模型猪应用于人类肥胖研究的可行性

2021-03-28郑美丽陈少康张存瑞王晓凤

中国动物检疫 2021年10期

郑美丽，郭峰，李爽，陈少康，张存瑞，王晓凤

（1.北京市畜牧总站，北京 100107；2.中国动物疫病预防控制中心，北京 100125）

2004 年，世界卫生组织（WHO）和国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation，IDF）报道，全世界估计有2 200 万5 岁以下儿童出现超重或者肥胖，其中1 700 万在发展中国家[1]。国家卫生健康委员会公布的《中国居民营养与慢性病报告》指出，2002—2012 年我国成人超重比例增加了32%，肥胖比例增加了68%，而儿童的超重和肥胖比例分别增加1 倍和2 倍。可见我国人群的肥胖问题日趋严重，因此需要加快科研步伐，解析肥胖产生机理，提前干预治疗，遏制这种危险趋势蔓延。

在肥胖机制研究中，实验动物模型发挥着举足轻重的作用。目前，应用于肥胖机制研究的动物模型主要有斑马鱼、果蝇、小鼠、狗、猪、猴子，其中果蝇、斑马鱼等非哺乳动物主要用于筛选鉴定肥胖相关基因的研究[1-3]，小鼠主要用于肥胖和代谢综合征研究[4]，而猪则被广泛用于肥胖和心血管疾病研究，如Ajuwon 等[5]利用模型猪研究TLR4在猪脂肪细胞中的功能性表达。随着肥胖机制研究的深入，模型猪在该领域研究的应用越来越广泛。

作为互补模型，猪成为人类能量代谢和肥胖研究的理想生物医学模型，这主要是因为猪像人类一样在出生后棕色脂肪就消失了，而棕色脂肪具有调节能量平衡的能力。同时，猪也具有与人相似的代谢特征、心血管系统以及相似大小的器官。另外，猪有足够厚的脂肪层，可对脂肪细胞或间充质细胞进行测定，不需要混合不同层或不同动物的脂肪组织[6]。

1 模型猪应用于人类肥胖基因组进化研究的优势

目前全球性大规模暴发的肥胖疾病，已成为全球首要的公共健康威胁。急剧增长的肥胖人群比例和肥胖疾病暴发情况从科学角度上支持了James Nells 的“thrifty gene theory”假说。这种假说提出基因组存在代谢方面的“节俭基因”，这些基因可以支持机体在食物十分富足的情况下，更高效地利用食物，更快速地积累脂肪并迅速增重，而在食物匮乏的情况下，可以利用这些机体内贮存的脂肪和能量来维持机体需要。在食物富足和匮乏交替的情况下，这些基因对机体是十分有利的，可以产生高水平的胰岛素和瘦素维持机体需要，但是在现代十分富足的条件下，就会引发机体产生肥胖和糖尿病[7]。已有很多研究支持这种假说，Wendorof 和Goldfine 从考古学角度研究北美印第安部落的生活状况，发现以某些已灭绝的大型动物（如猛犸象）为主食的人群比以植物为主的人群对2 型糖尿病易感，故推测在1 万～1.1 万年前，这种节俭基因已被选择表达[7]。

500 年前，西班牙人登陆美洲大陆，在Ossabaw 岛上留下一批猪。为了适应海岛上的生活环境，这些猪逐步进化到可以饮用海水并且适应了食物富足和匮乏的交替循环。当它们被带到高能量食物和低运动状态下，很快就患上肥胖相关疾病，如血液中血糖和脂肪含量增加，出现高血压和动脉硬化等。这种遗传控制生长模式和脂肪积累特点与人类很相似，而现有的啮齿动物模型和肥胖蠕虫模型并不具备这种遗传特性，因此多个科学家建议采用猪作为动物模型来研究人类肥胖疾病[8-9]。

另外，已有研究证明猪基因组与人类的相似度约为60%，高于啮齿类动物（40%），并且染色体结构相比小鼠、大鼠、狗、猫、马和牛，与人类更为相似，说明猪和人类在物种基因组进化上更接近[10]。不仅如此，猪的代谢模式与人类也十分相似。这些都为利用猪来研究人类肥胖模式奠定了基础。

2 模型猪应用于人类肥胖生理学研究的优势

人类和猪不仅在基因组进化水平上具有较高的相似度，而且在生理学角度也十分相似，这也是模型猪成为人类肥胖遗传模型的另一个优势。猪与人类在消化生理机能、饮食习惯、器官大小和脂肪组织分布上具有高度的相似性。此外，猪在遗传改良的同时，记录下了长期而又详细的生长、脂肪和采食数据，从而为肥胖性状研究提供了十分可靠的数据统计来源。在漫长的驯化和长期的改良中，家猪经历了高强度的肉质和脂肪性状筛选过程，出现了显著的表型变化和各种环境条件下的遗传适应性。猪在这种驯化和改良选择下形成了很多个品种，如欧洲品种和中国品种，且在体况和肥胖症状上表现出显著差异。据最新中国地方猪种统计，我国已经鉴定存在81 个地方品种、20 个合成品种、6 个外来猪种。这些猪种在生长速度和瘦肉率方面都受到过选择，表现出不同程度的肥胖症状，都可以作为研究肥胖相关疾病的模型猪基础素材库[11-13]。

目前关于人类连锁和候选基因的研究不断涌现，但是很多研究的人群数量统计力度不足，使得很多效应较小的致病基因被遗漏。此外，很多发病人群虽有同样的表型，但在不同的遗传背景下，很多致病基因和区段会失去效应。这些因不同遗传背景和群体数量而引起的问题都可以在模型猪群体得以解决。在猪的饲养中涉及很多测定表型的数据，如背膘、采食量、肌内脂肪含量等，相比人类的BMI（身体质量指数）更加准确、具体，并且不同时间段和位置脂肪的相应指标测量已有很成熟的测量体系和标准，对于研究肥胖生物学十分便捷。这些模型猪在生理学和统计学上的优势可以为研究肥胖相关生物学问题提供可靠的统计来源，因此利用它研究人类肥胖问题是不可或缺的[14]。

3 啮齿类动物应用于人类肥胖科学研究的局限性

现在已有一些用于肥胖研究的啮齿类动物模型，如经典的C57BL 小鼠肥胖动物模型，因维持运转费用低及其基因组序列测定的完成，使其在肥胖和代谢综合征研究上一度应用比较广泛，但是啮齿类动物模型无法对人类肥胖相关疾病进行全面模拟。

首先，除了Zucker 小鼠因缺乏莱普汀受体功能导致其极度贪食以外，其他小鼠模型均不能产生3 种以上的风险因子，而始终展现出4 种以上风险因子的其他动物模型还没有被鉴定。其次，在啮齿类动物和人类之间存在代谢学和生理学上的显著差异，这种差异很大程度上阻碍了肥胖研究的进展，导致研究变得更加复杂，从而使研究结果无法应用于肥胖的有效预防和治疗。瑞典科学家Arner 报道，经多位科学家实验证明，很多与人类肥胖相关的细胞因子在啮齿类动物中的表达模式与人类不同，如：Adipsin 细胞因子在小鼠脂肪组织中呈低表达状态，而在人类脂肪中具有相对高表达趋势；TNFα 在小鼠体内可以对胰岛素抵抗起调节作用，而在人类中没有相同的作用；Resistin 可以破坏小鼠葡萄糖耐受和胰岛素敏感度，而在人类机体内，其与胰岛素和肥胖没有直接关系[15-17]。这一系列的例子均说明啮齿类实验动物作为研究肥胖或脂肪代谢相关疾病的模型存在很多弊端。

4 模型猪应用于肥胖研究的进展

利用动物模型研究人类疾病可以追溯到16 世纪末，希腊医学和哲学家Galen 首先完成了猿和猪模型的研究。随后动物模型被越来越广泛应用于人类医学和生物学研究。随着医学和生物学技术的发展，各种模型猪被开发利用于研究和治疗人类疾病，如利用模型猪开展人类内分泌研究，来推进对人类生殖和垂体激素的研究进展，其中最经典的案例是阐明了胰岛素的组成成分，并且实现了利用猪的胰岛素治疗人类糖尿病。很多研究利用模型猪实现了对人类疾病的预防和治疗，如心脏生理、生殖生理、器官移植、皮肤生理、脑系统、胃肠系统、生物化学、组织工程、呼吸系统以及传染性疾病等[18-19]。

早期西班牙科学家Torres 利用伊比利亚猪（Iberian pig）作为模型研究代谢综合征和2 型糖尿病。试验组6 头小猪自由采食富含不饱和脂肪酸食物（每头4.5 kg/d），对照组4 头小猪饲喂普通饲料（每头2 kg/d）。经过3 个月饲养后，试验组表现出向心性肥胖、血脂障碍、胰岛素抵抗、葡萄糖耐受损伤和高血压，这些指标都是反映代谢综合征的重要指标[11]。Torres 认为，可以将伊比利亚猪作为研究营养代谢相关疾病的动物模型。近期，中国农业大学相磊等研究者把巴马小型猪作为试验模型，探讨了高脂高糖饲料对巴马小型猪脂肪分布与血液生化指标的影响。研究者通过对试验组和对照组为期30 周的不同饲喂发现，高脂高糖的饮食能够引起巴马小型猪脂肪堆积，其中内脏脂肪堆积尤为明显，血液生化指标呈高脂血症并伴有肾功能损伤，基于此成功建立了应用于肥胖研究的小型猪模型[20]。

1994 年，Zhang 等[21]首次克隆了小鼠的肥胖基因（ob）。1995 年，Halaas 等[22]在大肠杆菌中合成了肥胖基因的表达产物，把它命名为瘦素（Leptin）。瘦素是通过脂肪细胞合成的，然后分泌到血液中，进而穿过血脑屏障进入大脑，向中枢神经系统传达胃肠饱胀信号。当敲除Leptin基因时，大脑不能接受饱胀信号，就会不断进食，从而导致肥胖及相关系列疾病的发生。中国农业大学课题组针对猪Leptin 基因构建了双敲除猪。该试验猪表现为明显的肥胖和严重的非酒精性脂肪肝病，包括从单纯性脂肪变性、非酒精性脂肪肝炎、纤维化到肝硬化，证明敲除猪的Leptin 基因，可成功模拟人的肥胖及非酒精性脂肪肝症状。在未来的研究中，Leptin 基因敲除的试验猪模型在筛选治疗肥胖及其并发症的药物分子方面具有较好的应用前景[23]。

黑皮质素4 受体基因（MC4R）于1993 年首次被Gantz 等[24]成功克隆并确定了染色体定位。该基因主要在下丘脑神经细胞中表达，是Leptin介导食欲调节的最末端基因，作为控制食欲的开关，在恰当的时候向大脑反馈饱胀信号。研究[25]表明，MC4R基因突变，可使机体无法应答饱胀信号，从而导致人持续不间断进食，最终诱发肥胖。先前研究多以啮齿动物模拟人的疾病，发现缺失MC4R基因的啮齿动物表现出与人相似的综合征，如肥胖、胰岛素抵抗和食欲不振等[26]。2019 年，中国农业大学李秋艳课题组发表文章揭示，敲除猪的MC4R基因可导致猪肝脏脂肪变性，即使不进行高脂饲喂也如此，从而证实MC4R在猪中也是一个典型的肥胖基因[27]。

目前实验室对肥胖研究主要还是用鼠作为模型，但是人与鼠之间在生理学上存在许多差异，比如脂肪酶、来普汀、抵抗素、肿瘤抑制因子α 和其他细胞因子，这些差异增加了将鼠的肥胖研究结果应用到人类身上的难度[28]。章杰[13]综述了猪作为动物医学模型来研究肥胖和代谢综合征得到的结果，并与人进行了比较，特别强调了脂肪组织和细胞因子在调节能量平衡和肥胖相关炎症上的作用，从而进一步证明了模型猪未来在肥胖及其并发症分子机制研究上存在较高的研究价值。