敘利亞倉(cāng)鼠應(yīng)用于病毒感染性疾病動(dòng)物模型的研究進(jìn)展

苗晉鑫，張振強(qiáng)

病毒感染性疾病仍然是全球公共衛(wèi)生威脅之一。在過去的幾十年中，高致病性病毒感染性疾病有嚴(yán)重急性呼吸綜合征、漢坦病毒肺綜合征、西尼羅河神經(jīng)綜合征、埃博拉出血熱等。這些病毒感染性疾病的發(fā)病率和死亡率很高，嚴(yán)重威脅人類生命和健康。病毒感染性疾病的防治需要更好地了解病毒的發(fā)病機(jī)理和傳播機(jī)制，需要能準(zhǔn)確重現(xiàn)病毒感染性疾病的動(dòng)物模型。目前，研究病毒感染性疾病的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型數(shù)量少、價(jià)格貴，而且小鼠模型存在模擬疾病不足等缺陷。因此，急需開發(fā)一種更為理想的病毒學(xué)研究動(dòng)物模型。因?yàn)榕c人類在疾病癥狀、病原學(xué)和免疫反應(yīng)方面相似性更高，敘利亞倉(cāng)鼠(Syrian hamster)已被用于多種病毒感染性疾病的動(dòng)物模型。

敘利亞倉(cāng)鼠又稱金黃倉(cāng)鼠(Mesocricetusauratus)是一種小型嚙齒類哺乳動(dòng)物，廣泛分布于東南歐和小亞細(xì)亞的干旱溫帶地區(qū)[1]。敘利亞倉(cāng)鼠在解剖學(xué)、生理學(xué)和免疫學(xué)等生物學(xué)特征與人類相似。而且，敘利亞倉(cāng)鼠具有繁殖周期短、操作簡(jiǎn)單、飼養(yǎng)成本低和可感染多種人類病毒等顯著優(yōu)勢(shì)。因此，敘利亞倉(cāng)鼠與其它實(shí)驗(yàn)小動(dòng)物相比是理想的病毒感染性疾病動(dòng)物模型。本文從生理學(xué)和免疫學(xué)等生物學(xué)特征闡明敘利亞倉(cāng)鼠應(yīng)用于多種新興的人類高致病性病毒感染性疾病動(dòng)物模型的優(yōu)點(diǎn)，為敘利亞倉(cāng)鼠的應(yīng)用和病毒感染性疾病的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 敘利亞倉(cāng)鼠生物學(xué)的優(yōu)勢(shì)

1.1生理學(xué) 敘利亞倉(cāng)鼠通常長(zhǎng)到14～19 cm，成年體重在110～140 g，隨著年齡變大體重可達(dá)200 g。敘利亞倉(cāng)鼠妊娠期平均16 d，哺乳期為21～28 d，離乳后2周性成熟；其生育期從6～8周起可延續(xù)到14個(gè)月齡，每年可產(chǎn)7～8胎，窩產(chǎn)6～12只[2-3]。因此，敘利亞倉(cāng)鼠體型適中，繁殖速度快且窩仔多的生理學(xué)特征表明其易操作和易獲得。

1.2免疫學(xué) 已經(jīng)在敘利亞倉(cāng)鼠中鑒定出T淋巴細(xì)胞CD3分子。CD3表達(dá)于T細(xì)胞表面，其功能是轉(zhuǎn)導(dǎo)T細(xì)胞抗原受體(T cell receptor, TCR)識(shí)別抗原所產(chǎn)生的活化信號(hào)。Tysome等[4]對(duì)敘利亞倉(cāng)鼠CD3編碼序列克隆，并制備CD3(4F11)刪除抗體用于實(shí)驗(yàn)研究。敘利亞倉(cāng)鼠CD3抗原結(jié)構(gòu)與人類CD3抗原有相似之處。CD4是協(xié)助T細(xì)胞受體與抗原呈遞細(xì)胞通訊的輔助受體，在抗病毒免疫中發(fā)揮重要作用。Rees等[5]利用人類等特異的mAb標(biāo)記篩選鑒定敘利亞倉(cāng)鼠白細(xì)胞分化分子上的表位mAb，發(fā)現(xiàn)HAL36A抗體與市售小鼠單抗GK1.5可同時(shí)識(shí)別敘利亞倉(cāng)鼠CD4上表達(dá)的保守表位，此序列在敘利亞倉(cāng)鼠與人和小鼠之間高度保守。

細(xì)胞因子(cytokine, CK)是由多種細(xì)胞產(chǎn)生介導(dǎo)機(jī)體免疫和炎癥反應(yīng)的一類多肽分子，包括白細(xì)胞介素(IL)、集落刺激因子(CSF)、干擾素(IFN)、腫瘤壞死因子(TNF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子家族-β (TGF-β family)、生長(zhǎng)因子(GF)、趨化因子家族(CKF)等。Melby等[6]克隆并比較了敘利亞倉(cāng)鼠IFN-γ、IL-2、IL-12p40、TNF-α 、TGF-β等與小鼠、大鼠和人的相似性。研究發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞因子氨基酸序列與人同源性較高。與小鼠和大鼠IFN-γ蛋白序列相比，敘利亞倉(cāng)鼠和人在IFN-γ蛋白C末端分別多17和9個(gè)氨基酸(aa)[6]。研究證明，從人IFN-γ蛋白的C末端刪除9個(gè)氨基酸(138-146 aa)，特異性抗病毒活性提高7倍[7]。敘利亞倉(cāng)鼠白介素-2(IL-2)保守序列具有生物活性所需的天冬氨酸殘基(在人序列的第20位)[6]。敘利亞倉(cāng)鼠IL-12p40氨基酸序列有5個(gè)半胱氨酸殘基和3個(gè)潛在的N-糖基化位點(diǎn)，這與人和小鼠的序列一致[6]。同時(shí)，倉(cāng)鼠IL-12p40序列包含3-aa序列，這個(gè)序列存在于人類基因，但不存在于小鼠和大鼠[6]。白介素-12(IL-12)在調(diào)節(jié)T細(xì)胞體內(nèi)平衡、抑制病毒復(fù)制和從宿主細(xì)胞清除病毒等方面發(fā)揮重要作用[8]。Wang等[9]發(fā)現(xiàn)人類IL-12在敘利亞倉(cāng)鼠模型中具有生物活性，但是在小鼠模型中沒有生物活性。另外，還有許多人類細(xì)胞因子包括IL-2和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)在敘利亞倉(cāng)鼠中具有生物活性[10-11]。巨噬細(xì)胞遷移抑制因子(MIF)是促炎性細(xì)胞因子，其從單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)釋放，影響各種病理刺激，包括炎癥和病毒感染[12]。Suresh等[13]預(yù)測(cè)并驗(yàn)證重組倉(cāng)鼠MIF(rha-MIF)的主要序列、生化特性和晶體結(jié)構(gòu)與人類MIF的相似性更高。敘利亞倉(cāng)鼠與人類在免疫細(xì)胞和細(xì)胞因子的序列、結(jié)構(gòu)和生物功能方面相似，為敘利亞倉(cāng)鼠作為病毒感染性疾病的動(dòng)物模型提供理論依據(jù)。

2 敘利亞倉(cāng)鼠在人類病毒感染性疾病中的應(yīng)用

2.1冠狀病毒 目前已知有7種冠狀病毒能夠?qū)е氯祟惡粑到y(tǒng)疾病，其中嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(middle east respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV)、嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)具有傳染性，可導(dǎo)致大規(guī)模的流行和高死亡率。因此，急需對(duì)這3種高致病性傳染性冠狀病毒建立有效的冠狀病毒感染動(dòng)物模型，對(duì)病毒發(fā)病機(jī)制及藥物研發(fā)具有重大意義。

2.1.1SARS-CoV-2 2019年12月暴發(fā)的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)疫情已經(jīng)蔓延全球，確診和死亡病例在不斷增加。截止2020年10月31日，全球疫情還在繼續(xù)。SARS-CoV-2感染動(dòng)物模型是研究2019冠狀病毒病(coronavirus disease 2019, COVID-19)發(fā)病機(jī)制、傳播途徑及宿主免疫反應(yīng)的重要工具，更是評(píng)估疫苗效力和藥物作用的基礎(chǔ)。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)恒河猴感染SARS-CoV-2后癥狀較人類輕，無發(fā)燒、嚴(yán)重炎癥和其他器官損傷的現(xiàn)象[14-15]。野生小鼠不支持SARS-CoV-2的感染，hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠感染后表現(xiàn)較輕癥狀，與人有很大不同[16]。年輕的雪貂被SARS-CoV-2感染后沒有出現(xiàn)與人類相似的癥狀，更沒有出現(xiàn)嚴(yán)重疾病或死亡[17]。因此，研究人員試圖建立敘利亞倉(cāng)鼠感染模型。Chan等[18]用SARS-CoV-2感染敘利亞倉(cāng)鼠，被感染的動(dòng)物出現(xiàn)與人相似的臨床特征，如體重減輕、嗜睡、腸粘膜炎癥以及呼吸急促等癥狀，同時(shí)在呼吸道、肺、腸道等檢測(cè)到了病毒及出現(xiàn)間質(zhì)性肺炎的病理特征。另一研究小組將敘利亞倉(cāng)鼠用于SARS-CoV-2可能傳播途徑的研究[19]。與非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物和hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠不同，敘利亞倉(cāng)鼠模型表現(xiàn)出更多的臨床癥狀(表1)。

表1 SARS-CoV-2動(dòng)物模型Tab.1 SARS-CoV-2 animal model

2.1.2SARS-CoV 非洲綠猴對(duì)SARS-CoV易感，并支持病毒復(fù)制，感染后動(dòng)物出現(xiàn)間質(zhì)性肺炎的病理特征。然而，被SARS-CoV感染的非洲綠猴癥狀較輕，不能重現(xiàn)重癥臨床表現(xiàn)和未觀察到死亡，且數(shù)量少、成本高，這些都制約了其模型的應(yīng)用[20]。hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠模型是將人ACE2基因轉(zhuǎn)入到小鼠受精卵細(xì)胞使小鼠體內(nèi)表達(dá)高水平的人ACE2。但是感染SARS-CoV后，該小鼠模型腦組織中檢測(cè)到病毒或病毒抗原，并且由于病毒在腦中廣泛傳播而導(dǎo)致小鼠死亡，不符合人類臨床癥狀[21-22]。感染SARS-CoV的雪貂研究報(bào)告數(shù)據(jù)沖突，一組觀察到少量的臨床疾病[23]，而另一組則沒有[24]，雪貂模型有待進(jìn)一步表征以解決這些不一致的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)敘利亞倉(cāng)鼠可被SARS-CoV感染[25]。敘利亞倉(cāng)鼠在SARS-CoV感染后呼吸道產(chǎn)生高病毒滴度，病毒復(fù)制發(fā)生在呼吸道的上皮細(xì)胞中，并引起間質(zhì)性肺炎、肺部固結(jié)和彌漫性肺泡損傷；在倉(cāng)鼠感染后第7 d血清中檢測(cè)到強(qiáng)大的中和抗體反應(yīng)，并且保護(hù)倉(cāng)鼠免受初次感染后28 d的再次攻擊[25]。免疫抑制的敘利亞倉(cāng)鼠感染SARS-CoV后，感染該病毒的倉(cāng)鼠除了表現(xiàn)出與人相似的肺和外器官損害(如脾萎縮、急性腎小管壞死、神經(jīng)元水腫與變性、心臟水腫與心肌纖維萎縮)，倉(cāng)鼠還表現(xiàn)出體重減輕和死亡[26]。以上研究證實(shí)敘利亞倉(cāng)鼠對(duì)SARS-CoV感染表現(xiàn)出客觀的臨床體征伴隨著呼吸道高病毒滴度和肺組織病理學(xué)改變，適合進(jìn)行免疫預(yù)防和治療研究。SARS-CoV感染動(dòng)物模型的比較見表2。

表2 常用 SARS-CoV動(dòng)物模型Tab.2 Commonly used animal model of SARS-CoV infection

2.2漢坦病毒 漢坦病毒肺綜合征(hantavirus pulmonary syndrome, HPS)是一種與漢坦病毒有關(guān)的罕見且致命的病毒感染性疾病，常見漢坦病毒有安第斯病毒(Andes virus, ANDV)和辛諾柏病毒(Sin Nombre virus, SNV)[28]。臨床特征是發(fā)燒、嚴(yán)重呼吸窘迫和突發(fā)心源性休克，多達(dá)50%的病例可能致命。Safronetz等[29]開發(fā)了一種類似HPS的恒河猴模型。目前，敘利亞倉(cāng)鼠模型是唯一類似于人HPS的小動(dòng)物模型。倉(cāng)鼠感染ANDV后，會(huì)發(fā)展出類似人的HPS的疾病，包括突然和快速的嚴(yán)重呼吸窘迫[30]。敘利亞倉(cāng)鼠與人的漢坦病毒受體比較相似，且受體具有相似的功能[31]。研究發(fā)現(xiàn)利巴韋林(Ribavirin)保護(hù)鼻內(nèi)暴露于ANDV的敘利亞倉(cāng)鼠免于發(fā)生致命的漢坦病毒肺綜合癥[32]。以上說明，ANDV感染敘利亞倉(cāng)鼠模型是研究HPS發(fā)病機(jī)制、評(píng)價(jià)預(yù)防和治療HPS的良好動(dòng)物模型。

2.3副粘病毒 副粘病毒科亨尼帕病毒屬包含兩種致死性病毒，即尼帕病毒(Nipah virus, NiV)和亨德拉病毒(Hendra virus, HeV)。研究發(fā)現(xiàn)這兩種病毒是人獸共患病毒，可通過豬(NiV)和馬(HeV)等中間宿主向人類傳播，臨床上人類感染NiV或HeV通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腦病和呼吸道疾病。目前用雪貂和貓等動(dòng)物來研究NiV感染的致病性。雪貂和貓分別感染后未檢測(cè)到腦炎，但部分動(dòng)物中發(fā)生了非化膿性腦膜炎，某些動(dòng)物檢測(cè)到的腦炎與人類的不相同[33-34]。IFNAR基因敲除小鼠對(duì)HeV感染敏感，但由于缺少IFN-1信號(hào)傳導(dǎo)，在免疫應(yīng)答方面與人類不同[35]。研究發(fā)現(xiàn)感染NiV或HeV的敘利亞倉(cāng)鼠與人類感染后癥狀相似，組織病理學(xué)發(fā)現(xiàn)全身性血管炎，其中以腦部病變最嚴(yán)重，之后發(fā)展為特征性神經(jīng)系統(tǒng)疾病[36]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，鼻內(nèi)感染NiV的敘利亞倉(cāng)鼠的肺部出現(xiàn)支氣管間質(zhì)性肺炎，疾病在最后階段因肺部感染出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和呼吸困難[37]。同時(shí)，敘利亞倉(cāng)鼠被NiV或HeV感染可用于病毒傳播的研究[38]。目前尚無批準(zhǔn)用于人類抗NiV或HeV的疫苗或治療方法。敘利亞倉(cāng)鼠模型對(duì)疫苗開發(fā)至關(guān)重要，該動(dòng)物模型已成功用于評(píng)價(jià)抗體F mAb的功效，進(jìn)一步驗(yàn)證敘利亞倉(cāng)鼠作為動(dòng)物模型的有效性[36]。

2.4西尼羅河病毒 西尼羅河病毒(west nile virus, WNV)屬于黃病毒科，是一種新興的人獸共患蟲媒病毒，廣泛分布于世界各地。人類感染W(wǎng)NV后，有20%的感染者發(fā)展為有癥狀的西尼羅河熱(WNF)，可導(dǎo)致嚴(yán)重的腦炎，嚴(yán)重威脅全球人類生命健康[39]。對(duì)于感染西尼羅河病毒的動(dòng)物模型，已有報(bào)道小鼠的研究，不同品系的小鼠在WNV感染中癥狀和疾病嚴(yán)重程度不同[40]。在敘利亞倉(cāng)鼠模型中研究最多的病毒是WNV。WNV感染是通過節(jié)肢動(dòng)物(蚊子)叮咬傳播人類。與人類感染方式一樣，敘利亞倉(cāng)鼠被蚊子叮咬后，感染W(wǎng)NV的倉(cāng)鼠會(huì)發(fā)生病毒血癥和神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，其癥狀與人類感染時(shí)相似[41]。Mateo等[42]建立了一種免疫抑制的敘利亞倉(cāng)鼠模型，WNV感染該倉(cāng)鼠模型表現(xiàn)出與免疫力低下患者感染W(wǎng)NV相似的臨床體征。Widman等[43]使用敘利亞倉(cāng)鼠模型，成功證明了單周期黃病毒疫苗平臺(tái)RepliVAX WN能夠誘導(dǎo)針對(duì)WNV攻擊的持久保護(hù)性免疫。以上結(jié)果說明，敘利亞倉(cāng)鼠為研究西尼羅病毒感染動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝己米糇C。

2.5其他病毒 此外，敘利亞倉(cāng)鼠應(yīng)用于黃熱病毒(yellow fever virus, YFV)、埃博拉病毒(ebola virus, EBOV)、馬爾堡病毒(marburg virus, MARV)和寨卡病毒(zika virus, ZIKV)等70多種不同病毒的研究[44]，部分病毒見表3。黃熱病是由YFV引起的急性傳染病，主要流行于撒哈拉以南的非洲和南美地區(qū)，具有較高的發(fā)病率和死亡率[45]。敘利亞倉(cāng)鼠感染YFV導(dǎo)致的免疫反應(yīng)與受感染的人類一致，脾臟、腎臟和心臟中的IFN-γ、TNF-α、IL-2水平升高，但它們?cè)诟闻K中表達(dá)水平降低；在感染的早期和中期，肝臟、脾臟和心臟中IL-10表達(dá)水平升高，但TGF-β表達(dá)水平卻降低[46]。EBOV和MARV都是絲狀病毒，有典型的出血熱特征。馬爾堡病毒的致死率大概在30%，而埃博拉病毒致死率更高，尤其是扎伊爾型埃博拉病毒(MA-ZEBOV)致死率高于90%。敘利亞倉(cāng)鼠通過腹膜內(nèi)注射MA-ZEBOV表現(xiàn)出與人相似的病理特征，包括嚴(yán)重肝脾損害、細(xì)胞因子失調(diào)、嚴(yán)重凝血障礙、淋巴細(xì)胞凋亡以及受感染的器官壞死或凋亡[47]。此外，ZIKV成功感染STAT2 基因敲除敘利亞倉(cāng)鼠，感染的倉(cāng)鼠表現(xiàn)出與人類相似的癥狀[48]。

表3 病毒感染敘利亞倉(cāng)鼠模型Tab.3 Viral infections in Syrian hamster model

3 小結(jié)與展望

綜上所述，敘利亞倉(cāng)鼠在生理學(xué)與免疫學(xué)等生物學(xué)特性上與人類有著相似性，同時(shí)能夠感染多種與人類疾病相關(guān)的病毒，且呈現(xiàn)出與人類感染病毒相似的疾病病程、病原學(xué)和免疫反應(yīng)，是一種用于病毒學(xué)研究的理想動(dòng)物模型。然而，雖然開發(fā)了敘利亞倉(cāng)鼠特異性的實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)、轉(zhuǎn)錄組分析和微陣列等檢測(cè)方法，但是仍然缺乏特異性免疫試劑。因此，敘利亞倉(cāng)鼠模型的缺陷問題急需解決。最近對(duì)敘利亞倉(cāng)鼠全基因組的解析和CRISPR / Cas9技術(shù)的出現(xiàn)加快了轉(zhuǎn)基因敘利亞倉(cāng)鼠疾病模型的開發(fā)，使基因敲除的敘利亞倉(cāng)鼠用于病毒感染性疾病的研究，擴(kuò)大其對(duì)病毒研究范圍[49-50]。此外，人類腺病毒可以在敘利亞倉(cāng)鼠中復(fù)制，其有望成為以腺病毒為載體的基因治療藥物的動(dòng)物評(píng)價(jià)模型。敘利亞倉(cāng)鼠模型在感染性疾病的病因、發(fā)病機(jī)制研究以及藥物治療評(píng)估等方面發(fā)揮更大作用。

利益沖突：無