生物、医药和医疗器械技术

实验动物科学作为现代生命科学技术的重要组成部分，成为衡量一个国家、地区或单位科学研究水平的重要指标。在过去二十年，美国和欧盟等发达国家主导的，以小鼠模型为基础的国际小鼠敲除计划（KOPP）、国际基因敲除小鼠联盟（IKMC）和国际小鼠表型分析联盟（IMPC）等国际大科学计划的实施，大大加快了发达国家在生命科学领域和基础医学领域的进步。相比于小鼠等小型啮齿类动物，猪在解剖结构和生理特征等方面与人类更为相近，是模拟人类遗传性发育与代谢疾病的最佳实验动物之一。近年来，随着基因编辑技术的发展，已经有越来越多的猪模型出现在人类疾病的研究当中，包括人类遗传发育类疾病、代谢类疾病和其他一些罕见病的猪模型。然而区别于以模式小鼠为基础的IKMC和IMPC计划，由于在资金、技术以及管理上的特殊性，关于规模化制备猪模型的计划在国际上迟迟未能开展，科研工作者至今只是零星的、有针对性地对特异基因进行探索性地尝试，不够系统，缺乏规划，资源整合度不高。基于以上国际背景，本项目在技术水平，产品或技术的新颖性、先进性和独特性说明如下：（1）模式猪规模化制备方法的可行性和先进性。诸多研究证实通过CRISPR文库可在哺乳动物细胞内实现规模化的候选功能基因高效编辑，在新的模式猪规模化基因编辑开发领域，本项目负责人吴森教授领导的团队创建了不依赖于同源重组的靶向性基因捕获系统HIT-trapping (Genome Research, 2021)，以及哺乳动物全基因组PB-CRISPR文库（PNAS, 2017），实现了高效率、规模化的基因编辑，将该研究策略应用于猪成纤维细胞或多能性干细胞中，并通过已相对成熟的体细胞核移植技术规模化培育突变猪，不存在技术障碍，并有望建立突变猪模型高效培育的核心技术体系。（2）发育代谢疾病猪模型制备及发病机理研究的可行性和先进性。本项目申报团队团队前期已建立猪基因组精准编辑和单碱基编辑技术。可有效实现呼吸、循环系统和泌尿系统，肌肉和脂肪等代谢系统，神经系统，运动和消化系统的人重要发育疾病，以及猪胰腺、肝脏、脂肪和骨骼肌等代谢调控组织特异性表达基因的点突变、过表达和条件性敲除等精准遗传操作，无技术障碍。同时，本项目申请团队已初步明确心血管系统、神经系统、肌肉发育障碍和遗传性多囊肾病，以及脂肪营养不良、肌肉营养不良、代谢性肝病及糖尿病等相关人源化突变基因及位点，已建立人类先天发育缺陷和代谢紊乱疾病评价平台及技术体系。因此，可保障培育一批具备自主知识产权的突变模式、疾病表型、发病机制等与人高度相似的原创性发育代谢疾病猪新模型，有效缓解猪疾病模型过少、应用受限等瓶颈问题，推动猪模型在重大人类遗传性发育和代谢疾病研究中的应用。（3）发育与代谢疾病治疗新技术研发的可行性和先进性。利用遗传代谢性疾病猪模型建立基因治疗产品评价技术及规范，将系统评估猪模型在遗传性代谢病基因治疗临床前评价研究中的有效性、前瞻性及其潜在应用优势；利用发育代谢性疾病猪模型建立FMT治疗的产品评价技术及规范，将比较菌群移植及其作用在猪与人之间的异同，研究宿主基因与微生物互作对发育代谢性疾病表型发生发展影响，推动标准、安全、有效、产品化的FMT转化应用；利用发育性疾病猪模型建立微创外科手术治疗的评价技术及规范，将研发、评价新方案或产品的安全性、有效性，为其进入临床试验形成基础资料。（4）发育代谢突变猪模型资源库建设的可行性和先进性。我国在模式猪资源保存与创新利用方面，还缺乏一个标准化、规模化、智能化、精准化创新研究应用及收集保存的共享设施平台，限制了模式猪资源共享及应用，本项目将首次建立发育和代谢疾病猪模型表型高通量鉴定技术平台及基因组数据库，准确详实地记录模型猪的表型数据和基因组等高通量测序数据，构建模型猪资源库与医学转化应用技术共享支撑平台，该平台具有标准化、规模化、智能化、精准化的特点。本项目拟建立冷冻库、活体库、信息库等三位一体的发育代谢突变猪模型资源库及模型应用的支撑技术平台。同时，基于项目申报团队已经建立的猪模型医学应用设施及技术体系，通过进一步研发系统的发育和代谢疾病猪模型在转化医学的应用，形成猪模型医学转化应用的技术规程、技术标准，建立猪模型与转化医学的共享平台。从而形成完善的“模型研发-资源保存-医学转化”研发体系，构成模型研发和实际应用的桥梁，推动发育和代谢疾病猪突变品系模型持续研发和应用。申请人团队依托于“模式动物（猪）表型与遗传研究国家重大科技基础设施”，该设施是《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》中明确在“十二五”期间优先安排的内容，总投资7.6亿元，规划面积3万平方米，建有全球规模最大的SPF级医用实验小型猪培育和实验基地，也是在世界上第一个建设实现将猪做成模式动物功能的，集培育、表型与遗传分析于一体的，可以对猪进行全尺度、全方位研究的大型综合研究设施。该设施致力于解决表型和基因遗传机制中的核心生命科学问题，在心血管疾病、代谢性疾病、医药健康、器官移植等多方面进行重大战略布局。同时，申请人所在的中国农业大学“农业生物技术国家重点实验室”条件优越，各种分析仪器和设备齐全，具备进行分子生物学、生物化学、病理学、分析化学、动物实验研究的条件。中国农业大学在河北省涿州市还建有国家级畜禽园区，设施良好，管理先进，可以为实验猪的饲养管理提供良好的条件。这些国家级的基础设施将为本项目的顺利开展提供强大的硬件条件支撑。

人类疾病动物模型研究是生命科学和医学创新研究的重要组成部分，是“创新型”国家的战略资源之一。动物模型是生物医药领域取得突破性进展的核心和关键，但当前多种疾病和药物的研发都缺乏合适的动物模型。与小动物相比，猪在解剖结构、生理特性及器官大小等方面均与人类非常接近，是研究人类遗传性发育与代谢性疾病的理想模型动物；另外，猪在免疫系统结构、功能以及基因表达模式上也均与人类具有高度的相似性，是更适合用于预测治疗性干预的转化动物模型；许多人类疾病的病原体在猪上也普遍存在，猪已被广泛用于呼吸道、肠道等传染病研究中。而且猪的来源广，繁殖周期短，产仔多，涉及的伦理问题少，遗传背景研究清楚，因此，猪越来越广泛地被大众接受并被认为是开展医学临床前试验的最佳模型之一。我国实验动物科学经过三十几年的发展，走完了发达国家近百年走过的路，取得了巨大成就，在解决我国人口增多、老龄化、环境污染、重大疾病、传染病控制、新药创制、食品安全问题等诸多方面发挥着关键作用。但随着现代生物科学技术的发展和我国生命健康领域的进步，目前我国模式动物存在的问题很多，阻碍着转化医学等学科的发展，也影响我国生命科学的进步，主要表现在实验动物资源短缺，质量参差不齐，品种品系少，特别是拥有完全自主知识产权的实验动物品种品系少。本项目的开展，将以猪为模式动物，运用最新的规模化基因打靶技术，制备人类发育与代谢类疾病猪模型。由于规模化制备基因编辑猪模型在国际上尚属空白，这是我们难得的契机和挑战，有希望在本领域取得国际领先的突破性原创进展，为我国在实验动物学科建设、比较医学领域和生物医药研发中起到积极的推动作用。本项目创制的呼吸、循环系统和泌尿系统，肌肉和脂肪等代谢系统，神经系统，运动和消化系统的遗传性发育疾病，以及脂肪营养不良、肌肉营养不良、代谢性肝病和糖尿病等人类重大发育代谢疾病猪模型，将整体推动模式猪的研究与应用；本项目发现的新基因、新突变、新机制，将有利于发育代谢疾病理论与基础创新。本项目将利用培育的先心病、冠心病、遗传性代谢病等人重要疾病猪模型，研发基因治疗、FMT治疗、微创外科与生物材料修复治疗的新技术、新产品，评估其安全性、有效性，将为其临床应用或临床试验形成基础，推动发育代谢疾病临床治疗新技术、新产品研发。本项目建立的猪发育及代谢疾病模型医学应用技术平台及品系资源库，将架接模型研发端和需求端，解决模型应用“最后一公里”支撑条件，推动医用猪模型持续应用及发展，形成“模型研发-资源保存-医学应用”完整的猪模型研究及应用技术支撑平台和资源保障平台。目前，国际上研究哺乳动物基因定位修饰仍只限于一些小型实验动物，因此，通过该项目的实施，建立一批具有自主知识产权、在生物医学及新药研发等领域有重要价值的人类重大疾病小型猪模型，对了解基因功能、阐明相关疾病发病机理、寻找疾病早期分子标志、研究新的治疗方法、验证新的药物靶标和开发新药具有重要意义，从而提升我国相关研究领域的自主创新能力和生物医药产业的竞争力。