菌の同時感染に対する抵抗力を変化させる可能性があります。 「汚れた」マウスは、ヒトの病理を模倣するのに適している可能性がある。さらに、研究の圧倒的多数では近交系マウス系統が使用されているが、ヒト集団は不均一であるため、系統間ハイブリッド、異系交配、非線形マウスを用いた研究の重要性が示唆される。 [ 71 ]
『ザ・サイエンティスト』誌の記事では、「ヒトの疾患に動物モデルを使用する際の困難は、ヒトと他の生物との間の代謝、解剖学的、細胞的な違いに起因するが、問題はそれよりもさらに根深く、試験自体の設計と実施に関する問題も含まれる」と指摘している。[ 74 ]さらに、実験動物を檻に入れると、これらの動物は日々の経験、主体性、克服できる課題に変化がないため、ヒトの健康のモデルとして不適切になる可能性がある。[ 87 ]小さなマウスの檻の中の劣悪な環境は、特に精神衛生や健全な心理状態に依存するシステムの研究に関して、生物医学的結果に悪影響を及ぼす可能性がある。[ 88 ]
例えば、研究者らは、実験室の多くのマウスが過剰な食事と最小限の運動によって肥満になり、生理機能や薬物代謝が変化することを発見した。[ 89 ]マウスを含む多くの実験動物は慢性的なストレスにさらされており、これも研究結果やヒトへの正確な外挿能力に悪影響を及ぼす可能性がある。[ 90 ] [ 91 ]また、研究者らは、マウスを用いた多くの研究は設計が不十分であり、疑わしい結果につながることを指摘している。[ 74 ] [ 76 ] [ 77 ]
いくつかの研究では、動物実験における不十分な公開データが再現不可能な研究につながる可能性があり、実験の実施方法に関する詳細が発表論文から省略されていたり、バイアスを導入する可能性のあるテストの違いがあったりすることが示唆されています。隠れたバイアスの例としては、マギル大学の2014年の研究があり、女性ではなく男性が扱ったマウスの方がストレスレベルが高いことが示唆されています。[ 92 ] [ 5 ] [ 93 ] [ 94 ] 2016年の別の研究では、マウスの腸内細菌叢が科学研究に影響を与える可能性があることが示唆されています。[ 95 ]
遺伝子改変マウスの世界市場は、2022年までに15億9000万ドルに成長し、年間7.5%の割合で拡大すると予測されている。[ 96 ]
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