Dlaczego świnie są tak cenne dla badań biomedycznych?

Świnie w badaniach biomedycznych

Obserwowany obecnie ciągły rozwój medycyny wymusza opracowanie wiarygodnych modeli zwierzęcych celem potwierdzenia bezpieczeństwa i skuteczności nowych metod diagnostycznych, leczniczych, czy profilaktycznych.

Pomimo, że organizmy modelowe, takie jak chociażby gryzonie, pozwoliły na zrozumienie funkcji i działania wielu białek i genów, to niestety wyniki uzyskiwane z ich wykorzystaniem nie zawsze znajdywały odzwierciedlenie u ludzi. Z tego też względu coraz większym zainteresowaniem cieszą się modele dużych zwierząt i to właśnie świnia budzi w tej kwestii największe nadzieje.

Dlaczego akurat świnia?

Świnie domowe (Sus scrofa domestica) są szczególnie przydatne i skuteczne w badaniach biomedycznych z kilku powodów. Po pierwsze, gatunek ten jest łatwo dostępny, cechuje się wysoką plennością i płodnością, a ponadto występuje w wielu genotypach i fenotypach, co ułatwia dobór odpowiedniego materiału doświadczalnego. Co więcej, wykorzystanie świń w laboratoriach budzi o wiele mniejszy sprzeciw ze strony społeczeństwa w porównaniu na przykład do kotów, psów, królików czy małp. Z drugiej strony, badania z wykorzystaniem modeli gryzoni są stosunkowo łatwiejsze i tańsze w realizacji, podczas gdy świnie ze względu na swój rozmiar wymagają więcej przestrzeni, a zatem i większych kosztów utrzymania. Jednak to właśnie analogiczny do człowieka rozmiar ciała oraz rozmiar narządów i ich topografia są kluczowe przy testowaniu procedur chirurgicznych oraz technologii medycznych standardowo wykorzystywanych w praktyce klinicznej. Niewątpliwą zaletą świń jest również możliwość wielokrotnego i łatwego pobierania dużych ilości prób biologicznych oraz stosowania takich samych dawek leków jak w przypadku człowieka.

Co jednak wydaje się być najważniejsze, podobieństwa w anatomii  i fizjologii świń pozwalają na wiarygodne odzwierciedlenie procesów komórkowych zachodzących u człowieka. Wysoka analogia w strukturze i funkcji przewodu pokarmowego, układu nerwowego, układu krążenia, układu moczowego a także wielu innych narządów sprawia, że świnie są najlepszym kandydatem jako zwierzęta modelowe w badaniach translacyjnych. Lecz podobieństwa pomiędzy naszymi dwoma gatunkami nie kończą się tutaj.

O ludziach i świniach – co nas łączy?

Dziś już wiadomo, że genom świni jest blisko w 95% zbieżny z genomem człowieka, podobnie jak wiele zaburzeń i dysfunkcji białek prowadzących do rozwoju niektórych jednostek chorobowych. Z powodu uderzających podobieństw w układach narządów, jak i wysokiej dostępności, organy świni najlepiej spełniają także kryteria przydatności do ksenotransplantacji. Od wielu lat tkanki świń wykorzystane są między innymi w leczeniu wad zastawek serca u ludzi. Jednak świnie oferują o wiele więcej niż tylko potencjalne źródło narządów.

Ze względu na wysokie podobieństwo w obrębie anatomii przewodu pokarmowego i fizjologii trawienia, świnie są również najlepszym kandydatem do badań nad żywieniem człowieka oraz farmakokinetyką leków podawanych doustnie. Ponadto, prenatalny jak i postnatalny rozwój przewodu pokarmowego jest bardzo zbliżony u obu gatunków, przez conowo narodzone prosięta często wykorzystywane są jako zwierzęcy model dla noworodków ludzkich. Przykładowo, w doświadczeniach własnych na prosiętach urodzonych przedwcześnie badano wpływ bioaktywnych składników mleka matki na wzrost i rozwój organizmu.

Podobieństwa w obrębie budowy i czynności samej trzustki sprawiają, że świnia stanowi również atrakcyjny model do badań nad zewnątrzwydzielniczą niewydolnością trzustki oraz cukrzycą typu 1 lub 2. Co więcej, zanim udało się opracować metodę biosyntezy insuliny, wielu diabetyków było zależnych od insuliny świńskiej, która różni się od ludzkiej jedynie pozycją jednego aminokwasu.

Człowiek i świnia wykazują także wiele cech wspólnych w budowie i funkcji nerek oraz dolnej części układu moczowego, co wykorzystano między innymi w badaniach własnych nad opracowaniem terapii enzymatycznych w leczeniu kamicy nerkowej oraz hiperurykemii, czyli podwyższonego poziomu kwasu moczowego we krwi.

Co więcej, przeprowadzenie modyfikacji genetycznych, czy to nokautu genowego czy też wprowadzenia dodatkowej informacji genetycznej jest u świń relatywnie proste w porównaniu do innych dużych zwierząt. Uzyskane w ten sposób świnie transgeniczne mogą następnie posłużyć nie tylko jako modele do badań nad danymi jednostkami chorobowymi człowieka, ale także jako żywe bioreaktory do produkcji białek terapeutycznych i biofarmaceutyków.

Świnie znalazły jednak zastosowanie jako modele zwierzęce w wielu innych gałęziach medycyny, a przykładów i możliwości ich wykorzystania w badaniach translacyjnych przybywa z roku na rok.

Przyszłość badań translacyjnych…

Szereg badań przeprowadzonych na przestrzeni ostatnich lat pokazało, że nie tylko właściwy protokół doświadczenia, ale i także wybór odpowiedniego modelu zwierzęcego może przesądzić o jego wyniku i prawidłowej interpretacji uzyskanych danych. Ze względu na szybko rosnącą średnią długość życia ludzi, i co za tym idzie częstsze występowania chorób przewlekłych, znaczenie badań translacyjnych we współczesnej medycynie jest coraz większe. Być może to właśnie badania z wykorzystaniem modelu świni pozwolą na opracowanie i wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań dla zdrowia publicznego. Należy jednak pamiętać, że żaden model zwierzęcy nie jest modelem idealnym i nie będzie w pełni odwzorowywał biologii i patofizjologii człowieka, a medycyna translacyjna, pomimo swojego postępu, wciąż musi się jeszcze zmierzyć z wieloma wyzwaniami.

Autorzy: Dr inż. Paulina Szczurek – absolwentka studiów magisterskich na kierunku biotechnologia oraz studiów doktoranckich w Instytucie Zootechniki PIB. Od kilku lat we współpracy z ośrodkami naukowymi w Polsce, Szwecji i USA prowadzi badania translacyjne z wykorzystaniem modeli zwierzęcych ze szczególnym uwzględnieniem modelu świni. Autorka i współautorka licznych publikacji naukowych i wystąpień konferencyjnych.

Dr hab. Marek Pieszka – profesor nadzwyczajny w Instytucie Zootechniki PIB, specjalista w zakresie żywienia i fizjologii przewodu pokarmowego zwierząt, autor wielu publikacji oryginalnych i przeglądowych. Obecnie zajmuje się także realizacją badań biomedycznych na różnych modelach zwierzęcych, w tym także dla przemysłu farmaceutycznego.

Literatura:

  1. Aigner B., Renner S., Kessler B., Klymiuk N., Kurome M., Wünsch A., Wolf E. Transgenic pigs as models for translational biomedical research. J. Mol. Med., 2010, 88: 653-664.
  2. Dzięgiel N., Szczurek P., Jura J., Pieszka M. Świnia jako zwierzę modelowe w translacyjnych badaniach biomedycznych. Post. Hig. Med. Dośw., 2018, 72: 1032-1042.
  3. Gün G., Kues W.A. Current progress of genetically engineered pig models for biomedical research. Biores. Open Access, 2014, 3: 255-264.
  4. Litten-Brown J.C., Corson A.M., Clarke L. Porcine models for the metabolic syndrome, digestive and bone disorders: a general overview. Animal, 2010, 4: 899-920.
  5. Socha-Banasiak A., Pierzynowski S.G., Woliński J., Grujic D., Boryczka M., Grzesiak P., Szczurek P., Czkwianianc E., Weström B., Goncharova K. The pig as a model for premature infants – the importance of immunoglobulin supplementation for growth and development. J. Biol. Regul. Homeost. Agents., 2017, 31(1): 87-92.
  6. Szczurek P., Mosiichuk N., Woliński J., Yatsenko T., Grujic D., Pieszka M., Święch E., Pierzynowski S.G., Goncharova K. Oral uricase eliminates blood uric acid in the hyperuricemic pig model. Plos One, 2017, 12(6): e0179195.
  7. Verma N., Rettenmeier A.W., Schmitz-Spanke S. Recent advances in the use of Sus scrofa (pig) as a model system for proteomic studies. Proteomics, 2011, 11: 776-793.
  8. Woliński J., Pierzynowska K., Wychowański P., Andrzejewski K., Szczurek P., Drachanchuk O., Boryczka M., Pieszka M., Pierzynowski S.G. Zwierzęta gospodarskie jako model w badaniach biomedycznych. W: w: Quo vadis zootechniko? Wyd. Polskie Towarzystwo Zootechniczne, 2018, str. 75-139.

Instytut Zootechniki PIB

Sprawdź BLOG Klastra!