淺談蘭嶼豬於生物醫學研究之應用

廖御靜 助理研究員
行政院農業委員會畜產試驗所生理組

 

蘭嶼豬豬種介紹
豬隻擁有與人類相似的生理狀態與解剖構造，常作為生物醫學研究的試驗動物。但一般洋種豬屬於肉用經濟動物，體型碩大且生長快速，往往試驗尚未結束，碩大的體型已使研究人員吃不消。蘭嶼豬（Lanyu pigs）原產於蘭嶼，為臺灣本土的馴化黑毛野豬，亦為小型豬種原（圖1）。一般洋種豬 6 月齡時體重已破百，而蘭嶼豬僅約 30 公斤，體型相當的小。此生長較緩慢的特性，可大大減輕研究人員操作上的負擔。不過需注意的是，蘭嶼豬雖生長較緩慢，但於任食的情況下，2 歲齡時體重仍可能破百。此外，蘭嶼豬生性機靈且較有個性，操作時要格外小心。行政院農業委員會畜產試驗所台東種畜繁殖場（畜試所台東場）於 1980 年引進 4 公 16 母的蘭嶼豬進行選育，目前衍生的後裔除了蘭嶼豬保種族群外，亦選育出畜試花斑豬、畜試迷彩豬與賓朗豬等品系（圖 2），可供生物醫學研究用。2011 至 2016 年的統計資料顯示，這些豬種中蘭嶼豬有近 8 成的使用率，其次是花斑豬。各縣市的使用率以台南市最多，佔了 3 成多；北部則以台北為主，也佔了近 3 成，其次是苗栗與桃園等地（吳等，2017）。蘭嶼豬常用來建立人類疾病動物模式，有助於瞭解人類特定疾病之發病機制、病程與治療方針。相較於國外的哥廷根小型豬（Göttingen minipigs），蘭嶼豬具有與人類相近的血液生理值（吳與章，2018），為良好的生醫研究用動物。本文將簡單介紹蘭嶼豬於臺灣生物醫學研究之概況。

心血管疾病與癌症研究
肥胖不一定會引起明顯的代謝症候群（metabolic syndrome, MetS），此種肥胖稱為健康型的肥胖（metabolically healthy obesity, MHO）。Li等人（2017）將 5月齡的李宋豬與蘭嶼豬餵飼 6 個月的高脂飼糧，分別誘發產生 MetS 與 MHO。以此兩種小型豬研究肥胖引起的心肌病變（obesity-induced cardiomyopathy）病程中所引起的細胞反應。心肌病變的過程中會發生細胞自噬作用（autophagy），其中 microtubule-associated protein 1 light chain 3（MAP1-LC3, LC3）為觀察細胞自噬作用的指標，其又可細分為 LC3I 與 LC3II。餵食 6 個月的高脂飼糧，豬隻變得相當肥胖，心臟重量增加且心肌的間質與血管周圍已纖維化。有趣的是，肥胖會誘發 MetS 李宋豬心臟脂質的蓄積與氧化壓力，以及增加 LC3II 與 LC3I 的比例，然對 MHO 蘭嶼豬無明顯影響，顯示出兩種模式擁有不同的細胞反應。

癌細胞生長需仰賴血液供給養分，阻斷其周邊血流，即可造成細胞壞死。肝癌治療時，可使用此原理將可裝載化療藥物的栓塞物質送入肝動脈中，塞住供給腫瘤養分的血管，同時亦可穩定且持續的釋放化療藥物，達到抑制腫瘤生長之效果。Liu 等人（2015）開發可生物降解與成像的微粒球（microsphere），並評估其對蘭嶼豬肝與脾栓塞的安全性與有效性。微粒球的尺寸約 300 至 400 μm，肝與脾的動脈以微粒球栓塞後，顯著減少肝臟的血流量，並導致脾梗塞（infarction）。此外，亦可以利用電腦斷層掃瞄觀察到微粒球於動脈內的降解現象，可作為理想的血管栓塞材料。

組織工程研究
關節軟骨（articular cartilage）因無血管分佈，一旦受傷或患病後無法自行再生。手術治療無法有效治癒關節軟骨的缺損，常需借助組織工程技術來解決。Hsieh 等人（2018）利用 methoxy poly（ethylene glycol）-block-poly（ε-caprolactone）（mPEG-PCL）與hydroxyapatite 來製作軟骨支架（scaffold），其可搭載含 10 ng/mL 乙型轉化生長因子（transforming growth factor beta, TGF-β1）的玻尿酸（hyaluronic acid），以誘導骨髓間質幹細胞（bone marrow mesenchymal stem cells）分化為透明軟骨（hyaline cartilage）。利用手術方式於蘭嶼豬後肢關節鑽孔，造成局部損傷後，再將含 TGF-β1 的軟骨支架移植至損傷區。12 個月後，利用電腦斷層掃瞄觀察到移植區有透明軟骨再生的現象，顯示移植的支架可改善蘭嶼豬軟骨的缺損。

心肌組織的再生能力相當低，一旦損傷後通常難以復原。而自體骨髓細胞（autologous bone marrow cells）或外周血球細胞（peripheral blood cells）雖有治療的潛力，然心臟不斷的跳動下，細胞移植後的滯留率相當低。水凝膠（hydrogel）為再生醫學研究中的上等素材，其可建構出適合細胞貼附與生長的 3D 微環境，適合用來輔助細胞移植。Chang 等人（2016）將蘭嶼豬的左前降支冠狀動脈（left anterior descending coronary artery）結紮，誘發心肌梗塞（myocardial infarction）。24 小時後，再將含玻尿酸的水凝膠與人類臍帶血單核細胞（human cord blood mononuclear cells）移植至損傷區。手術後兩個月，梗塞區域的結痂面積顯著減少並有血管生成現象，明顯改善了蘭嶼豬的心臟功能。

幹細胞移植治療研究
骨質疏鬆症（osteoporosis, OP）為一種骨骼代謝性疾病，骨質不斷的流失使骨密度降低，增加了骨折的風險。合適的動物模型能瞭解 OP 的發病機制、病程與治療方法，進而減輕其對人類的危害。Liao 等人（2018）利用卵巢移除配合鈣含量 0.5% 之低鈣飼糧與 1 mg/kg 的 prednisolone，處理 6 月齡的蘭嶼豬長達 12 個月，以建立蘭嶼豬的 OP 模式動物。經 OP 誘導後，蘭嶼豬的脛骨骨小樑（trabecular bone）不論是厚度與數目皆顯著減少，顯示有骨質流失的現象。將豬誘導多能性幹細胞（porcine induced pluripotent stem cells）衍生之成骨細胞（osteoblasts）移植於脛骨骨髓腔 6 個月後，可誘發骨質再生並修復骨小樑缺陷。
牙周炎（periodontitis）常引起牙齦發炎、流血與萎縮，嚴重時將造成牙齒脫落。根叉侵犯（furcation involvement）為牙周炎的病徵之一，造成患者大臼齒等多牙根牙齒的牙根分岔處的骨頭萎縮。若侵犯過於嚴重，即使治療後仍容易掉牙。現今雖已開發出不同的治療技術，仍無法完全彌補根叉侵犯所造成的損傷。Yang 等人（2013）利用手術方式於蘭嶼豬第二前臼齒（premolars）的頰面（buccal surface）牙根分岔處的骨頭上鑽孔，再配合Impregum牙科印模材料（impression materials）來誘發慢性發炎反應，模擬根叉侵犯現象。4 週的根叉侵犯誘發後，將豬胚幹細胞（porcine embryonic stem cells）移植於患部，進行 3 個月的治療。有趣的是，豬胚幹細胞可分化為牙周韌帶（periodontal ligament）與牙骨質（cementum）填補了缺陷部位，顯示胚幹細胞可用於治療蘭嶼豬的根叉侵犯。

結語
蘭嶼豬於 1980 年引進畜試所台東場選育至今已餘 40 載，並於 2013 年通過 AAALAC 的國際認證。在這期間也將蘭嶼豬選育成畜試花斑豬、畜試迷彩豬與賓朗豬等品系，增加了族群多樣性。蘭嶼豬嬌小的身軀，除了可減輕研究人員操作上的負擔，也可有效減少飼養與勞力成本。由於生理狀態與解剖構造與人類相似，蘭嶼豬從頭到腳，由裡至外皆為良好的研究對象。豬的遺傳變異性雖無法與專為試驗選育且標準化的大鼠與小鼠相比，但由流行病學研究的角度來看，卻較能真正反應試驗的真實情況，對新藥開發與發展新療法等生醫研究之臨床前動物試驗上，將可扮演重要腳色。

參考文獻

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