普通動物在開放環境中飼養，都會受到自然界微生物、病毒和寄生蟲的侵襲，一般都帶有細菌、病毒和寄生蟲，並感染某些疾病，因此用普通動物做實驗，敏感性差，反應性不一致，實驗結果不易重複。要提高實驗的準確性，必須對實驗動物加以微生物學、寄生蟲學和遺傳學控製，培育出合格的實驗動物，使實驗結果準確可靠。采用近交係動物，遺傳均一，個體差異小，實驗結果比較準確。但如果不對微生物和寄生蟲加以控製，排除感染的影響，實驗結果仍不可靠，或導致實驗失敗。微生物學和寄生蟲質量控製是實驗動物標準化的主要內容之一，按微生物學和寄生蟲學控製標準或根據微生物和寄生蟲淨化程度，並結合我國實驗動物的發展狀況，我國的實驗動物分為4個等級：普通動物（conventional animals，CV），清潔級動物（clean animals，CL），無特殊病原體動物（specific pathogen free animals，SPF），無菌動物（germfree animals，GF）和悉生動物（gnotobiotic animals，GN）。而且，不同實驗動物所分的級別也不同。
根據國家標準《實驗動物—微生物學等級及監測》GB/T 14922.22-2001，將實驗小鼠和大鼠的微生物學等級分為清潔級、無特定病原體級（SPF）和無菌級，取消了普通級。豚鼠、地鼠和兔仍保留四級。犬和猴分為普通級和SPF級。
國際分類法將實驗動物分為普通動物、SPF動物、悉生動物、無菌動物4個等級。不同微生物級別的實驗動物在生物醫學研究中的應用價值有明顯的不同。使用無菌動物、悉生動物及SPF動物和清潔級動物，由於有明確的微生物背景和可控的飼育環境，可大大提高動物實驗的重複性和準確性。因此，在高標準的實驗中應選用微生物學和寄生蟲學質量控製較好的無菌動物、悉生動物或無特定病原體動物做實驗。
第一節 無菌動物
一、無菌動物的概念
無菌動物（germ free）是指無可檢出的一切生命體的動物。進一步說，是指用現有的檢測技術在動物體內外的任何部位均檢不出任何活的微生物和寄生蟲的動物。此種動物在自然界中並不存在，必須用人為的方法培育出來。無菌動物來源於剖腹產或無菌卵的孵化、一般將臨產前的健康動物用麻醉藥品或頸椎脫臼法處死後，立即浸泡在37℃滅菌液中，送進無菌室（或無菌隔離器），按無菌手術進行剖腹，切除帶胚胎的子宮（子宮內首先應無菌），將其浸入消毒液裏並輸送到另一隔離器中，切開子宮取胎，經用滅菌紗布揩拭仔體並斷臍（電刀切斷）後，放隔離器內人工喂乳或用其他品係的無菌母鼠做保姆供養。像小鼠和大鼠等用人工喂乳非常麻煩，故采用保姆代養較為方便。而像豚鼠因在一定程度上能自力飲乳，故人工哺乳較容易。另外，像禽類、魚類、昆蟲類，因是在卵中無菌的前提下進行的，故用藥物將卵周圍滅菌後移入無菌隔離器內使其孵化即可，而且，這些動物一般在出生後能自力采食，故較易育成。無菌動物飼育在無菌隔離器中，經定期檢查，證明動物體內外均無一切微生物和寄生蟲。實際所謂“無菌”隻是一個相對的概念，根據現有的科學知識和檢測方法在一定時期內不能檢出微生物和寄生蟲，隨著科學技術的發展，現在認為是無菌的動物或許將來可以檢出微生物和寄生蟲，而不是無菌動物。因此，這個“無”是相對而言的。另外，用大量抗生素也可以使普通動物暫時無菌，但這種動物不是無菌動物。因為這種無菌狀態往往是一時性的，某些殘留的細菌在適當的條件下又會在體內增殖，即使把體內細菌全部殺死，它們給動物造成的影響卻是無法消除的。例如，特異性抗體的存在、網狀內皮係統的活化、某些組織或器官的病理變化等。因此，無菌動物必須是生來就是無菌的動物。
二、無菌動物的發展概況
無菌動物的研究，起源於19世紀後期，1885～1886年間，確立了在動物體內沒有微生物也能生存的概念。19世紀末，Nattal及Thierfelder用剖腹術取出了妊娠豚鼠的胎仔，在無菌環境下飼養了10天。隨後，Schettelus發現雞的胚胎是無菌的，後來成功地進行了雛雞的無菌化。1908年Cohendy育成無菌雞，且生長情況良好。1922年Baeot和Harden發現無菌蠅蛆必須飼喂B族維生素才能正常生長，證明了無菌動物對B族維生素的需要，因為無菌動物腸內沒有細菌存在，自身不能合成B族維生素，從而找到了過去的飼養無菌動物失敗的原因。1932年，終於把無菌豚鼠養活2個月，取得了初步進展，隨後至1959年Teah在Notre Dame大學已能使無菌豚鼠繁殖。1951年美國Lobund小組建立了第一個無菌大白鼠群。隨著生物學的進步和技術的發展，試行了各種動物的無菌化，現在無菌動物的品種已經很多，不僅小鼠、大鼠、豚鼠和家兔等小動物已有無菌動物，而且犬、貓、猴、豬、山羊、綿羊和牛等大動物，以及雞、火雞、鵪鶉、青蛙、蛇，甚至蠶、蒼蠅、白蟻等也都有了無菌動物。這些都是為了適應科學發展的需要而培育的，其中小鼠、大鼠、豚鼠，國外一些發達國家已能大量生產，並比較方便地應用於日常研究中了。對無菌動物的研究最初隻是為了探討高等動物與體內微生物之間的關係。無菌動物所具有的獨特優越性使其成為一種新型的實驗動物。
三、無菌動物的特點
（一）形態學的改變
1.消化係統無菌動物和普通動物的外觀和活動無差異。無菌動物的盲腸（包含內容物）的總重量可達到體重的25%，盲腸的總重量是普通動物的5～10倍。去掉內容物後的盲腸，無菌動物和普通動物之間並沒有多大差別。這是無菌動物盲腸壁伸長變薄的結果。這一現象也從組織學方麵得到證實。腸蠕動緩慢，食物通過腸道時間長。
無菌動物由於盲腸膨大，腸壁菲薄，常易發生盲腸扭轉導致腸梗阻、腸壁破裂而死亡。有關盲腸膨大的原因，目前尚無明確的結論。關於這一現象有2種解釋：一是因微生物缺乏導致大分子酸性黏蛋白在盲腸內大量積累，膠體滲透壓提高，水分在盲腸腔內瀦留；二是無菌動物體內水分瀦積，大量進入盲腸的水分超出了大腸的回收能力。有較大量的水分經糞便排出，所以無菌動物通常排稀便，排尿量少。當無菌動物普通化或當無菌動物被梭菌、類（擬）杆菌、沙門菌、鏈球菌單獨感染後，盲腸會變小。
2.血液循環係統心髒相對變小，白細胞數少，且數量波動範圍小。
3.免疫係統胸腺和淋巴結處於功能較不活躍的狀態，脾髒縮小，無二級濾泡，網狀內皮細胞功能下降。無菌動物的免疫功能基本上處於原始狀態。
（二）生理學改變
1.壽命無菌動物的壽命比普通動物長。普通大鼠壽命2年，而無菌大鼠壽命3～4年。
2.營養無菌動物體內不能合成維生素B和維生素K。
3.生長率無菌動物的生長率不同種屬不一樣，無菌禽類生長率比同種普通動物高；無菌大、小鼠與普通動物差不多；無菌豚鼠、兔比普通者慢。可能因腸內無菌，不能幫助消化纖維素以提供機體所需要的營養物質。
4.生殖無菌條件對動物生殖影響不大。大、小鼠因出生無感染，身體較好，其繁殖率高於普通大、小鼠，而無菌豚鼠、兔比普通者低。
5.抗輻射能力強以射線照射無菌小鼠的存活時間長於普通動物，普通動物常因敗血症而致死。一般認為，這種存活時間的差別，是由於受損細胞的壽命在無菌與普通小鼠之間存在差別的緣故。另據報道，無菌小鼠抗實驗性燙傷引起的休克死亡的能力也強於普通動物。但無菌大鼠出血引起休克的病理變化則與普通大鼠無差異。
6.免疫功能由於網狀內皮係統、淋巴組織發育不良，淋巴小結內缺乏生發中心，產生丙種球蛋白的能力很弱，血清中IgM、IgG水平低，免疫功能處於原始狀態，應答速度慢，過敏反應、對異體移植物的排斥反應以及自身免疫現象消失或減弱。用低分子無抗原性飼料喂養無菌動物時，血清中幾乎不存在丙種球蛋白和特異性抗體。
四、無菌動物在生物醫學研究中的應用
無菌動物的機體裏排除了各種微生物的幹擾，用於科學實驗研究能夠得出較明確的結果。無菌動物在生物醫學研究中具有較獨特的作用。
（一）微生物學研究
1.某些疾病的病原研究無菌動物可以提供組織培養的無菌組織，可提供具有某一種菌的已知菌動物，以及研究病原體的致病作用與機體本身內在的關係。如貓瘟的形成，正常貓較易感染貓瘟病毒，無菌貓則不易感染，說明感染受腸道微生物的影響。
2.微生物間的拮抗作用研究菌群之間的拮抗作用是生物屏障的一種。生物屏障可能比物理屏障更有效。當向無菌動物接種2種或2種以上的細菌時，可以研究它們對動物的協同作用，以及不同微生物之間的相互關係，如依存、拮抗等。還可觀察某種致病菌的直接致病作用，如將福氏痢疾杆菌經口感染無菌豚鼠時，可引起死亡，在感染之前先經口接種活的大腸杆菌，就可以保護豚鼠不致死亡，以後在其腸道裏隻能檢出大腸杆菌，而沒有痢疾杆菌。說明大腸杆菌對痢疾杆菌有拮抗作用。
3.病毒性疾病研究無菌動物是研究病毒性疾病、病毒性質、純病毒、安全疫苗和單一特異性抗血清的有用工具。
4.真菌感染研究臨床上較長時間應用某種抗生素，易發生條件性真菌感染的現象，利用無菌動物進行研究得到了一定的闡明。將白色念珠菌經口感染無菌雛雞時，產生較多菌絲體，並侵入腸道黏膜；但接種普通雛雞時，隻觀察到酵母菌體，很少發病。將大腸杆菌接種到無菌雛雞後就能完全保護雛雞不受侵犯。用無菌小白鼠實驗也得到了類似的情況。
（二）免疫學研究
無菌動物體內既無抗原也無特異性抗體，處於一種“原始狀態”，很適合用於各種免疫功能的研究。如無菌動物暴露於微生物，先產生α球蛋白，再產生β球蛋白，最後產生γ球蛋白。可用無菌動物製備高效價、無交叉反應的特異性抗體，以及用無菌動物進行免疫抑製劑試驗研究。
（三）放射醫學研究
用無菌動物研究放射線的生物學效應，可以將由放射線所引起的症狀和感染而發生的症狀區分開來。用大劑量X射線照射普通動物時，除照射本身的影響外，還受腸道微生物的影響，而照射對無菌動物則主要為照射本身引起的後果。如大於10Gy的X射線照射無菌動物和普通動物，無菌動物隻有腸黏膜損傷，黏膜上皮細胞再生停止，而普通動物腸黏膜損傷較無菌動物大，且可致腸黏膜上皮細胞脫落。
（四）營養、代謝研究
無菌動物是研究營養的良好模型，機體必需的某些營養成分是腸道正常菌群生命活動中降解產生提供的。用無菌動物可以研究哪些細菌可以合成哪些營養物質，還可用無菌動物來研究限製飲食對壽命、免疫力的影響等。普通動物的腸道可以合成維生素B和維生素K，應用無菌動物可以研究哪些細菌能夠合成維生素B和維生素K。
（五）老年病學研究方麵
無菌小鼠的自然壽命比普通小鼠為長，而且雄性無菌小鼠的壽命和雌性的相似或更長些。對2～3年齡無菌大鼠的檢查結果表明，腎、心髒和肺實際上沒有發生和年齡相關的病變，這說明，微生物因素和機體的老化有關。