小型豬在生物醫(yī)學研究中的應用

小型豬在生物醫(yī)學研究中的應用

1小型豬實驗的重要性1.1豬的主流在生物醫(yī)學上的應用豬的解剖、生理和生化機制非常相似，在科學研究領域具有重要的實際應用價值。目前已用于腫瘤、心血管病、糖尿病、外科、牙科、皮膚燒傷、血液病、遺傳病、營養(yǎng)代謝病、新藥評價等多個方面。1982年、1985年曾先后2次分別在中國臺灣和美國舉行了“小型豬在生物醫(yī)學研究中的應用”的國際研討會,比較系統(tǒng)地反映了豬作為動物模型在生物醫(yī)學研究中的重要地位,小型豬的應用數量逐年大幅度遞增。同時,由于動物保護等因素,小型豬有望取代實驗猴、犬成為被大量使用的新型實驗動物。1.2其他特殊細胞的研究和開發(fā)小型豬作為異種移植的供體具有許多優(yōu)點,其誘人前景吸引著眾多的生物醫(yī)學工作者和戰(zhàn)略投資家。豬在心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、皮膚系統(tǒng)、骨骼發(fā)育、營養(yǎng)代謝等方面與人類具有較大的相似性,既能解決人源器官嚴重不足、提供源源不斷的供體器官、組織、細胞,也可克服靈長類動物異種帶來的倫理、烈性病毒傳染病等問題,一直是人類異種移植的首選供體和研究開發(fā)的熱點。轉基因豬的研究一方面可為人類異種器官移植服務,另一方面也可作為生物反應器生產人類的重要蛋白。通過豬細胞人源化改造,用于人類疑難疾病的治療,如豬紅細胞抗原的化學修飾、豬血紅蛋白與血液代用品、豬胚細胞與腦血栓的治療等。轉基因豬皮也即將實現產業(yè)化。許多豬源性人用生物制品和功能食品如凝血酶、纖維蛋白原、轉移因子、抗人白細胞免疫球蛋白、凝血因子Ⅷ、卟啉鐵等已經被美國、歐盟、日本等發(fā)達國家的食品藥品監(jiān)督管理部門批準生產,《中華人民共和國藥典》和《中國生物制品規(guī)程》也有部分收載。制約上述制品產業(yè)化的主要因素是缺乏標準化的實驗用豬和系統(tǒng)的病毒安全性檢測體系。1.3利用優(yōu)良資源開展品種選育我國具有獨特而又豐富的小型豬資源,它們在原產地均為長期近親交配形成的封閉群體,具有體型小、遺傳穩(wěn)定等特點,與國外的多品種雜交小型豬相比,具有明顯的優(yōu)勢。以特有小型豬資源為基礎,進行閉鎖繁育,不僅保存了珍貴的品種資源,而且使品種遺傳及表型特征更加穩(wěn)定,更加符合生命科學研究的要求,達到了保種與選育的雙重目的。這是我國具有獨特的小型豬資源所帶來的無可比擬的優(yōu)勢。經過選育的小型豬品系各具特色,使我國小型豬品系呈現高水準、獨特、多樣、適應生命科學研究多種需求,為其研究提供比較完善的參照系統(tǒng)、豐富基因類型的格局。版納微型豬的高度近交及其近交系形成、亞系分化,五指山小型豬的近交,貴州小型豬趨于微型化,廣西巴馬小型豬“兩頭烏”獨特毛色、微型化,均顯示了其獨特的優(yōu)勢。1.4豬在其他方面的應用我國生物醫(yī)學科學事業(yè)的發(fā)展使實驗用小型豬得到了越來越廣泛的應用。我國在人的血型改造、實驗用小型豬接種人的血液干細胞研究及豬皮的改造等應用研究方面取得了重要進展,豬用于人類疾病模型的培育,人類異種器官移植等研究開發(fā)工作也對標準化的實驗用豬提出了更高的要求。因此,開展我國特有實驗用小型豬資源開發(fā)與應用研究,培育我國實驗用小型豬近交系和封閉群,提出我國實驗用小型豬遺傳學、微生物學、環(huán)境、營養(yǎng)標準,形成我國實驗用小型豬的理論與技術體系,滿足生物醫(yī)學研究對高質量實驗用小型豬的需求已成為亟待解決的重要課題。2國外小型豬實驗動物化的發(fā)展2.1國外小型豬品種株早在20世紀40年代,美國就開始了小型豬的培育開發(fā)研究。至80年代,美國、德國、日本等國家先后培育的小型豬品系主要有美國小型豬品系(包括MinnesotaHormel小型豬、Pitman-Moor小型豬、Essex小型豬、Hanford小型豬、Yucatan小型豬、Nebraska小型豬)、日本小型豬品系(包括OhminiBuda小型豬、Clawnmini小型豬、Huei-Jin小型豬)、德國Gottingen小型豬等,并陸續(xù)應用于生物醫(yī)學研究。小型豬是珍稀豬種,原產地主要在中國和越南,發(fā)達國家大多缺乏優(yōu)質原始的小型豬資源。國外小型豬培育多采用世界各地小體型豬種或野豬進行多品種雜交選育而成。因多品種作親本,遺傳基礎不一,加之培育歷史短,目前培育的小型豬體型普遍較大,毛色類型參差不齊,遺傳背景及其表型尚待穩(wěn)定。至于其近交系培育則開展更少,僅見美國Yucatan小型豬作過一定程度的近交培育,近交系數僅達到0.25~0.37,可見近交培育是相當困難的。2.2對小型豬的標準化研究發(fā)達國家實驗動物科學發(fā)展的整體優(yōu)勢和先進程度,加速了小型豬實驗動物化的開發(fā)研究。1)從遺傳資源的角度,集中攻關,縮短了小型豬的基礎研究進程;2)從微生物、環(huán)境、營養(yǎng)控制的角度,全面開展小型豬實驗動物標準化研究,及早培育出SPF小型豬;3)從開發(fā)研究伊始就十分注重小型豬的商品化與產業(yè)化,一方面擴大了小型豬的研究范圍及其品系的影響,更重要的是使小型豬的開發(fā)研究步入良性發(fā)展軌道。如德國Gottingen小型豬,1984年已暢銷到多個國家和地區(qū),隨后又成立了Ellegaader跨國公司,擁有2個SPF育種場,專業(yè)從事實驗用小型豬研究、開發(fā)和供應。2.3解決人類異種器官移植使用的小型豬小型豬作為實驗動物已廣泛應用于腫瘤、心血管病、糖尿病、外科、牙科、皮膚燒傷、血液病、遺傳病、營養(yǎng)代謝病、新藥安全性評價等生物醫(yī)學研究的多個方面,已成為人類的“替難者”。隨著動物保護運動的興起,國際動物保護組織對實驗動物的限制愈加嚴格,多數經濟發(fā)達國家均制定了一整套較為完善的實驗動物管理法律法規(guī),“3R”原則(Reduce,Replace,Refine)逐漸推廣,非人靈長類及犬等高等動物使用受到限制,逐漸被豬等食用動物所替代。以加拿大為例,1994年與1989年相比,在常規(guī)實驗動物使用量下降25%的同時,實驗用豬的使用量增加了55%。小型豬作為人用生物醫(yī)學材料的供體,一直是人類異種器官移植的首選動物。以器官的形態(tài)、功能匹配為原則,培育用于器官移植的小型豬;建立豬胚胎干細胞系用于基因改造,敲除與排異反應有關的基因;通過核移植技術或囊胚注射技術生產器官供體豬,為人類提供適當的供體器官,已為世人所公認,并付諸于實踐。轉基因豬的研究一方面可為人類異種器官移植服務,另一方面也可作為生物反應器參與人類重要蛋白的生產。如用于制備人血紅蛋白的轉基因豬培育成功,且轉基因豬健康狀況良好;利用小型豬生產豬源性人用生物制品,如凝血酶、纖維蛋白原、抗人白細胞免疫球蛋白、凝血因子Ⅷ、人造皮膚等。其中有的產品已實現產業(yè)化生產、有的已進入臨床前研究、有的取得重大研究進展,呈現良好的應用發(fā)展前景。3小型豬資源調查和研究動物化研究我國是養(yǎng)豬大國,具有培育小型豬得天獨厚的資源及條件。從上世紀80年代初開始,我國開始對小型豬資源進行調查和實驗動物化研究。其主要品系或資源有版納微型豬近交系、五指山小型豬近交系、廣西巴馬小型豬、貴州小型豬、甘肅蕨麻小型豬、藏豬等。3.1家系和體系的發(fā)育云南農業(yè)大學以版納微型豬為種源,在上世紀70年代末開始近交實驗。由于采取了不同于美英等國已采用過的設計方案和一系列重要措施,克服了近交衰退,使早期世代的近交系得以存活繼代,分離和重組而純合的有利或合意基因逐代增加而達到穩(wěn)定。至2001年,近交系已順利進入19世代,近交系數將高達0.983,培育成功兩個體型大小不同、基因型各異的近交系和6個家系,在不同的家系內又進一步分化出具有不同表型和遺傳標記的18個亞系,始終處于國際領先地位。中國科學院上海實驗動物中心于1995年自原產地引進版納微型豬,系統(tǒng)地進行了生物學特性研究(國際合作項目),目前保持有一定規(guī)模的核心群。3.2全同音、親子近交系數和dna測序中國農科院畜牧研究所培育的WZSP原分布于海南島五指山區(qū)。1987年從原產地遷地北京保種獲得成功。原種豬其DNA指紋圖相似系數已達0.698,在原近交的基礎上又繼續(xù)進行全同胞或親子近交繁育,目前理論群體近交系數最高達0.965以上,而且遺傳穩(wěn)定,未發(fā)現有嚴重的遺傳分離現象。已廣泛應用于藥學、比較醫(yī)學、畜牧獸醫(yī)學等生命科學領域,形成了其開發(fā)利用網絡,產生了一定的經濟效益和社會效益,引起國內外專家的關注。3.3發(fā)酵雞的選育廣西農業(yè)大學王愛德教授課題組從1987年開始,從原產地引入廣西地方豬種巴馬香豬,采用基礎群內閉鎖純繁選育及半同胞為主的近交方式進行選育,形成遺傳相似性高、遺傳性穩(wěn)定的封閉群,并達到了一定程度的近交。其特點是遺傳特性一致、穩(wěn)定;白毛占體表面積大;體型趨于微型;早熟多產;耐粗飼。3.4在貴州進行研究的必要性貴陽中醫(yī)學院從1985年開始,以叢江香豬為基礎種群,以小型化為育種目標進行定向選育,成為我國較早正式報道的小型豬。上世紀90年代上海交通大學農學院華修國教授自原產地引進貴州香豬(包括黑香豬和白化香豬),系統(tǒng)地進行了貴州小型豬的實驗動物化的開發(fā)和培育,完成了組織與解剖,生物學特性,微生物凈化技術,實驗醫(yī)學應用,從各個側面全方位地對香豬進行了系統(tǒng)的研究,其中上海市科委重大攻關項目《生物醫(yī)學實驗用清潔級豬的培育》達到國際先進水平。目前又建成了一個微生物凈化的SPF級的小型豬核心群。3.5低氣溫飼養(yǎng)條件從氣候、養(yǎng)殖方式分甘肅蕨麻小型豬又稱合作豬、山地豬,產于我國青藏高原,是典型的高原型小型豬種之一。由于長期生存在惡劣高寒氣候(海拔2000~3000m,最高氣溫27.7℃,最低氣溫-28℃,年平均溫度1~7℃,溫差較大)和低劣的飼養(yǎng)條件(終年以放牧為主,采食蕨麻等牧草的根、莖、籽及農作物的落葉等)下,具有許多適應高原環(huán)境的特點,長期以來自繁自養(yǎng)封閉繁殖,未受外來血緣的影響,形成一個穩(wěn)定的小型原始地方豬種。貴州小型豬、廣西巴馬小型豬、版納微型豬等均生長在海拔較低,溫度、濕度較高的地區(qū),而甘肅蕨麻小型豬則生長在截然不同的自然環(huán)境下,因此甘肅蕨麻小型豬將豐富我國小型豬資源庫與基因庫,可望為醫(yī)學生物學研究提供獨特的品系。3.6氣候變化因素藏豬產于我國青藏高原的廣大地區(qū),為典型的高原型豬種。體型較小。產區(qū)于青藏高原氣候惡劣的廣大地區(qū)。藏豬長期在高寒氣候和低劣的飼養(yǎng)條件下,終年放牧形成了適應高原環(huán)境的特點。而且產區(qū)