실험실 쥐

1. 개요

실험실 쥐는 17세기부터 생의학 연구에 사용되어 온 집쥐로, 유전학, 생리학, 질병 연구 등 다양한 분야에서 중요한 모델 생물체이다. 쥐는 다발정 동물로 연중 번식이 가능하며, 수많은 근교계, 교배, 유전자 변형 계통이 존재한다. 잭슨 연구소는 세계 최대의 실험용 쥐 공급업체 중 하나이며, 다양한 유전적 특성을 가진 쥐 계통을 제공한다. 실험실 쥐는 유전체 연구, 돌연변이 및 형질전환 연구에 활용되며, 사육 관리, 주사 방법, 마취 및 안락사 방법 등이 규정되어 있다. 영국과 미국을 비롯한 여러 국가에서 실험동물 사용에 대한 법규가 존재하며, 실험실 쥐는 인간과의 생물학적 차이로 인해 연구의 한계점도 지적된다. 유전자 변형 쥐의 세계 시장은 지속적으로 성장하고 있다.

2. 역사

쥐는 17세기부터 생의학 연구에 사용되었다. 윌리엄 하비는 쥐를 사용하여 생식과 혈액 순환에 대한 연구를 수행했고, 로버트 훅은 쥐를 사용하여 공기압 증가에 따른 생물학적 결과를 조사했다. 18세기에는 조지프 프리스틀리와 앙투안 라부아지에가 모두 쥐를 사용하여 호흡계를 연구했다. 19세기에 그레고르 멘델은 쥐의 털 색깔을 연구하여 유전에 대한 초기 조사를 수행했지만, 그의 상관은 그에게 "냄새나는 생물체, 게다가 성행위를 하는" 쥐를 사육하는 것을 중단하라고 요청했다. 그는 이후 완두콩으로 연구를 전환했지만, 그의 관찰 결과는 다소 생소한 식물학 저널에 게재되어 20세기 초에 재발견되기 전까지 35년 이상 거의 무시되었다. 1902년 뤼시앵 퀴노는 쥐를 사용한 실험 결과를 발표하여 멘델의 유전 법칙이 동물에게도 유효하다는 것을 보여주었다.

20세기 초, 하버드 대학교 학부생 클래런스 쿡 리틀은 윌리엄 어니스트 캐슬의 실험실에서 쥐 유전학에 대한 연구를 수행하고 있었다. 리틀과 캐슬은 애비 래스로프와 긴밀히 협력했는데, 그녀는 애완용 쥐와 쥐를 사육하여 설치류 애호가와 이국적인 애완동물 사육자에게 판매했으며, 이후 과학 연구자에게 대량으로 판매하기 시작했다. 그들은 함께 DBA(희석, 갈색 및 비아구티) 근교 쥐 계통을 생성하고 근교 계통의 체계적인 생성을 시작했다. 쥐는 이후 모델 생물체로 광범위하게 사용되었으며 20세기와 21세기의 많은 중요한 생물학적 발견과 관련되어 있다.

잭슨 연구소는 메인주 바 하버에 위치하고 있으며, 현재 연간 약 300만 마리의 쥐를 공급하는 세계 최대의 실험용 쥐 공급업체 중 하나이다. 이 연구소는 또한 8,000개 이상의 유전자형 쥐 계통의 세계적인 공급원이며, 마우스 게놈 정보학 데이터베이스의 본거지이다.

2.1. 한국에서의 실험동물 역사와 윤리 논쟁

3. 생식

쥐는 다발정 동물로 연중 번식이 가능하다. 암컷과 수컷 모두 약 50일 경에 번식을 시작하지만, 암컷은 25~40일 사이에 첫 발정을 경험할 수 있다. 발정 주기는 4~5일이며 약 12시간 지속되고 저녁에 발생한다. 질 도말 검사는 발정 주기의 단계를 결정하는 데 유용하다. 교미는 교미 후 최대 24시간 동안 질 내에 교미 마개가 있는지 확인하거나, 질 도말 검사에서 정자가 발견되는 것을 통해 확인할 수 있다.

4. 유전학 및 계통

실험용 쥐는 집쥐와 같은 종이지만, 행동과 생리학에서 종종 매우 다르다. 수백 개의 확립된 근교계, 교배, 유전자 변형 계통이 있다. 설치류와 관련하여 계통은 모든 구성원이 가능한 한 유전적으로 동일한 그룹이다. 실험용 쥐에서는 근친 교배를 통해 이를 달성한다. 이러한 유형의 개체군을 통해 유전자의 역할에 대한 실험을 수행하거나 유전적 변이를 요인으로 배제하는 실험을 수행할 수 있다. 반대로, 동일한 유전자형이 필요하지 않거나 유전적 변이가 있는 개체군이 필요한 경우 교배 개체군을 사용하며, 일반적으로 "계통"보다는 "종"이라고 한다.

대부분의 실험용 쥐는 다양한 아종의 잡종으로, 가장 흔하게는 Mus musculus domesticus와 Mus musculus musculus이다. 실험용 쥐는 아구티, 검정색, 알비노를 포함한 다양한 털 색깔을 가질 수 있다. 많은 (하지만 모든 것은 아님) 실험용 계통이 근교계이다. 다른 계통은 특정 문자-숫자 조합으로 식별된다. 예를 들어 C57BL/6 및 BALB/c가 있다. 최초의 이러한 근교계 계통은 1909년 쥐를 실험실 유기체로 홍보하는 데 영향력이 컸던 클래런스 쿡 리틀에 의해 생산되었다. 2011년에는 미국에서 공급되는 실험용 설치류의 약 83%가 C57BL/6 실험용 쥐로 추정되었다.

연구에 사용되는 계통의 생쥐는 많지만, 대부분의 분야에서는 근교 계통이 일반적으로 선호되는 동물입니다. 근교 쥐는 최소 20세대 이상의 형제 X 자매 교배의 결과로, 모든 개체가 단일 번식 쌍에서 파생된 것으로 정의됩니다. 근교 쥐는 연구 목적에 이상적인 몇 가지 특징을 가지고 있다. 그들은 모든 동물이 거의 유전적으로 동일하다는 것을 의미하는 동계이다. 유전자형의 약 98.7%가 동형 접합이므로 문제를 일으킬 수 있는 "숨겨진" 열성 형질은 없을 것이다. 또한 이러한 안정성으로 인해 매우 통일된 표현형을 가지고 있다.

많은 근교 계통은 특정 유형의 연구에 이상적인 잘 문서화된 특성을 가지고 있다.

4.1. 유전체

실험실 쥐 게놈의 염기 서열 분석은 2002년 C57BL/6 계통을 사용하여 완료되었으며, 이는 인간 게놈 해독에 이어 두 번째로 이루어진 포유류 게놈 해독이었다. 반수체 게놈은 약 30억 염기쌍으로, 19개의 상염색체와 1개 또는 2개의 성염색체에 분포하며, 크기는 인간 게놈과 비슷하다. 실험실 쥐의 현재 주요 단백질 암호화 유전자 수는 23,139개로, 이는 인간의 추정치 20,774개보다 다소 많은 수치이다.

4.2. 돌연변이 및 형질전환 계통

5. 외형 및 행동

실험용 쥐는 집쥐의 신체적 및 행동적 특성을 많이 유지하지만, 인공 선택으로 인해 일부 특성은 변화되었다. C57BL/6 쥐는 짙은 갈색, 거의 검은색 털을 가지고 있으며 소리와 냄새에 민감하고, BALB/c보다 물 가능성이 높다. 집단 사육된 C57BL/6 쥐는 미용 행동을 보이는데, 이는 스트레스에 의해 유발되는 전형적인 행동으로, 털과 진동모가 제거될 수 있다. C57BL/6는 통증과 추위에 민감하고, 진통제가 덜 효과적이며, 알코올 음료를 마시고, 모르핀 중독, 동맥경화, 노화 관련 청력 손실에 취약하다. BALB/c 쥐는 알비노이며, 높은 수준의 불안을 보이고 식이 유도 죽상경화증에 상대적으로 저항성이 있어 심혈관 연구에 유용하다. 수컷 BALB/c 쥐는 공격적이지만, BALB/Lac 아계통은 온순하고, 대부분의 BALB/c 쥐 아계통은 긴 생식 수명을 가진다. Tg2576 계통은 인간 아밀로이드 전구 단백질 (APP)의 돌연변이를 발현하여 알츠하이머병 연구에 활용되는 형질전환 쥐 모델이다.

6. 사육 관리

전통적으로 실험용 쥐는 꼬리 밑 부분을 잡아서 들어 올렸다. 그러나 최근 연구에 따르면 이러한 방식의 취급은 불안감과 혐오스러운 행동을 증가시키는 것으로 나타났다. 대신, 터널이나 손으로 감싸 쥐를 잡는 방식이 권장된다. 행동 실험에서 꼬리로 잡힌 쥐는 터널로 잡힌 쥐와 비교하여, 실험 자극을 탐구하고 조사하려는 의지가 덜한 것으로 나타났다. 터널로 잡힌 쥐는 실험 자극에 적극적으로 반응하며 탐구하는 경향을 보였다.

자연 상태에서 쥐는 보통 초식 동물이며, 다양한 과일이나 곡물을 섭취한다. 그러나 실험실 연구에서는 생물학적 변이를 피하는 것이 일반적이며, 이를 위해 실험용 쥐는 거의 항상 상업용 펠릿 형태의 쥐 사료만 먹는다. 1일 섭취량은 체중 100g당 약 15g이며, 물 섭취량은 체중 100g당 약 15ml이다.

6.1. 주사 방법

실험실 쥐의 주사 경로는 주로 피하 주사, 복강 내 주사 및 정맥 내 주사이다. 근육 내 주사는 근육 질량이 작기 때문에 권장되지 않는다. 뇌내 주사도 가능하다. 각 경로에는 권장 주사 부위, 대략적인 바늘 게이지 및 한 부위에 한 번에 권장되는 최대 주입량이 있다.

6.2. 마취 및 안락사

일반적인 전신 마취는 쥐에게 케타민(체중 kg당 100mg 투여)과 자일라진(체중 kg당 5–10mg 투여)을 복강 내 투여하는 방식이다. 이 마취의 지속 시간은 약 30분이다. 실험실 쥐의 안락사에 대한 승인된 절차에는 압축된 이산화 탄소(CO₂) 가스, 주사 가능한 바르비투르산염 마취제, 할로테인과 같은 흡입 마취제, 그리고 경추 탈구 및 머리 절단과 같은 물리적 방법이 포함된다. 2013년, 미국 수의학 협회는 이산화 탄소(CO₂) 유도에 대한 새로운 지침을 발표했으며, 실험실 쥐의 안락사에 10%에서 30% 부피/분 유속이 최적이라고 밝혔다.

7. 질병 감수성

최근 연구에서 조사 대상인 미국과 일본 연구소의 절반 이상에서 사육 중인 실험실 쥐에게서 마우스 아스트로바이러스가 검출되었다. 마우스 아스트로바이러스는 NSG, NOD-SCID, NSG-3GS, C57BL6-Timp-3^−/−, uPA-NOG, B6J, ICR, Bash2, BALB/C를 포함한 9개 쥐 품종에서 다양한 유병률로 발견되었다. 마우스 아스트로바이러스의 병원성은 알려지지 않았다.

8. 연구 관련 법규

8.1. 영국

영국에서는 동물(과학적 절차)법 1986에 따라 실험동물 사용을 규제한다. 이는 내무부에서 관할하며, "고통, 괴로움, 고통 또는 지속적인 해"를 유발할 가능성이 있는 모든 과학적 절차에 적용된다. 이 법은 척추동물뿐만 아니라 일부 무척추동물에게도 적용되며, 세계에서 가장 포괄적이고 엄격한 규정 중 하나로 평가받는다. 영국의 실험용 쥐 사용 데이터는 매년 상세하게 발표된다. 2013년에는 허가된 과학적 절차 시설에서 쥐에 대해 총 3,077,115건의 규제 절차가 수행되었다.

8.2. 미국

미국에서 실험용 쥐는 미국 농무부(USDA) APHIS(동식물 검사청)가 관할하는 동물복지법의 규제를 받지 않는다. 그러나 국립 보건원(NIH)이 관할하는 공중 보건 서비스법(PHS)은 실험용 쥐의 관리 및 사용에 대한 기준을 제공한다. 연방 정부의 자금 지원을 받으려면 연구 프로젝트가 PHS를 준수해야 한다. PHS 정책은 실험 동물 복지 사무국에서 관리한다. 많은 학술 연구 기관들은 자발적으로 실험 동물 관리 평가 및 인증 협회를 통해 인증을 받으려고 하는데, 이 협회는 실험 동물의 관리 및 사용 지침서와 PHS 정책 내에서 발견되는 관리 기준을 유지한다. 그러나 이 인증은 실제 준수와 달리 연방 자금 지원의 필수 조건은 아니다.

9. 한계점

실험실 쥐는 생의학 연구에서 가장 널리 사용되는 동물이지만, 인간과의 생물학적 차이로 인해 한계가 존재한다. 특히 패혈증, 화상, 염증, 뇌졸중, ALS, 알츠하이머병, 당뇨병, 암, 다발성 경화증, 파킨슨병 등 일부 질병 연구에서는 쥐 모델의 유용성에 대한 의문이 제기된다.

쥐는 면역 특성에서 인간과 다르다. 쥐는 일부 독소에 대해 인간보다 더 저항력이 있으며, 혈액 내 호중구 분획, 호중구 효소 능력, 보체계 활성이 낮고, 염증 과정에 관여하는 펜트락신의 종류가 다르다. 또한 IL-8, IL-37, TLR10, ICAM-3 등 면역계의 중요한 구성 요소에 대한 유전자가 부족하다. SPF 조건에서 사육된 실험실 쥐는 기억 T 세포가 부족하고 미생물군집 다양성이 제한되어 면역계가 미성숙하며, 이는 병리학적 상태 발달에 영향을 미친다.

The Scientist의 기사에 따르면, 쥐 실험의 문제는 대사, 해부학적, 세포적 차이뿐만 아니라, 실험 설계 및 실행과 관련된 문제점도 포함된다. 쥐를 우리에 가두는 환경은 일상적인 경험, 자율성, 극복할 수 있는 도전이 부족하게 만들어, 인간 건강에 대한 관련성이 떨어지는 모델로 만들 수 있다. 특히 정신 건강과 관련된 연구에서 쥐 우리 내부의 빈약한 환경은 생의학적 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

많은 실험실 쥐가 과도한 음식과 운동 부족으로 비만이 되어 생리학과 약물 대사가 변화된다는 연구 결과도 있다. 만성적인 스트레스는 연구 결과와 인간에게 결과를 추론하는 능력에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 또한, 쥐를 이용한 많은 연구가 부실하게 설계되어 의문스러운 결과를 낳는다는 지적도 있다.

일부 연구에서는 동물 실험에서 부적절하게 출판된 데이터가 재현 불가능한 연구 결과를 초래할 수 있다고 지적한다. 예를 들어, 맥길 대학교 연구에서는 남성이 아닌 여성에 의해 다루어진 쥐가 더 높은 스트레스 수준을 보였다. 또한 쥐의 장 미생물군이 과학 연구에 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과도 있다.

10. 시장 규모

유전자 변형 쥐의 세계 시장은 연평균 7.5% 성장하여 2022년까지 15억 9천만 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다.