引用本文
苗晋鑫, 张振强. 叙利亚仓鼠应用于病毒感染性疾病动物模型的研究进展[J]. 中国人兽共患病学报, 2021,37(1): 71-77
MIAO Jin-xin, ZHANG Zhen-qiang. Research progress of Syrian hamsters applied to animal models of viral infectious diseases[J]. Chinese Journal of Zoonoses, 2021,37(1): 71-77.
Doi: 10.3969/j.issn.1002-2694.2020.00.177
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Copyright©2021, 中国人兽共患病学报
中国人兽共患病学报
通讯作者：张振强,Email:Zhang_zhenqian@126.com; ORCID: 0000-0002-1736-1289
收稿日期: 2020-04-18
资助项目:
河南中医药大学博士科研启动基金(No.RSBSJJ2018-36)、河南省高等学校重点科研项目(No.21A360021)联合资助
Research progress of Syrian hamsters applied to animal models of viral infectious diseases
Academy of Chinese Medicine Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450046, China
Corresponding author: Zhang Zhen-qiang, Email: Zhang_zhenqian@126.com
Fund:Supported by the PhD Research Startup Foundation of Henan University of Chinese Medicine (No.RSBSJJ2018-36) and Key Scientific Research Projects of Henan Province Colleges and Universities (No. 21A360021)
Key words:Syrian hamster;animal model;highly pathogenic emerging virus;infectious disease
病毒感染性疾病仍然是全球公共卫生威胁之一。在过去的几十年中, 高致病性病毒感染性疾病有严重急性呼吸综合征、汉坦病毒肺综合征、西尼罗河神经综合征、埃博拉出血热等。这些病毒感染性疾病的发病率和死亡率很高, 严重威胁人类生命和健康。病毒感染性疾病的防治需要更好地了解病毒的发病机理和传播机制, 需要能准确重现病毒感染性疾病的动物模型。目前, 研究病毒感染性疾病的非人灵长类动物模型数量少、价格贵, 而且小鼠模型存在模拟疾病不足等缺陷。因此, 急需开发一种更为理想的病毒学研究动物模型。因为与人类在疾病症状、病原学和免疫反应方面相似性更高, 叙利亚仓鼠(Syrian hamster)已被用于多种病毒感染性疾病的动物模型。
叙利亚仓鼠又称金黄仓鼠(Mesocricetus auratus)是一种小型啮齿类哺乳动物, 广泛分布于东南欧和小亚细亚的干旱温带地区[1]。叙利亚仓鼠在解剖学、生理学和免疫学等生物学特征与人类相似。而且, 叙利亚仓鼠具有繁殖周期短、操作简单、饲养成本低和可感染多种人类病毒等显著优势。因此, 叙利亚仓鼠与其它实验小动物相比是理想的病毒感染性疾病动物模型。本文从生理学和免疫学等生物学特征阐明叙利亚仓鼠应用于多种新兴的人类高致病性病毒感染性疾病动物模型的优点, 为叙利亚仓鼠的应用和病毒感染性疾病的研究提供科学依据。
1 叙利亚仓鼠生物学的优势
1.1 生理学
叙利亚仓鼠通常长到14~19 cm, 成年体重在110~140 g, 随着年龄变大体重可达200 g。叙利亚仓鼠妊娠期平均16 d, 哺乳期为21~28 d, 离乳后2周性成熟; 其生育期从6~8周起可延续到14个月龄, 每年可产7~8胎, 窝产6~12只[2, 3]。因此, 叙利亚仓鼠体型适中, 繁殖速度快且窝仔多的生理学特征表明其易操作和易获得。
1.2 免疫学
已经在叙利亚仓鼠中鉴定出T淋巴细胞CD3分子。CD3表达于T细胞表面, 其功能是转导T细胞抗原受体(T cell receptor, TCR)识别抗原所产生的活化信号。Tysome等[4]对叙利亚仓鼠CD3编码序列克隆, 并制备CD3(4F11)删除抗体用于实验研究。叙利亚仓鼠CD3抗原结构与人类CD3抗原有相似之处。CD4是协助T细胞受体与抗原呈递细胞通讯的辅助受体, 在抗病毒免疫中发挥重要作用。Rees等[5]利用人类等特异的mAb标记筛选鉴定叙利亚仓鼠白细胞分化分子上的表位mAb, 发现HAL36A抗体与市售小鼠单抗GK1.5可同时识别叙利亚仓鼠CD4上表达的保守表位, 此序列在叙利亚仓鼠与人和小鼠之间高度保守。
细胞因子(cytokine, CK)是由多种细胞产生介导机体免疫和炎症反应的一类多肽分子, 包括白细胞介素(IL)、集落刺激因子(CSF)、干扰素(IFN)、肿瘤坏死因子(TNF)、转化生长因子家族-β (TGF-β family)、生长因子(GF)、趋化因子家族(CKF)等。Melby等[6]克隆并比较了叙利亚仓鼠IFN-γ 、IL-2、IL-12p40、TNF-α 、TGF-β 等与小鼠、大鼠和人的相似性。研究发现, 这些细胞因子氨基酸序列与人同源性较高。与小鼠和大鼠IFN-γ 蛋白序列相比, 叙利亚仓鼠和人在IFN-γ 蛋白C末端分别多17和9个氨基酸(aa)[6]。研究证明, 从人IFN-γ 蛋白的C末端删除9个氨基酸(138-146 aa), 特异性抗病毒活性提高7倍[7]。叙利亚仓鼠白介素-2(IL-2)保守序列具有生物活性所需的天冬氨酸残基(在人序列的第20位)[6]。叙利亚仓鼠IL-12p40氨基酸序列有5个半胱氨酸残基和3个潜在的N-糖基化位点, 这与人和小鼠的序列一致[6]。同时, 仓鼠IL-12p40序列包含3-aa序列, 这个序列存在于人类基因, 但不存在于小鼠和大鼠[6]。白介素-12(IL-12)在调节T细胞体内平衡、抑制病毒复制和从宿主细胞清除病毒等方面发挥重要作用[8]。Wang等[9]发现人类IL-12在叙利亚仓鼠模型中具有生物活性, 但是在小鼠模型中没有生物活性。另外, 还有许多人类细胞因子包括IL-2和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)在叙利亚仓鼠中具有生物活性[10, 11]。巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)是促炎性细胞因子, 其从单核细胞/巨噬细胞的细胞内释放, 影响各种病理刺激, 包括炎症和病毒感染[12]。Suresh等[13]预测并验证重组仓鼠MIF(rha-MIF)的主要序列、生化特性和晶体结构与人类MIF的相似性更高。叙利亚仓鼠与人类在免疫细胞和细胞因子的序列、结构和生物功能方面相似, 为叙利亚仓鼠作为病毒感染性疾病的动物模型提供理论依据。
2 叙利亚仓鼠在人类病毒感染性疾病中的应用
2.1 冠状病毒
目前已知有7种冠状病毒能够导致人类呼吸系统疾病, 其中严重急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)、中东呼吸综合征冠状病毒(middle east respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)、严重急性呼吸综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)具有传染性, 可导致大规模的流行和高死亡率。因此, 急需对这3种高致病性传染性冠状病毒建立有效的冠状病毒感染动物模型, 对病毒发病机制及药物研发具有重大意义。
2.1.1 SARS-CoV-2 2019年12月暴发的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)疫情已经蔓延全球, 确诊和死亡病例在不断增加。截止2020年10月31日, 全球疫情还在继续。SARS-CoV-2感染动物模型是研究2019冠状病毒病(coronavirus disease 2019, COVID-19)发病机制、传播途径及宿主免疫反应的重要工具, 更是评估疫苗效力和药物作用的基础。多项研究发现恒河猴感染SARS-CoV-2后症状较人类轻, 无发烧、严重炎症和其他器官损伤的现象[14, 15]。野生小鼠不支持SARS-CoV-2的感染, hACE2转基因小鼠感染后表现较轻症状, 与人有很大不同[16]。年轻的雪貂被SARS-CoV-2感染后没有出现与人类相似的症状, 更没有出现严重疾病或死亡[17]。因此, 研究人员试图建立叙利亚仓鼠感染模型。Chan等[18]用SARS-CoV-2感染叙利亚仓鼠, 被感染的动物出现与人相似的临床特征, 如体重减轻、嗜睡、肠粘膜炎症以及呼吸急促等症状, 同时在呼吸道、肺、肠道等检测到了病毒及出现间质性肺炎的病理特征。另一研究小组将叙利亚仓鼠用于SARS-CoV-2可能传播途径的研究[19]。与非人灵长类动物和hACE2转基因小鼠不同, 叙利亚仓鼠模型表现出更多的临床症状(表1)。
表1 SARS-CoV-2动物模型 Tab.1 SARS-CoV-2 animal model
2.1.2 SARS-CoV 非洲绿猴对SARS-CoV易感, 并支持病毒复制, 感染后动物出现间质性肺炎的病理特征。然而, 被SARS-CoV感染的非洲绿猴症状较轻, 不能重现重症临床表现和未观察到死亡, 且数量少、成本高, 这些都制约了其模型的应用[20]。hACE2转基因小鼠模型是将人ACE2基因转入到小鼠受精卵细胞使小鼠体内表达高水平的人ACE2。但是感染SARS-CoV后, 该小鼠模型脑组织中检测到病毒或病毒抗原, 并且由于病毒在脑中广泛传播而导致小鼠死亡, 不符合人类临床症状[21, 22]。感染SARS-CoV的雪貂研究报告数据冲突, 一组观察到少量的临床疾病[23], 而另一组则没有[24], 雪貂模型有待进一步表征以解决这些不一致的结果。研究发现叙利亚仓鼠可被SARS-CoV感染[25]。叙利亚仓鼠在SARS-CoV感染后呼吸道产生高病毒滴度, 病毒复制发生在呼吸道的上皮细胞中, 并引起间质性肺炎、肺部固结和弥漫性肺泡损伤; 在仓鼠感染后第7 d血清中检测到强大的中和抗体反应, 并且保护仓鼠免受初次感染后28 d的再次攻击[25]。免疫抑制的叙利亚仓鼠感染SARS-CoV后, 感染该病毒的仓鼠除了表现出与人相似的肺和外器官损害(如脾萎缩、急性肾小管坏死、神经元水肿与变性、心脏水肿与心肌纤维萎缩), 仓鼠还表现出体重减轻和死亡[26]。以上研究证实叙利亚仓鼠对SARS-CoV感染表现出客观的临床体征伴随着呼吸道高病毒滴度和肺组织病理学改变, 适合进行免疫预防和治疗研究。SARS-CoV感染动物模型的比较见表2。
表2 常用 SARS-CoV动物模型 Tab.2 Commonly used animal model of SARS-CoV infection
2.2 汉坦病毒
汉坦病毒肺综合征(hantavirus pulmonary syndrome, HPS)是一种与汉坦病毒有关的罕见且致命的病毒感染性疾病, 常见汉坦病毒有安第斯病毒(Andes virus, ANDV)和辛诺柏病毒(Sin Nombre virus, SNV)[28]。临床特征是发烧、严重呼吸窘迫和突发心源性休克, 多达50%的病例可能致命。Safronetz等[29]开发了一种类似HPS的恒河猴模型。目前, 叙利亚仓鼠模型是唯一类似于人HPS的小动物模型。仓鼠感染ANDV后, 会发展出类似人的HPS的疾病, 包括突然和快速的严重呼吸窘迫[30]。叙利亚仓鼠与人的汉坦病毒受体比较相似, 且受体具有相似的功能[31]。研究发现利巴韦林(Ribavirin)保护鼻内暴露于ANDV的叙利亚仓鼠免于发生致命的汉坦病毒肺综合症[32]。以上说明, ANDV感染叙利亚仓鼠模型是研究HPS发病机制、评价预防和治疗HPS的良好动物模型。
2.3 副粘病毒
副粘病毒科亨尼帕病毒属包含两种致死性病毒, 即尼帕病毒(Nipah virus, NiV)和亨德拉病毒(Hendra virus, HeV)。研究发现这两种病毒是人兽共患病毒, 可通过猪(NiV)和马(HeV)等中间宿主向人类传播, 临床上人类感染NiV或HeV通常会导致严重的脑病和呼吸道疾病。目前用雪貂和猫等动物来研究NiV感染的致病性。雪貂和猫分别感染后未检测到脑炎, 但部分动物中发生了非化脓性脑膜炎, 某些动物检测到的脑炎与人类的不相同[33, 34]。IFNAR基因敲除小鼠对HeV感染敏感, 但由于缺少IFN-1信号传导, 在免疫应答方面与人类不同[35]。研究发现感染NiV或HeV的叙利亚仓鼠与人类感染后症状相似, 组织病理学发现全身性血管炎, 其中以脑部病变最严重, 之后发展为特征性神经系统疾病[36]。另一项研究发现, 鼻内感染NiV的叙利亚仓鼠的肺部出现支气管间质性肺炎, 疾病在最后阶段因肺部感染出现神经系统症状和呼吸困难[37]。同时, 叙利亚仓鼠被NiV或HeV感染可用于病毒传播的研究[38]。目前尚无批准用于人类抗NiV或HeV的疫苗或治疗方法。叙利亚仓鼠模型对疫苗开发至关重要, 该动物模型已成功用于评价抗体F mAb的功效, 进一步验证叙利亚仓鼠作为动物模型的有效性[36]。
2.4 西尼罗河病毒
西尼罗河病毒(west nile virus, WNV)属于黄病毒科, 是一种新兴的人兽共患虫媒病毒, 广泛分布于世界各地。人类感染WNV后, 有20%的感染者发展为有症状的西尼罗河热(WNF), 可导致严重的脑炎, 严重威胁全球人类生命健康[39]。对于感染西尼罗河病毒的动物模型, 已有报道小鼠的研究, 不同品系的小鼠在WNV感染中症状和疾病严重程度不同[40]。在叙利亚仓鼠模型中研究最多的病毒是WNV。WNV感染是通过节肢动物(蚊子)叮咬传播人类。与人类感染方式一样, 叙利亚仓鼠被蚊子叮咬后, 感染WNV的仓鼠会发生病毒血症和神经系统症状, 其症状与人类感染时相似[41]。Mateo等[42]建立了一种免疫抑制的叙利亚仓鼠模型, WNV感染该仓鼠模型表现出与免疫力低下患者感染WNV相似的临床体征。Widman等[43]使用叙利亚仓鼠模型, 成功证明了单周期黄病毒疫苗平台RepliVAX WN能够诱导针对WNV攻击的持久保护性免疫。以上结果说明, 叙利亚仓鼠为研究西尼罗病毒感染动物实验模型提供良好佐证。
2.5 其他病毒
此外, 叙利亚仓鼠应用于黄热病毒(yellow fever virus, YFV)、埃博拉病毒(ebola virus, EBOV)、马尔堡病毒(marburg virus, MARV)和寨卡病毒(zika virus, ZIKV)等70多种不同病毒的研究[44], 部分病毒见表3。黄热病是由YFV引起的急性传染病, 主要流行于撒哈拉以南的非洲和南美地区, 具有较高的发病率和死亡率[45]。叙利亚仓鼠感染YFV导致的免疫反应与受感染的人类一致, 脾脏、肾脏和心脏中的IFN-γ 、TNF-α 、IL-2水平升高, 但它们在肝脏中表达水平降低; 在感染的早期和中期, 肝脏、脾脏和心脏中IL-10表达水平升高, 但TGF-β 表达水平却降低[46]。EBOV和MARV都是丝状病毒, 有典型的出血热特征。马尔堡病毒的致死率大概在30%, 而埃博拉病毒致死率更高, 尤其是扎伊尔型埃博拉病毒(MA-ZEBOV)致死率高于90%。叙利亚仓鼠通过腹膜内注射MA-ZEBOV表现出与人相似的病理特征, 包括严重肝脾损害、细胞因子失调、严重凝血障碍、淋巴细胞凋亡以及受感染的器官坏死或凋亡[47]。此外, ZIKV成功感染STAT2 基因敲除叙利亚仓鼠, 感染的仓鼠表现出与人类相似的症状[48]。
表3 病毒感染叙利亚仓鼠模型 Tab.3 Viral infections in Syrian hamster model
3 小结与展望
综上所述, 叙利亚仓鼠在生理学与免疫学等生物学特性上与人类有着相似性, 同时能够感染多种与人类疾病相关的病毒, 且呈现出与人类感染病毒相似的疾病病程、病原学和免疫反应, 是一种用于病毒学研究的理想动物模型。然而, 虽然开发了叙利亚仓鼠特异性的实时荧光定量PCR(RT-qPCR)、转录组分析和微阵列等检测方法, 但是仍然缺乏特异性免疫试剂。因此, 叙利亚仓鼠模型的缺陷问题急需解决。最近对叙利亚仓鼠全基因组的解析和CRISPR / Cas9技术的出现加快了转基因叙利亚仓鼠疾病模型的开发, 使基因敲除的叙利亚仓鼠用于病毒感染性疾病的研究, 扩大其对病毒研究范围[49, 50]。此外, 人类腺病毒可以在叙利亚仓鼠中复制, 其有望成为以腺病毒为载体的基因治疗药物的动物评价模型。叙利亚仓鼠模型在感染性疾病的病因、发病机制研究以及药物治疗评估等方面发挥更大作用。
利益冲突:无
引用本文格式:苗晋鑫, 张振强. 叙利亚仓鼠应用于病毒感染性疾病动物模型的研究进展[J]. 中国人兽共患病学报, 2021, 37(1):71-77. DOI:10.3969/j.issn.1002-2694.2020.00.177
编辑:张智芳
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