模型豬應(yīng)用于人類肥胖研究的可行性

鄭美麗，郭 峰，李 爽，陳少康，張存瑞，王曉鳳

（1.北京市畜牧總站，北京 100107；2.中國(guó)動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，北京 100125）

2004 年，世界衛(wèi)生組織（WHO）和國(guó)際糖尿病聯(lián)盟（International Diabetes Federation，IDF）報(bào)道，全世界估計(jì)有2 200 萬(wàn)5 歲以下兒童出現(xiàn)超重或者肥胖，其中1 700 萬(wàn)在發(fā)展中國(guó)家[1]。國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)公布的《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病報(bào)告》指出，2002—2012 年我國(guó)成人超重比例增加了32%，肥胖比例增加了68%，而兒童的超重和肥胖比例分別增加1 倍和2 倍?？梢?jiàn)我國(guó)人群的肥胖問(wèn)題日趨嚴(yán)重，因此需要加快科研步伐，解析肥胖產(chǎn)生機(jī)理，提前干預(yù)治療，遏制這種危險(xiǎn)趨勢(shì)蔓延。

在肥胖機(jī)制研究中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，應(yīng)用于肥胖機(jī)制研究的動(dòng)物模型主要有斑馬魚(yú)、果蠅、小鼠、狗、豬、猴子，其中果蠅、斑馬魚(yú)等非哺乳動(dòng)物主要用于篩選鑒定肥胖相關(guān)基因的研究[1-3]，小鼠主要用于肥胖和代謝綜合征研究[4]，而豬則被廣泛用于肥胖和心血管疾病研究，如Ajuwon 等[5]利用模型豬研究TLR4在豬脂肪細(xì)胞中的功能性表達(dá)。隨著肥胖機(jī)制研究的深入，模型豬在該領(lǐng)域研究的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

作為互補(bǔ)模型，豬成為人類能量代謝和肥胖研究的理想生物醫(yī)學(xué)模型，這主要是因?yàn)樨i像人類一樣在出生后棕色脂肪就消失了，而棕色脂肪具有調(diào)節(jié)能量平衡的能力。同時(shí)，豬也具有與人相似的代謝特征、心血管系統(tǒng)以及相似大小的器官。另外，豬有足夠厚的脂肪層，可對(duì)脂肪細(xì)胞或間充質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)定，不需要混合不同層或不同動(dòng)物的脂肪組織[6]。

1 模型豬應(yīng)用于人類肥胖基因組進(jìn)化研究的優(yōu)勢(shì)

目前全球性大規(guī)模暴發(fā)的肥胖疾病，已成為全球首要的公共健康威脅。急劇增長(zhǎng)的肥胖人群比例和肥胖疾病暴發(fā)情況從科學(xué)角度上支持了James Nells 的“thrifty gene theory”假說(shuō)。這種假說(shuō)提出基因組存在代謝方面的“節(jié)儉基因”，這些基因可以支持機(jī)體在食物十分富足的情況下，更高效地利用食物，更快速地積累脂肪并迅速增重，而在食物匱乏的情況下，可以利用這些機(jī)體內(nèi)貯存的脂肪和能量來(lái)維持機(jī)體需要。在食物富足和匱乏交替的情況下，這些基因?qū)C(jī)體是十分有利的，可以產(chǎn)生高水平的胰島素和瘦素維持機(jī)體需要，但是在現(xiàn)代十分富足的條件下，就會(huì)引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生肥胖和糖尿病[7]。已有很多研究支持這種假說(shuō)，Wendorof 和Goldfine 從考古學(xué)角度研究北美印第安部落的生活狀況，發(fā)現(xiàn)以某些已滅絕的大型動(dòng)物（如猛犸象）為主食的人群比以植物為主的人群對(duì)2 型糖尿病易感，故推測(cè)在1 萬(wàn)～1.1 萬(wàn)年前，這種節(jié)儉基因已被選擇表達(dá)[7]。

500 年前，西班牙人登陸美洲大陸，在Ossabaw 島上留下一批豬。為了適應(yīng)海島上的生活環(huán)境，這些豬逐步進(jìn)化到可以飲用海水并且適應(yīng)了食物富足和匱乏的交替循環(huán)。當(dāng)它們被帶到高能量食物和低運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，很快就患上肥胖相關(guān)疾病，如血液中血糖和脂肪含量增加，出現(xiàn)高血壓和動(dòng)脈硬化等。這種遺傳控制生長(zhǎng)模式和脂肪積累特點(diǎn)與人類很相似，而現(xiàn)有的嚙齒動(dòng)物模型和肥胖蠕蟲(chóng)模型并不具備這種遺傳特性，因此多個(gè)科學(xué)家建議采用豬作為動(dòng)物模型來(lái)研究人類肥胖疾病[8-9]。

另外，已有研究證明豬基因組與人類的相似度約為60%，高于嚙齒類動(dòng)物（40%），并且染色體結(jié)構(gòu)相比小鼠、大鼠、狗、貓、馬和牛，與人類更為相似，說(shuō)明豬和人類在物種基因組進(jìn)化上更接近[10]。不僅如此，豬的代謝模式與人類也十分相似。這些都為利用豬來(lái)研究人類肥胖模式奠定了基礎(chǔ)。

2 模型豬應(yīng)用于人類肥胖生理學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)

人類和豬不僅在基因組進(jìn)化水平上具有較高的相似度，而且在生理學(xué)角度也十分相似，這也是模型豬成為人類肥胖遺傳模型的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。豬與人類在消化生理機(jī)能、飲食習(xí)慣、器官大小和脂肪組織分布上具有高度的相似性。此外，豬在遺傳改良的同時(shí)，記錄下了長(zhǎng)期而又詳細(xì)的生長(zhǎng)、脂肪和采食數(shù)據(jù)，從而為肥胖性狀研究提供了十分可靠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)源。在漫長(zhǎng)的馴化和長(zhǎng)期的改良中，家豬經(jīng)歷了高強(qiáng)度的肉質(zhì)和脂肪性狀篩選過(guò)程，出現(xiàn)了顯著的表型變化和各種環(huán)境條件下的遺傳適應(yīng)性。豬在這種馴化和改良選擇下形成了很多個(gè)品種，如歐洲品種和中國(guó)品種，且在體況和肥胖癥狀上表現(xiàn)出顯著差異。據(jù)最新中國(guó)地方豬種統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已經(jīng)鑒定存在81 個(gè)地方品種、20 個(gè)合成品種、6 個(gè)外來(lái)豬種。這些豬種在生長(zhǎng)速度和瘦肉率方面都受到過(guò)選擇，表現(xiàn)出不同程度的肥胖癥狀，都可以作為研究肥胖相關(guān)疾病的模型豬基礎(chǔ)素材庫(kù)[11-13]。

目前關(guān)于人類連鎖和候選基因的研究不斷涌現(xiàn)，但是很多研究的人群數(shù)量統(tǒng)計(jì)力度不足，使得很多效應(yīng)較小的致病基因被遺漏。此外，很多發(fā)病人群雖有同樣的表型，但在不同的遺傳背景下，很多致病基因和區(qū)段會(huì)失去效應(yīng)。這些因不同遺傳背景和群體數(shù)量而引起的問(wèn)題都可以在模型豬群體得以解決。在豬的飼養(yǎng)中涉及很多測(cè)定表型的數(shù)據(jù)，如背膘、采食量、肌內(nèi)脂肪含量等，相比人類的BMI（身體質(zhì)量指數(shù)）更加準(zhǔn)確、具體，并且不同時(shí)間段和位置脂肪的相應(yīng)指標(biāo)測(cè)量已有很成熟的測(cè)量體系和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于研究肥胖生物學(xué)十分便捷。這些模型豬在生理學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)上的優(yōu)勢(shì)可以為研究肥胖相關(guān)生物學(xué)問(wèn)題提供可靠的統(tǒng)計(jì)來(lái)源，因此利用它研究人類肥胖問(wèn)題是不可或缺的[14]。

3 嚙齒類動(dòng)物應(yīng)用于人類肥胖科學(xué)研究的局限性

現(xiàn)在已有一些用于肥胖研究的嚙齒類動(dòng)物模型，如經(jīng)典的C57BL 小鼠肥胖動(dòng)物模型，因維持運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低及其基因組序列測(cè)定的完成，使其在肥胖和代謝綜合征研究上一度應(yīng)用比較廣泛，但是嚙齒類動(dòng)物模型無(wú)法對(duì)人類肥胖相關(guān)疾病進(jìn)行全面模擬。

首先，除了Zucker 小鼠因缺乏萊普汀受體功能導(dǎo)致其極度貪食以外，其他小鼠模型均不能產(chǎn)生3 種以上的風(fēng)險(xiǎn)因子，而始終展現(xiàn)出4 種以上風(fēng)險(xiǎn)因子的其他動(dòng)物模型還沒(méi)有被鑒定。其次，在嚙齒類動(dòng)物和人類之間存在代謝學(xué)和生理學(xué)上的顯著差異，這種差異很大程度上阻礙了肥胖研究的進(jìn)展，導(dǎo)致研究變得更加復(fù)雜，從而使研究結(jié)果無(wú)法應(yīng)用于肥胖的有效預(yù)防和治療。瑞典科學(xué)家Arner 報(bào)道，經(jīng)多位科學(xué)家實(shí)驗(yàn)證明，很多與人類肥胖相關(guān)的細(xì)胞因子在嚙齒類動(dòng)物中的表達(dá)模式與人類不同，如：Adipsin 細(xì)胞因子在小鼠脂肪組織中呈低表達(dá)狀態(tài)，而在人類脂肪中具有相對(duì)高表達(dá)趨勢(shì)；TNFα 在小鼠體內(nèi)可以對(duì)胰島素抵抗起調(diào)節(jié)作用，而在人類中沒(méi)有相同的作用；Resistin 可以破壞小鼠葡萄糖耐受和胰島素敏感度，而在人類機(jī)體內(nèi)，其與胰島素和肥胖沒(méi)有直接關(guān)系[15-17]。這一系列的例子均說(shuō)明嚙齒類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作為研究肥胖或脂肪代謝相關(guān)疾病的模型存在很多弊端。

4 模型豬應(yīng)用于肥胖研究的進(jìn)展

利用動(dòng)物模型研究人類疾病可以追溯到16 世紀(jì)末，希臘醫(yī)學(xué)和哲學(xué)家Galen 首先完成了猿和豬模型的研究。隨后動(dòng)物模型被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于人類醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究。隨著醫(yī)學(xué)和生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種模型豬被開(kāi)發(fā)利用于研究和治療人類疾病，如利用模型豬開(kāi)展人類內(nèi)分泌研究，來(lái)推進(jìn)對(duì)人類生殖和垂體激素的研究進(jìn)展，其中最經(jīng)典的案例是闡明了胰島素的組成成分，并且實(shí)現(xiàn)了利用豬的胰島素治療人類糖尿病。很多研究利用模型豬實(shí)現(xiàn)了對(duì)人類疾病的預(yù)防和治療，如心臟生理、生殖生理、器官移植、皮膚生理、腦系統(tǒng)、胃腸系統(tǒng)、生物化學(xué)、組織工程、呼吸系統(tǒng)以及傳染性疾病等[18-19]。

早期西班牙科學(xué)家Torres 利用伊比利亞豬（Iberian pig）作為模型研究代謝綜合征和2 型糖尿病。試驗(yàn)組6 頭小豬自由采食富含不飽和脂肪酸食物（每頭4.5 kg/d），對(duì)照組4 頭小豬飼喂普通飼料（每頭2 kg/d）。經(jīng)過(guò)3 個(gè)月飼養(yǎng)后，試驗(yàn)組表現(xiàn)出向心性肥胖、血脂障礙、胰島素抵抗、葡萄糖耐受損傷和高血壓，這些指標(biāo)都是反映代謝綜合征的重要指標(biāo)[11]。Torres 認(rèn)為，可以將伊比利亞豬作為研究營(yíng)養(yǎng)代謝相關(guān)疾病的動(dòng)物模型。近期，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)相磊等研究者把巴馬小型豬作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停接懥烁咧咛秋暳蠈?duì)巴馬小型豬脂肪分布與血液生化指標(biāo)的影響。研究者通過(guò)對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組為期30 周的不同飼喂發(fā)現(xiàn)，高脂高糖的飲食能夠引起巴馬小型豬脂肪堆積，其中內(nèi)臟脂肪堆積尤為明顯，血液生化指標(biāo)呈高脂血癥并伴有腎功能損傷，基于此成功建立了應(yīng)用于肥胖研究的小型豬模型[20]。

1994 年，Zhang 等[21]首次克隆了小鼠的肥胖基因（ob）。1995 年，Halaas 等[22]在大腸桿菌中合成了肥胖基因的表達(dá)產(chǎn)物，把它命名為瘦素（Leptin）。瘦素是通過(guò)脂肪細(xì)胞合成的，然后分泌到血液中，進(jìn)而穿過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦，向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳達(dá)胃腸飽脹信號(hào)。當(dāng)敲除Leptin基因時(shí)，大腦不能接受飽脹信號(hào)，就會(huì)不斷進(jìn)食，從而導(dǎo)致肥胖及相關(guān)系列疾病的發(fā)生。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)課題組針對(duì)豬Leptin 基因構(gòu)建了雙敲除豬。該試驗(yàn)豬表現(xiàn)為明顯的肥胖和嚴(yán)重的非酒精性脂肪肝病，包括從單純性脂肪變性、非酒精性脂肪肝炎、纖維化到肝硬化，證明敲除豬的Leptin 基因，可成功模擬人的肥胖及非酒精性脂肪肝癥狀。在未來(lái)的研究中，Leptin 基因敲除的試驗(yàn)豬模型在篩選治療肥胖及其并發(fā)癥的藥物分子方面具有較好的應(yīng)用前景[23]。

黑皮質(zhì)素4 受體基因（MC4R）于1993 年首次被Gantz 等[24]成功克隆并確定了染色體定位。該基因主要在下丘腦神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)，是Leptin介導(dǎo)食欲調(diào)節(jié)的最末端基因，作為控制食欲的開(kāi)關(guān)，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候向大腦反饋飽脹信號(hào)。研究[25]表明，MC4R基因突變，可使機(jī)體無(wú)法應(yīng)答飽脹信號(hào)，從而導(dǎo)致人持續(xù)不間斷進(jìn)食，最終誘發(fā)肥胖。先前研究多以嚙齒動(dòng)物模擬人的疾病，發(fā)現(xiàn)缺失MC4R基因的嚙齒動(dòng)物表現(xiàn)出與人相似的綜合征，如肥胖、胰島素抵抗和食欲不振等[26]。2019 年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李秋艷課題組發(fā)表文章揭示，敲除豬的MC4R基因可導(dǎo)致豬肝臟脂肪變性，即使不進(jìn)行高脂飼喂也如此，從而證實(shí)MC4R在豬中也是一個(gè)典型的肥胖基因[27]。

目前實(shí)驗(yàn)室對(duì)肥胖研究主要還是用鼠作為模型，但是人與鼠之間在生理學(xué)上存在許多差異，比如脂肪酶、來(lái)普汀、抵抗素、腫瘤抑制因子α 和其他細(xì)胞因子，這些差異增加了將鼠的肥胖研究結(jié)果應(yīng)用到人類身上的難度[28]。章杰[13]綜述了豬作為動(dòng)物醫(yī)學(xué)模型來(lái)研究肥胖和代謝綜合征得到的結(jié)果，并與人進(jìn)行了比較，特別強(qiáng)調(diào)了脂肪組織和細(xì)胞因子在調(diào)節(jié)能量平衡和肥胖相關(guān)炎癥上的作用，從而進(jìn)一步證明了模型豬未來(lái)在肥胖及其并發(fā)癥分子機(jī)制研究上存在較高的研究?jī)r(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

肥胖是當(dāng)下以及今后長(zhǎng)期存在的人類健康問(wèn)題，常常并發(fā)或伴隨多種疾病。在肥胖機(jī)制、涵蓋基因、器官損害和行為醫(yī)學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域，應(yīng)用模型動(dòng)物來(lái)探索具體的科學(xué)問(wèn)題，將會(huì)使更多的科學(xué)成果從實(shí)驗(yàn)室再次回到指導(dǎo)臨床實(shí)踐的正確軌道上，而目前的研究證明，模型豬將會(huì)是人類肥胖疾病研究的一個(gè)可靠選擇。