猪作为人类传染病模型动物的研究进展

袁 远摘译自Trends Microbiol，2012年1月，20(1)：50～57潘雪男 审

猪作为人类传染病模型动物的研究进展

袁 远*摘译自Trends Microbiol，2012年1月，20(1)：50～57潘雪男 审

作为人类传染病研究的模型动物必须能够准确地再现疾病的各个方面。从解剖学、遗传学及生理学的角度看，家猪与人类极为相似，是一种可用于研究各种微生物感染性疾病的理想动物模型。研究发现，相比于啮齿类动物，以猪作为模型动物能更准确地预测人类疾病的治疗方法。在本综述中，我们将重点阐述在人类传染病研究及疫苗研发过程中猪作为模型动物的种种优势，以及人们从中获得的众多关于提高动物和人类健康的新知识。

1 猪作为人类疾病感染的模型

建立人类疾病感染的动物模型是使模型动物在一定的研究条件下，能够复制出与人类疾病感染相同的反应。这一观点可以从之前一些成功的研究案例中总结得出，或者能从人与动物模型的相似性进行推断。用作模型的动物应该具备易操作性，适用于多种研究对象，而且，它还能够存活足够长的时间进而满足疾病的发生、发展，适合现有的动物设施，动物规模数量充足，并可保证母体每胎可有足够数量的新出生动物来满足研究的需求。

猪与人类在解剖学、遗传学和生理学上非常相似。猪可分为微型到大型等多种品种。在人类医学研究中，通常选择合适品种和年龄的猪用于导管插入术、心脏手术、操纵阀、内镜和支气管肺泡灌洗等各种外科手术及非外科手术的操作，这类手术操作难度大，或者说在包括啮齿类动物在内的很多动物模型上不可能完成。从遗传学角度来看，猪的基因组大小和组成与人类的非常吻合。在生理学上，猪与人类也非常相似，两者都是杂食性的动物，其器官通常有相同的功能特点。目前，在猪与灵长类动物之间成功地开展器官移植，也就恰恰应用了二者之间的相似性。

通常我们所提到的动物模型主要有三种：(1)自然形成的；(2)试验诱导的；(3)转基因的。自然形成的和试验诱导的动物模型较为常见，转基因的动物模型目前仅有转基因小鼠被广泛应用。

2 猪的免疫系统

继灵长类和小鼠的免疫系统之后，猪的免疫系统也得到了较为详细的研究，为其他相关研究的开展提供了一系列成熟的研究方法与手段。与其他哺乳动物相似，猪有一套完整的先天性和适应性免疫系统。尽管猪的一些宿主防御多肽是特异性的，且α-防御素在猪体内缺失，但是大多数免疫系统的蛋白质在结构和功能上与人类的相似。在已被分析的各项参数中，猪的免疫系统与人类的达到80%以上的相似度，而小鼠的免疫系统与人类的相似度不足10%。人与猪之间最主要的差别在于两种不同派尔集合淋巴结(Peyer’s Patches，PP)倒置及母猪与乳猪之间被动免疫传递方式的不同，猪主要通过初乳和乳汁形成上皮绒毛膜型胎盘来传递被动免疫。而人类的胎盘形成是血性绒毛膜型，母体血液与胎儿绒毛膜直接接触，被动免疫的传递不依赖于乳腺分泌物。

关于猪体免疫细胞的分化、识别和呈现各种免疫细胞特征的细胞表面蛋白，已经在许多

研究结果中得以阐明。猪的中性粒细胞占比高达50%～70%，这一点与人的相似，而与啮齿类动物则完全不同。关于辅助性T淋巴细胞（T helper cells，Th）的分化，Th1/Th2/Th17/调节性T细胞(T Regulator Cell，Treg)最初在小鼠体内被发现，提供了一个直接应对传染性病原体的有用模型。Th1细胞可分泌白介素-2(Interleukin-2，IL-2)和γ干扰素(Interferon γ，IFN-γ)，能激活细胞毒性T细胞和巨噬细胞，参与抑制细胞内病原的感染。Th2细胞能分泌IL-3、IL-4、IL-5、IL-10和IL-13，能够刺激抗体的产生，从而抑制细胞外病原的感染。近期鉴定的Th17细胞可分泌IL-17，主要参与抑制胞外病原的感染和自身免疫的调节。Treg细胞参与外周性免疫耐受的诱导和保持。目前已经阐明了在猪体内参与Th1/ Th2/Th17/Treg免疫调节和效应细胞在内的所有细胞因子。据报道，人和啮齿类在巨噬细胞和一氧化氮(NO)通路方面存在差异，它们在传染性病原体的先天性免疫反应中尤其重要，目前尚无证据表明猪的巨噬细胞在脂多糖刺激甚至IFN-γ诱导的条件下产生NO产物，这一点与在人体内的观察结果相似。Toll样受体(Tolllike Receptor，TLR)和树突状细胞(Dendritic Cell，DCs)在对病原体的识别、诱导和调节先天性免疫和适应性免疫过程中起着关键性作用，在TLR和DC的生物学功能方面，猪的免疫系统与人的更为接近，而与小鼠的相似性不高。另外，与人和猪相比，小鼠对内毒素休克极度抵抗，通常倾向于发展为降低体温，而不是像人类对内毒素的反应是较为常见地表现为体温升高，这些特性大大降低了将小鼠作为研究败血症模型动物的可能性。上述这些特征突出了猪可作为有代表性的中间物种，进一步评估通过啮齿类动物模型得到的关于人类传染病的一些研究结果与数据。

3 猪的解剖学结构特征

猪的心脏结构与人的非常相似，唯一差别是猪的半奇静脉流入冠状动脉窦，而其他物种则是都流入前腔静脉。猪的冠状动脉分布、冠状动脉的血液供应、右侧优势循环系统也与人类的极为相似。

猪的肺左边有两叶、右边有四叶，而人的肺左边有两叶、右边有三叶。猪的左边肺叶分别命名为左脑叶和左尾叶，右边肺叶则分别称为右脑叶、右中叶、右尾部和右副叶，右脑叶与气管直接相连。与小鼠所不同的是，包括猪在内的很多哺乳动物，在不同肺叶之间和每个肺叶内部均有较多的结缔组织，它将主要的血管和支气管与胸膜表面连接起来。猪的上呼吸道在解剖学上与人的非常相似，而且除了灵长类外，人的咽部淋巴环在结构排列上与猪的鼻咽部淋巴组织也最为相似。除此之外，猪还有扁桃体而小鼠没有。

人和猪在胃肠道结构上有着一定的差异。尽管二者都是单胃动物，然而猪胃部幽门部位有一个显著的憩室，靠括约肌控制肠道的蠕动。猪的小肠不同节段呈现不同的长度，上面的肠系膜血管分支不同。除此之外，猪还有一个连续的回肠派尔集合淋巴结、盲肠、升结肠、横结肠以及一系列依据离心和向心结构排列的结肠近端部，胃肠道的这些结构特点与人的不同。猪的肾在大小上与人的非常相似，而且猪的肾还是平滑多乳头肾。

猪对于人类皮肤病的研究具有非常重要的意义。与啮齿类动物不同，猪的皮肤与人类有相似的总量、显微结构和超微结构，表皮厚度、真皮与表皮的厚度比与人的皮肤具有可比性。特别重要的是，猪的皮肤通常是无毛、有固定的皮下层和皮肤毛囊。二者之间的这些相似之处提示我们当猪和人的皮肤受到相同刺激时会产生相似的反应。

鉴于猪的中枢神经系统尤其是脑的大小和解剖学结构特征与人的相似，因此猪也是研究人类系统疾病较好的动物模型。

4 猪作为模型研究人类的传染病

4.1 全身感染性疾病

可造成全身感染性疾病的病原包括金黄色葡萄球菌、伪狂犬病毒和猪瘟病毒。由金黄色葡萄球菌引起的败血症已对全球人类健康构成了极大威胁。猪已经被确认为是甲氧西林耐药类金黄色葡萄球菌的来源。考虑到该疾病的感

染范围，猪可用于金黄色葡萄球菌感染模型的疾病包括创伤性感染、骨髓炎、肺炎和败血症。研究发现随着金黄色葡萄球菌的血源性扩散，8周龄大的小猪骨髓炎模型能产生与青春期前儿童相似的感染性病变。

猪的伪狂犬病毒和人的I型单纯疱疹病毒这一类的α-疱疹病毒能够与它们的宿主共同进化。它们与宿主的上皮屏障和免疫系统的相互作用，能够激起宿主免疫屏障的适应并引起免疫应答。因为α-疱疹病毒不能在啮齿类动物体内有效传播，所以不能用于同源模型，然而猪的伪狂犬病毒是相匹配的同源模型，可以利用猪作为动物模型开展疱疹病毒与宿主的相互作用、确定免疫逃逸的途径以及通过抑制病毒复制寻找药物作用新靶点的研究。最近一项关于伪狂犬病毒与鼻黏膜相互作用的研究发现，病毒主要的复制位点与I型单纯疱疹病毒的研究结果非常相似。病毒在上皮细胞内进行第一次复制，激活细胞中丝氨酸蛋白酶，在基底膜打开孔道，使病毒能穿过屏障在固有层和黏膜下层迅速传播。随后，疱疹病毒沿着轴突向感觉神经元的神经细胞传递。最新研究还发现IFN-α能够缩短伪狂犬病毒和I型单纯疱疹病毒感染神经细胞的潜伏期。

猪瘟病毒可引起猪的全身性感染，其临床发病特征与人的病毒性出血热相同，包括高热、低血压、凝血、严重的血小板减少和全身淋巴耗竭等。猪瘟和人的出血热免疫学研究中的重大发现是这两类病原均能够大大地提高宿主的细胞因子和干扰素的水平。猪瘟病毒和人出血热病毒极易感染抗原呈递细胞，已经发现这种现象在疾病的发病机制中具有重要的作用，而在免疫保护方面的作用尚不清晰。我们认为猪瘟病毒模型有助于阐明巨噬细胞、DCs和I型干扰素在猪瘟病毒和人的病毒性出血热中引起的免疫保护作用，将为治疗出血热提供新的治疗方法。

4.2 呼吸道传染病

猪常被用于研究包括百日咳杆菌、流感病毒、结核杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等呼吸道病原体的模型。

猪在流感病毒的生态学、流行病学和进化过程中占据着举足轻重的地位。能够对人和猪构成感染的流感病毒亚型相同，通常为H1N1、H1N2和H3N2亚型的病毒；同时对于人和猪来说，流感病毒感染引起的临床发病、致病性及组织嗜性也是相类似的，因此猪可以作为研究流感病毒感染各种情况的理想实验动物。除此之外，猪在近来年来暴发的猪源H1N1大流感的生态与进化过程中发挥了重要的作用。流感病毒只能感染免疫缺陷型小鼠，病毒可全身复制，引起较高的死亡率，而不能够在正常小鼠体内有效传播。在人和猪体内，病毒主要在上、下呼吸道内局部复制，病毒受体参与病毒感染并引起相关的免疫细胞浸润和局部细胞因子反应。就α2,6-和α2,3-半乳糖而言，猪体内的唾液酸受体分布与人的极为相似：α2,6-半乳糖主要分布在上呼吸道，而α2,3-半乳糖主要分布在下呼吸道的上皮细胞中，这导致病毒能特异性地在类人而不是类禽的上呼吸道上皮细胞中有效复制。由于不同种类动物受体分布的特性不同以及病毒聚合酶基因发生的适应性突变方式不同，从而导致人和猪对H5N1亚型的禽流感病毒表现为不易感；而雪貂的情况则相反，它对H5N1表现为易感性。特别是猪源H1N1流感的发生更加突出了猪易于感染这类病毒且表现为与人感染相同的临床症状。而且人H1N1流感似乎很容易地就能够在猪群中得以适应和流行。相比之下，有关流感病毒聚合酶关键基因在适应小鼠与猪的时候发生的突变不同，从而导致小鼠模型与猪体内获得的试验数据不尽一致。但是，相对于雪貂而言，由于包括猪白细胞抗原在内的免疫研究方面的试剂与方法更易于获得，在研究流感病毒致病机制及对不同流感病毒异源保护方面，猪还是更加适合于作为模型动物的。

4.3 消化道传染病

猪作为模型动物已经被用于研究各种人类胃肠道病原菌，包括隐孢子虫、幽门螺旋杆菌、E型肝炎病毒(Hepatitis E Virus，HEV)、诺瓦克病毒和轮状病毒。无菌幼猪(Gn猪)已经被用于研究人类的幽门螺旋杆菌的感染，研究发现仔猪感染后引起嗜中性粒细胞偏低导致炎症反应与幽门杆菌感染小儿患者的反应极其相似，并且证明了毒力因子如脲酶及肠胃的蠕动是仔猪感染幽门杆

菌所必需的因素。尽管非人类的灵长类动物是研究HEV感染最常用的动物模型，猪作为基因型3或基因型4 HEV的天然宿主，已成功阐明了HEV基因结构与功能之间的关系，更好地了解了HEV的复制机制。

人的诺如病毒是全球食源性胃肠炎的一个主要原因。NoV感染已在包括猪在内的多种宿主中得到确诊。鉴于人的与猪的NoVs在基因序列、抗原性及流行病学上的相似性和流行病学研究，作为人畜共患传染病及其种间传播的重要性正受到人们越来越多的关注。轮状病毒是儿童腹泻的主要原因，然而目前人的轮状病毒减毒口服疫苗在该病死亡率最高的贫困国家免疫无效。无菌幼猪是唯一对人腹泻病毒(Human Rotavirus，HRV)易感的动物模型，通过对新生无菌小猪的研究大大提高了我们对HRV发病机制、免疫力和疫苗方面的理解。新生猪与婴儿在很多方面都表现为很相似，作为远交动物，猪更能代表人的异质性。与婴幼儿类似，猪出生时就具有免疫力，但尚未成熟。对人而言，在肠、乳液和黏膜分泌物中分泌型免疫球蛋白占主导地位。猪B细胞中的免疫球蛋白轻链的所有组成成分与在人类中发现的相似。相比于没有腹泻或病灶的成年鼠模型，HRV感染的Gn猪具有与幼儿相似的症状，表现为腹泻、厌食、脱水、病毒血症和肠道病灶。HRV感染后上调感染儿童和新生Gn猪血液中促炎性细胞因子的数量，与腹泻发生的严重程度相关。在儿童急性HRV感染时，单核细胞中具有更高的TLR2/3/4/7和8表达量，它们在疾病的发生和免疫中发挥重要作用。同样，感染轮状病毒的Gn猪增加了血液和脾脏中TLR3表达的抗原递呈细胞的数量。这些结果证明了HRV病原在Gn猪和儿童体内致病机理上的相似免疫介质的重要性。

4.4 皮肤和黏膜类传染病

猪模型已被用于研究棘阿米巴接触晶状体引起的角膜炎。使用成年的尤卡坦微型猪在观察该病的病变时，与在人体内发现的结果相似，包括密集的白色环状浸润、间质水肿和角膜炎沉淀。猪的眼部病灶和慢性特征结构与人的相似，使得猪模型成为研究角膜炎细胞生物学性、宿主免疫反应和潜在的治疗方法的有力补充。

13周龄的猪可以作为研究女性生殖器官沙眼衣原体感染的动物模型，这种衣原体是一种局限感染眼和泌尿生殖系统上皮细胞的病原体。病菌在浅表上皮宫颈和子宫层中复制，是沙眼衣原体共同的感染目标。而且研究发现猪在沙眼衣原体感染后可引起炎症反应，并产生特异的抗体，这使得猪有望成为研究沙眼衣原体生殖道感染的病理学、发病机制和免疫反应的模型动物。

4.5 神经系统传染病

引起神经系统感染的病原包括脑膜炎双球菌、尼帕病毒(Nipah Virus，NiV)、伪狂犬病毒和一些冠状病毒，猪模型也可用于研究人类神经系统的传染病。人的脑膜炎球菌败血症的猪模型模拟人类中枢系统疾病，包括心脑血管参数如心脏指数和平均动脉压、血管渗漏、细胞因子释放的变化、血液和凝固参数。猪可以自然感染NiV，因而作为动物模型被用于系统地研究NiV感染的发病机理。大多数幼猪在感染NiV后会出现典型的临床症状，如体温升高、轻微的呼吸困难。然而，NiV经口鼻或皮下接种时可引起严重的神经系统体征，与在人感染NiV后通常看到的症状一样，被感染的淋巴组织出现萎缩和坏死表明，病毒能够在淋巴细胞内复制，这些结论通过猪外周血单核细胞的体外感染试验也已经得到证实。猪体内观察到的病毒嗜性和继发性细菌感染能够增加NiV引起免疫抑制的可能性。

5 结论

尽管上面所说的这些还不够详尽，但也基本阐明了猪被用作动物模型在研究人传染病病原上的贡献和优势。鉴于猪和人在皮肤、呼吸道、消化道及免疫系统方面存在诸多的相似性，对于评价皮肤、黏膜类新型抗原接种方式和免疫增强剂的效果时，猪可作为一种很有吸引力的种间动物模型，而在开展灵长类动物模型研究或者进行临床试验之前得到应用。而且，随着猪转基因技术的发展，人类将加强对传染病干预与调控方面的研究。毫无疑问，在未来的几年内猪模型将会逐渐替代目前已比较完善的小鼠模型。□□

略)

原题名：The pig: a model for human infectious diseases(英文)

原作者：Francois Meurens1、Artur Summerfield、Hans Nauwynck、Linda Saif和Volker Gerdts

S855.3

C

1001-0769(2016)11-0016-04

袁远(1972.12- )，男，汉族，硕士，副研究员，现就职于中国农业科学院哈尔滨兽医研究所(黑龙江 哈尔滨 150069)，主要研究方向为动物传染病的防控及疫苗研发；E-mail：yuanyuan@caas.cn；Tel：0086+451+51661180。