doktorantka, przewodnicząca studenckiego koła naukowego analityków weterynaryjnych Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Katedra Przedklinicznych Nauk Weterynaryjnych, Zakład Patofizjologii
Większość osób, słysząc słowo „świnia”, myśli o kotletach, boczku lub wiejskiej kiełbasie. Tymczasem w cichych laboratoriach na całym świecie świnie odgrywają rolę, która wykracza daleko poza produkcję żywności. Stały się one jednym z najcenniejszych modeli zwierzęcych w biomedycynie, a ich wkład w rozwój nowoczesnych terapii jest nie do przecenienia.
Kiedy trzoda spotyka się z nauką
Dlaczego akurat to zwierzę, a nie pies, małpa czy klasyczna mysz laboratoryjna? Odpowiedź leży w zaskakującym podobieństwie anatomicznym, genetycznym i metabolicznym między świnią a człowiekiem. Co więcej, badania prowadzone na świniach często przynoszą korzyści obu stronom: medycyna ludzka zyskuje skuteczniejsze implanty i leki, a hodowcy trzody chlewnej otrzymują nowe strategie żywieniowe poprawiające zdrowie i dobrostan zwierząt.
W niniejszym artykule przyjrzymy się trzem głównym obszarom, w których świnie stały się niezastąpione. Po pierwsze, omówimy, dlaczego świetnie nadają się do naśladowania chorób metabolicznych, takich jak cukrzyca typu 2, zespół metaboliczny czy miażdżyca. Po drugie, zagłębimy się w świat inżynierii tkankowej i stomatologii, gdzie świnie pomagają testować nowatorskie biomateriały, które mają szansę zrewolucjonizować ortopedię i chirurgię szczękową. Po trzecie, pokażemy, jak wiedza zdobyta na modelach świńskich wraca do chlewni w postaci żywienia funkcjonalnego, które pozwala ograniczyć antybiotyki i poprawić odporność prosiąt w kluczowym okresie odsadzenia. Na koniec spojrzymy w przyszłość, zastanawiając się nad wyzwaniami etycznymi i nowymi kierunkami, takimi jak bioinżynieria narządów.
Dlaczego świnia? Anatomiczne, metaboliczne i genetyczne podobieństwa do człowieka
Zanim przejdziemy do konkretnych zastosowań, musimy zrozumieć, co czyni świnię tak wyjątkowym modelem badawczym. Wbrew pozorom, nie chodzi tu wyłącznie o wielkość. Kluczowe jest podobieństwo na poziomie fizjologicznym i biochemicznym.
Zacznijmy od układu sercowo-naczyniowego. Serce świni, podobnie jak ludzkie, ma dobrze rozwinięte krążenie wieńcowe i podobną budowę zastawek. Co ważniejsze, profil lipidowy świń jest bliski ludzkiemu. Gryzonie, takie jak myszy i szczury, mają w większości frakcję HDL, czyli tak zwany dobry cholesterol. Świnie natomiast, tak jak ludzie, mają wysoki poziom LDL, czyli złego cholesterolu, który odpowiada za powstawanie blaszki miażdżycowej. To sprawia, że badania nad miażdżycą, zawałem serca czy udarem mózgu są na świniach znacznie bardziej miarodajne. Naukowcy mogą karmić świnie dietą wysokotłuszczową i po kilku miesiącach zaobserwować w ich tętnicach zmiany niemal identyczne jak u ludzi z zaawansowaną miażdżycą.
Kolejnym kluczowym obszarem jest układ trawienny i metabolizm. Świnie są wszystkożerne, podobnie jak człowiek. Ich przewód pokarmowy, choć nieco inaczej zbudowany pod względem proporcji, wykazuje podobną aktywność enzymów trawiennych i podobną przepuszczalność jelit. Procesy wchłaniania glukozy i lipidów są u świń i ludzi prawie identyczne. To właśnie dlatego świnie stały się złotym standardem w badaniach nad cukrzycą typu 2 i zespołem metabolicznym. W przeciwieństwie do gryzoni, u których insulinooporność często trzeba wywoływać w sposób sztuczny i nie do końca fizjologiczny, u świń wystarczy zastosować odpowiednią dietę, aby rozwinął się pełen obraz choroby, z otyłością brzuszną, stłuszczeniem wątroby i nadciśnieniem.
Nie można też pominąć układu kostnego. Kość świń, zarówno zwarta, jak i beleczkowata, charakteryzuje się procesem remodelingu, czyli ciągłej odbudowy i niszczenia, który jest histologicznie bardzo zbliżony do ludzkiego. Tempo gojenia się złamań u świń jest porównywalne z tempem u ludzi, co nie ma miejsca w przypadku gryzoni, u których procesy naprawcze są znacznie szybsze i mniej podobne. Dzięki temu świnie są idealnym modelem do testowania implantów ortopedycznych, protez stawów oraz biomateriałów stosowanych w regeneracji kości.
Wreszcie, istnieje jeszcze jeden, bardzo praktyczny aspekt. Świnie, zwłaszcza rasy miniaturowe, takie jak Yucatan, Göttingen czy Hanford, są stosunkowo łatwe w utrzymaniu, spokojne i dobrze znoszą procedury badawcze. Osiągają masę ciała od 40 do 80 kilogramów, co pozwala na używanie tego samego sprzętu chirurgicznego, implantów i aparatury diagnostycznej (tomografia komputerowa, rezonans magnetyczny), co w leczeniu ludzi. To ogromna zaleta, która przyspiesza translację wyników badań z laboratorium do kliniki.
Jak świnie pomagają tworzyć lepsze implanty i regenerować kości?
Przechodzimy teraz do najbardziej spektakularnego obszaru zastosowań świń, jakim jest inżynieria biomateriałów i implantologia. Wyobraźmy sobie pacjenta, który po wypadku stracił fragment żuchwy lub wymaga wszczepienia implantu stomatologicznego, ale jego kość jest zbyt słaba lub zakażona. Konwencjonalne implanty tytanowe, choć powszechnie stosowane, nie zawsze się przyjmują. Czasami tworzy się wokół nich biofilm bakteryjny, prowadzący do stanu zapalnego i ostatecznego odrzucenia. Czasami integracja z kością jest zbyt słaba, implant się obluzowuje. Aby rozwiązać te problemy, naukowcy opracowują zaawansowane powłoki i rusztowania, które mają stymulować wzrost kości i hamować rozwój bakterii. Jak sprawdzić, czy działają one w złożonym, wilgotnym i obciążonym mechanicznie środowisku organizmu? Tu właśnie do akcji wkracza świnia.
W jednym z kluczowych badań, opublikowanych w prestiżowym czasopiśmie chirurgii szczękowo-twarzowej, naukowcy wszczepili specjalnie zaprojektowane implanty tytanowe w kości ciemieniowe czaszki świń. Część implantów pokryto cienką, nanometrowej grubości warstwą polisiloksanu, do którego dodano nanocząstki srebra. Srebro od wieków jest znane ze swoich właściwości antybakteryjnych, jednak w postaci nanocząstek działa szczególnie skutecznie, uszkadzając błony komórkowe bakterii i blokując ich metabolizm. Po trzech miesiącach od wszczepienia, świnie zostały uśpione, a tkankę kostną wokół implantów poddano szczegółowej analizie histologicznej i mikrobiologicznej. Wyniki były niezwykle obiecujące. Powłoka z dodatkiem srebra okazała się w pełni biokompatybilna, co oznacza, że nie wywołała żadnego stanu zapalnego ani reakcji toksycznej w otaczających tkankach. Co więcej, implanty z powłoką wykazały bardzo dobrą integrację z kością. Co prawda standardowe implanty bez powłoki osiągnęły nieco wyższy wskaźnik bezpośredniego kontaktu kości z implantem (BIC, bone-to-implant contact) – wyższy o około 12 do 15%, ale kluczowym odkryciem było to, że dodatek srebra nie zaburzył procesu osteointegracji. Oznacza to, że można połączyć antybakteryjne działanie srebra z doskonałymi właściwościami mechanicznymi tytanu, tworząc implanty odporne zarówno na obluzowanie, jak i na zakażenie. Świnie pozwoliły wykazać, że taka strategia jest bezpieczna i skuteczna w warunkach zbliżonych do ludzkich.
Innym fascynującym przykładem są badania nad rekonstrukcją dużych, krytycznych ubytków kostnych, czyli takich, które nie są w stanie zagoić się same. Wyobraźmy sobie pacjenta po usunięciu nowotworu kości lub po rozległym urazie komunikacyjnym. Powstała luka jest tak duża, że organizm nie jest w stanie wypełnić jej nową kością. Dotychczasowym złotym standardem jest pobranie autoprzeszczepu, czyli fragmentu kości z innego miejsca ciała pacjenta, na przykład z grzebienia kości biodrowej. Zabieg ten jest bolesny, obarczony ryzykiem powikłań w miejscu pobrania i nie zawsze daje wystarczającą ilość materiału. Dlatego naukowcy od lat szukają sztucznych rusztowań, skaffoldów, które miałyby zastąpić przeszczep. W jednym z pionierskich eksperymentów na dorosłych świniach porównano dwa podejścia. W pierwszym zastosowano klasyczny autoprzeszczep. W drugim zastosowano zaawansowane technologicznie rusztowanie kompozytowe, wykonane z nanowłókien krzemionkowych z dodatkiem nanohydroksyapatytu i żelatyny, wzmocnionych włóknami kwasu polimlekowego. Hydroksyapatyt to naturalny składnik kości, który działa jak matryca dla wrastających osteoblastów, czyli komórek kościotwórczych. Kwas polimlekowy to biodegradowalny polimer, który stopniowo się rozpuszcza, pozostawiając miejsce dla nowej tkanki.
Co się okazało po sześciu miesiącach? Zarówno w grupie z autoprzeszczepem, jak i w grupie z rusztowaniem kompozytowym doszło do całkowitego zrostu ubytku i powstania dojrzałej, unaczynionej kości beleczkowatej. Co więcej, gdy po tym okresie w nowo odtworzoną kość wprowadzono implanty dentystyczne, grupa z rusztowaniem kompozytowym wykazała nawet nieco lepszą osteointegrację, czyli lepsze połączenie implantu z kością. Oznacza to, że w przyszłości być może nie będziemy musieli okaleczać pacjenta, pobierając mu kość z biodra. Wystarczy wszczepić sztuczny biomateriał, który po pewnym czasie sam zostanie zastąpiony przez własną, zdrową tkankę. Świnie, dzięki swojej wielkości i podobieństwu metabolicznemu, były idealnym modelem do przetestowania tego podejścia przed rozpoczęciem badań klinicznych z udziałem ludzi.
Nie można również pominąć badań nad tak zwanymi implantami natychmiastowymi, czyli wszczepianymi od razu po ekstrakcji zęba. W praktyce klinicznej często zdarza się, że po usunięciu zęba pozostaje ubytek kości, który może wpłynąć na stabilność implantu. Badania na miniaturowych świniach pozwalają precyzyjnie określić, jak bardzo ubytek kości wpływa na stan tkanek miękkich, czyli dziąseł oraz jak różne protokoły leczenia, na przykład z zakryciem implantu błoną lub bez, wpływają na końcowy efekt estetyczny i funkcjonalny. Dzięki takim badaniom chirurdzy stomatolodzy mogą doskonalić swoje techniki, aby implanty służyły pacjentom przez dziesięciolecia, a wygląd dziąsła był naturalny i estetyczny.
Świnia a ludzkie choroby cywilizacyjne
Otyłość, cukrzyca typu 2, nadciśnienie tętnicze, niealkoholowe stłuszczenie wątroby. To plaga współczesnego świata, która generuje ogromne koszty leczenia i cierpienie milionów ludzi. Aby opracować skuteczne leki, diety oraz interwencje stylu życia, naukowcy potrzebują zwierzęcego modelu, który wiernie odtwarza złożone, wielonarządowe procesy tych chorób. Myszy można łatwo utuczyć i wywołać u nich oporność insulinową, jednak proces ten różni się od ludzkiego w wielu kluczowych szczegółach. Myszom brakuje na przykład pewnych izoform enzymów zaangażowanych w metabolizm glukozy, a ich profil lipidowy jest odwrotny niż u ludzi. Świnie okazują się tutaj modelem znacznie lepszym.
Szczególnie cenna jest rasa świń Ossabaw. Pochodzące z dzikiej populacji z wyspy Ossabaw u wybrzeży stanu Georgia w USA, Te świnie wykształciły w toku ewolucji tak zwany gen oszczędnościowy. W środowisku naturalnym, gdzie okresy obfitości pokarmu przeplatały się z okresami głodu, gen ten pozwalał im magazynować duże ilości tłuszczu w tkance podskórnej i trzewnej, aby przetrwać trudne czasy. Kiedy jednak takie świnie są karmione typową zachodnią dietą, bogatą w tłuszcze nasycone, cholesterol, cukry proste i sól, rozwija się u nich pełen obraz zespołu metabolicznego. Co ważne, choroba rozwija się stopniowo, przez wiele miesięcy, tak jak u ludzi. Obserwuje się u nich otyłość brzuszną, nadciśnienie tętnicze, wysoki poziom cholesterolu całkowitego i frakcji LDL, insulinooporność, a w końcu jawną cukrzycę typu 2, a także stłuszczenie wątroby.
Najbardziej spektakularnym odkryciem ostatnich lat jest to, że u świń Ossabaw rozwija się również niewydolność serca z zachowaną frakcją wyrzutową. Jest to szczególnie podstępna postać niewydolności serca, w której serce teoretycznie pompuje krew prawidłowo, ale jest sztywne i nie rozluźnia się wystarczająco, co prowadzi do duszności, zmęczenia i obrzęków. Ta postać niewydolności serca jest bardzo trudna w leczeniu i do tej pory brakowało dobrego modelu zwierzęcego do jej badania. Świnie Ossabaw, dzięki swojej podatności na zespół metaboliczny, stają się tym brakującym ogniwem. Badanie mechanizmów tego schorzenia na świniach pozwala na opracowanie terapii, które mogą uratować życie milionom ludzi.
Innym ciekawym podejściem jest łączenie diety wysokotłuszczowej z podawaniem niskich dawek streptozotocyny. Streptozotocyna to związek chemiczny, który jest toksyczny dla komórek beta trzustki produkujących insulinę. W odpowiednich dawkach, podawanych wielokrotnie, pozwala na uzyskanie stabilnej, przewlekłej hiperglikemii, czyli wysokiego poziomu cukru we krwi, bez całkowitego zniszczenia trzustki i rozwoju śpiączki ketonowej. Taki model wiernie naśladuje zaawansowaną cukrzycę typu 2 u otyłych pacjentów, u których komórki beta są już częściowo wyniszczone. Modele te są nieocenione w testowaniu nowych leków przeciwcukrzycowych, na przykład analogów GLP-1, czy nowych metod podawania insuliny.
Tab. 1. Porównanie modeli zwierzęcych w badaniach nad integracją implantów kostnych i biomateriałów
Żywienie funkcjonalne – jak wiedza o metabolicznych chorobach człowieka pomaga trzodzie
Przechodzimy teraz do aspektu, który powinien szczególnie zainteresować hodowców trzody chlewnej. Okazuje się, że ta sama wiedza, która służy leczeniu ludzi, może być z powodzeniem stosowana w chlewni, aby poprawić zdrowie prosiąt, ograniczyć stosowanie antybiotyków i zwiększyć efektywność produkcji. Kluczowym momentem w życiu świni jest okres odsadzenia. To ogromny stres dla prosięcia. Rozłąka z matką, zmiana żywienia z mleka na paszę stałą, nowe środowisko, często przegrupowanie z innymi prosiętami. Wszystko to prowadzi do zjawiska zaniku kosmków jelitowych. Kosmki to palczaste wypustki błony śluzowej jelita cienkiego, które zwiększają powierzchnię wchłaniania. Pod wpływem stresu stają się krótsze, zanikają, co prowadzi do gorszego wchłaniania składników pokarmowych, biegunek, a w skrajnych przypadkach do śmierci. Przez dziesięciolecia walka z tym problemem opierała się na dodawaniu do paszy antybiotyków, które działały bakteriostatycznie i lekko stymulowały wzrost. Dziś wiemy, że to droga donikąd, prowadząca do narastającej lekooporności bakterii.
Dzięki badaniom nad metabolomiką i interakcjami „gospodarz-mikroflora”, prowadzonym właśnie na modelach świń, naukowcy opracowują alternatywne, funkcjonalne dodatki paszowe. Znakomitym przykładem jest kwas betulinowy. To naturalnie występujący triterpen, który można znaleźć w korze brzozy. W badaniu przeprowadzonym na odsadzonych prosiętach, którym podawano lipopolisacharyd, czyli toksynę bakteryjną wywołującą ostry stan zapalny, dodatek kwasu betulinowego do paszy przyniósł spektakularne efekty. Przede wszystkim kwas betulinowy nie tylko poprawił strukturę kosmków jelitowych, przywracając ich wysokość i gęstość, ale także zredukował stan zapalny mierzony poziomem cytokin prozapalnych, takich jak TNFalfa czy interleukina 6. Co jednak najważniejsze, zadziałał na poziomie mitochondriów. Mitochondria to elektrownie komórkowe. Pod wpływem stresu ulegają uszkodzeniu, co prowadzi do nadmiernej produkcji wolnych rodników i zaprogramowanej śmierci komórki. Kwas betulinowy chronił mitochondria komórek nabłonka jelitowego przed tym uszkodzeniem, wspomagał mechanizmy mitofagii, czyli usuwania uszkodzonych mitochondriów, i przywracał prawidłową gospodarkę energetyczną. W efekcie prosięta były zdrowsze, rzadziej chorowały i lepiej rosły.
Co więcej, kwas betulinowy działał także na mikroflorę jelitową. Badanie sekwencjonowania genu 16S rRNA wykazało, że u prosiąt otrzymujących dodatek BA zwiększył się udział pożytecznych bakterii z typu Firmicutes, takich jak Lactobacillus i Faecalibacterium, które produkują krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, odżywiające nabłonek jelitowy. Natomiast spadła liczebność potencjalnie patogennych Proteobakterii, w tym szkodliwych szczepów Escherichia coli. To doskonały przykład medycyny translacyjnej w działaniu.
Badania nad metabolizmem człowieka i modelami chorób metabolicznych u świń zaowocowały praktycznym, gotowym do wdrożenia rozwiązaniem dla producentów trzody chlewnej. Dziś kwas betulinowy i inne podobne związki, takie jak kurkumina, kwasy tłuszczowe średniołańcuchowe czy mannanoligosacharydy, są coraz powszechniej stosowane w paszach funkcjonalnych, zmniejszając zależność hodowli od antybiotyków.
Tab. 2. Porównanie wpływu wybranych dodatków funkcjonalnych na zdrowie jelit odsadzonych prosiąt
Wyzwania etyczne, ograniczenia i przyszłość badań
Nie można pisać o wykorzystaniu zwierząt w badaniach naukowych bez odniesienia się do kwestii etycznych. Świnie są zwierzętami inteligentnymi, społecznymi i czującymi. Współczesna nauka i prawo kładą ogromny nacisk na zasadę 3R, czyli zastępowanie (replacement), ograniczanie (reduction) i udoskonalanie (refinement). Zastępowanie oznacza, że jeśli tylko jest to możliwe, zamiast zwierząt stosuje się modele komputerowe, hodowle komórkowe lub organizmy niższe. Ograniczanie to używanie jak najmniejszej liczby zwierząt niezbędnej do uzyskania wiarygodnych wyników. Udoskonalanie to dbałość o to, aby warunki bytowe zwierząt były jak najlepsze, a procedury badawcze minimalizowały ból i cierpienie.
W przypadku badań nad implantami i chorobami metabolicznymi na świniach, zasady 3R są rygorystycznie przestrzegane. Wszelkie eksperymenty muszą być zatwierdzone przez lokalne komisje etyczne. Świnie trzymane są w przestronnych kojcach z wzbogaconym środowiskiem, mają zapewniony dostęp do wody i paszy, a wszelkie zabiegi chirurgiczne wykonywane są w głębokiej anestezji, z odpowiednim uśmierzeniem bólu pooperacyjnego. Po zakończeniu eksperymentu zwierzęta są humanitarnie uśpione. Mimo tych zabezpieczeń, debata etyczna trwa. Coraz więcej naukowców pracuje nad modelami in vitro, na przykład nad hodowlami organoidów, czyli miniaturowych, trójwymiarowych struktur przypominających narządy. Hodowle takie można uzyskać z komórek macierzystych pobranych od świni, co pozwala na testowanie biomateriałów i leków bez użycia żywych zwierząt. Jednakże na razie żaden model in vitro nie jest w stanie odtworzyć złożonych interakcji całego organizmu, takich jak odpowiedź immunologiczna czy wpływ unaczynienia na integrację implantu. Dlatego modele zwierzęce, w tym świńskie, pozostaną niezbędne przez najbliższe lata.
Patrząc w przyszłość, najbardziej ekscytującym kierunkiem badań jest ksenotransplantacja, czyli przeszczepianie narządów od zwierząt do ludzi. Świnie są głównym kandydatem do roli dawcy narządów dla ludzi. Ich serca, nerki i wątroby mają odpowiednią wielkość. Głównym problemem jest ostre i przewlekłe odrzucanie przeszczepu, spowodowane różnicami genetycznymi. Dzięki technologii CRISPRCas9, naukowcy nauczyli się wprowadzać w genomie świni kilkadziesiąt modyfikacji, które mają na celu wyeliminowanie antygenów odpowiedzialnych za odrzucanie, a także dodanie genów ludzkich, które „ukrywają” narząd przed układem odpornościowym biorcy. W 2022 roku po raz pierwszy przeszczepiono genetycznie zmodyfikowane serce świni człowiekowi (pacjent David Bennett), choć niestety pacjent zmarł po kilku miesiącach. Mimo to, badania trwają i wiele wskazuje na to, że w ciągu najbliższej dekady ksenotransplantacja stanie się realną opcją dla pacjentów oczekujących na narządy. I znów, to właśnie świnie, jako model zarówno dla człowieka, jak i potencjalny dawca, znajdują się w centrum uwagi.
Wspólna przyszłość
Świnia odgrywa dziś rolę, której nikt nie przewidział kilkadziesiąt lat temu. Jest pomostem między naukowym laboratorium a kliniczną praktyką, między hodowlą a high-tech. Dzięki jej wykorzystaniu możemy testować zaawansowane biomateriały, które w przyszłości zastąpią uszkodzone kości i stawy. Rozumiemy mechanizmy epidemii otyłości i cukrzycy, szukając na nie skutecznego leku. Jednocześnie, czerpiąc z tej wiedzy, wracamy do hodowli, oferując zwierzętom lepsze, bardziej naturalne metody dbania o zdrowie, odchodząc od antybiotykowego wymuszania wzrostu.
Czy świnie mogą korzystać z dobrodziejstw biomateriałów i nowoczesnej medycyny? Absolutnie tak, choć dzieje się to w nieoczywisty sposób. Korzystają, służąc jako model, który pomaga udoskonalić te same technologie, które później mogą być użyte do leczenia weterynaryjnego ich pobratymców. Korzystają, gdy dzięki badaniom nad ludzkim metabolizmem trafiają na rynek zdrowsze pasze, takie jak zawierające kwas betulinowy. To piękny przykład symbiozy, w której granica między medycyną człowieka a dobrostanem zwierząt ulega zatarciu, a nauka wygrywa po obu stronach. Dla hodowcy trzody chlewnej oznacza to nie tylko dumę z faktu, że jego podopieczne przyczyniają się do postępu medycyny, ale także wymierne korzyści w postaci zdrowszych, bardziej odpornych zwierząt, które wymagają mniej antybiotyków. Przyszłość hodowli, podobnie jak przyszłość medycyny, będzie coraz ściślej spleciona z nauką, a świnie z pewnością odegrają w niej kluczową rolę.
Piśmiennictwo dostępne u autora.
