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.中國動物疫病預防控制中心，北京 100125）

2004 年，世界衛(wèi)生組織（WHO）和國際糖尿病聯(lián)盟（International Diabetes Federation，IDF）報道，全世界估計有2 200 萬5 歲以下兒童出現(xiàn)超重或者肥胖，其中1 700 萬在發(fā)展中國家[1]。國家衛(wèi)生健康委員會公布的《中國居民營養(yǎng)與慢性病報告》指出，2002—2012 年我國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。可見我國人群的肥胖問題日趨嚴重，因此需要加快科研步伐，解析肥胖產(chǎn)生機理，提前干預治療，遏制這種危險趨勢蔓延。

在肥胖機制研究中，實驗動物模型發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，應用于肥胖機制研究的動物模型主要有斑馬魚、果蠅、小鼠、狗、豬、猴子，其中果蠅、斑馬魚等非哺乳動物主要用于篩選鑒定肥胖相關基因的研究[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在豬脂肪細胞中的功能性表達。隨著肥胖機制研究的深入，模型豬在該領域研究的應用越來越廣泛。

作為互補模型，豬成為人類能量代謝和肥胖研究的理想生物醫(yī)學模型，這主要是因為豬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，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，可對脂肪細胞或間充質(zhì)細胞進行測定，不需要混合不同層或不同動物的脂肪組織[6]。

1 模型豬應用于人類肥胖基因組進化研究的優(yōu)勢

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。急劇增長的肥胖人群比例和肥胖疾病暴發(fā)情況從科學角度上支持了James Nells 的“thrifty gene theory”假說。這種假說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，可以利用這些機體內(nèi)貯存的脂肪和能量來維持機體需要。在食物富足和匱乏交替的情況下，這些基因?qū)C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體需要，但是在現(xiàn)代十分富足的條件下，就會引發(fā)機體產(chǎn)生肥胖和糖尿病[7]。已有很多研究支持這種假說，Wendorof 和Goldfine 從考古學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物（如猛犸象）為主食的人群比以植物為主的人群對2 型糖尿病易感，故推測在1 萬～1.1 萬年前，這種節(jié)儉基因已被選擇表達[7]。

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

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

2 模型豬應用于人類肥胖生理學研究的優(yōu)勢

人類和豬不僅在基因組進化水平上具有較高的相似度，而且在生理學角度也十分相似，這也是模型豬成為人類肥胖遺傳模型的另一個優(yōu)勢。豬與人類在消化生理機能、飲食習慣、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，記錄下了長期而又詳細的生長、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)計來源。在漫長的馴化和長期的改良中，家豬經(jīng)歷了高強度的肉質(zhì)和脂肪性狀篩選過程，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性。豬在這種馴化和改良選擇下形成了很多個品種，如歐洲品種和中國品種，且在體況和肥胖癥狀上表現(xiàn)出顯著差異。據(jù)最新中國地方豬種統(tǒng)計，我國已經(jīng)鑒定存在81 個地方品種、20 個合成品種、6 個外來豬種。這些豬種在生長速度和瘦肉率方面都受到過選擇，表現(xiàn)出不同程度的肥胖癥狀，都可以作為研究肥胖相關疾病的模型豬基礎素材庫[11-13]。

目前關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)計力度不足，使得很多效應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)段會失去效應。這些因不同遺傳背景和群體數(shù)量而引起的問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)）更加準確、具體，并且不同時間段和位置脂肪的相應指標測量已有很成熟的測量體系和標準，對于研究肥胖生物學十分便捷。這些模型豬在生理學和統(tǒng)計學上的優(yōu)勢可以為研究肥胖相關生物學問題提供可靠的統(tǒng)計來源，因此利用它研究人類肥胖問題是不可或缺的[14]。

3 嚙齒類動物應用于人類肥胖科學研究的局限性

現(xiàn)在已有一些用于肥胖研究的嚙齒類動物模型，如經(jīng)典的C57BL 小鼠肥胖動物模型，因維持運轉(zhuǎn)費用低及其基因組序列測定的完成，使其在肥胖和代謝綜合征研究上一度應用比較廣泛，但是嚙齒類動物模型無法對人類肥胖相關疾病進行全面模擬。

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

4 模型豬應用于肥胖研究的進展

利用動物模型研究人類疾病可以追溯到16 世紀末，希臘醫(yī)學和哲學家Galen 首先完成了猿和豬模型的研究。隨后動物模型被越來越廣泛應用于人類醫(yī)學和生物學研究。隨著醫(yī)學和生物學技術的發(fā)展，各種模型豬被開發(fā)利用于研究和治療人類疾病，如利用模型豬開展人類內(nèi)分泌研究，來推進對人類生殖和垂體激素的研究進展，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現(xiàn)了對人類疾病的預防和治療，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、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），對照組4 頭小豬飼喂普通飼料（每頭2 kg/d）。經(jīng)過3 個月飼養(yǎng)后，試驗組表現(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，這些指標都是反映代謝綜合征的重要指標[11]。Torres 認為，可以將伊比利亞豬作為研究營養(yǎng)代謝相關疾病的動物模型。近期，中國農(nóng)業(yè)大學相磊等研究者把巴馬小型豬作為試驗模型，探討了高脂高糖飼料對巴馬小型豬脂肪分布與血液生化指標的影響。研究者通過對試驗組和對照組為期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，血液生化指標呈高脂血癥并伴有腎功能損傷，基于此成功建立了應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產(chǎn)物，把它命名為瘦素（Leptin）。瘦素是通過脂肪細胞合成的，然后分泌到血液中，進而穿過血腦屏障進入大腦，向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳達胃腸飽脹信號。當敲除Leptin基因時，大腦不能接受飽脹信號，就會不斷進食，從而導致肥胖及相關系列疾病的發(fā)生。中國農(nóng)業(yè)大學課題組針對豬Leptin 基因構建了雙敲除豬。該試驗豬表現(xiàn)為明顯的肥胖和嚴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。在未來的研究中，Leptin 基因敲除的試驗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)細胞中表達，是Leptin介導食欲調(diào)節(jié)的最末端基因，作為控制食欲的開關，在恰當?shù)臅r候向大腦反饋飽脹信號。研究[25]表明，MC4R基因突變，可使機體無法應答飽脹信號，從而導致人持續(xù)不間斷進食，最終誘發(fā)肥胖。先前研究多以嚙齒動物模擬人的疾病，發(fā)現(xiàn)缺失MC4R基因的嚙齒動物表現(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，中國農(nóng)業(yè)大學李秋艷課題組發(fā)表文章揭示，敲除豬的MC4R基因可導致豬肝臟脂肪變性，即使不進行高脂飼喂也如此，從而證實MC4R在豬中也是一個典型的肥胖基因[27]。

目前實驗室對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上存在許多差異，比如脂肪酶、來普汀、抵抗素、腫瘤抑制因子α 和其他細胞因子，這些差異增加了將鼠的肥胖研究結果應用到人類身上的難度[28]。章杰[13]綜述了豬作為動物醫(yī)學模型來研究肥胖和代謝綜合征得到的結果，并與人進行了比較，特別強調(diào)了脂肪組織和細胞因子在調(diào)節(jié)能量平衡和肥胖相關炎癥上的作用，從而進一步證明了模型豬未來在肥胖及其并發(fā)癥分子機制研究上存在較高的研究價值。

5 結語

肥胖是當下以及今后長期存在的人類健康問題，常常并發(fā)或伴隨多種疾病。在肥胖機制、涵蓋基因、器官損害和行為醫(yī)學等多個研究領域，應用模型動物來探索具體的科學問題，將會使更多的科學成果從實驗室再次回到指導臨床實踐的正確軌道上，而目前的研究證明，模型豬將會是人類肥胖疾病研究的一個可靠選擇。