肺炎克雷伯菌大鼠乳腺炎模型的建立與致病力

張宜輝,曹菲菲,劉康軍,尹文兵,李建基,董俊升,崔璐瑩,孟 霞,朱國(guó)強(qiáng),王 亨*

(1.揚(yáng)州大學(xué) 獸醫(yī)學(xué)院 江蘇高校動(dòng)物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 揚(yáng)州 225009;2.教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇 揚(yáng)州 225009;3.揚(yáng)州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)農(nóng)牧場(chǎng),江蘇 高郵 225600)

奶牛乳腺炎主要由細(xì)菌感染造成,給全球乳制品行業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。隨著我國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展和牧場(chǎng)防控技術(shù)的不斷進(jìn)步,環(huán)境性致病菌在乳腺炎致病菌中的比例逐漸升高[2]。肺炎克雷伯菌是一種常見的環(huán)境性致病菌,在我國(guó)規(guī)模化牧場(chǎng)臨床型乳腺炎中的分離率高達(dá)13%[3]。肺炎克雷伯菌感染常常造成嚴(yán)重的臨床型乳腺炎,有時(shí)會(huì)發(fā)展成慢性感染,造成產(chǎn)奶量下降[4]。目前,關(guān)于肺炎克雷伯菌誘導(dǎo)奶牛乳腺炎發(fā)病機(jī)制的研究較少。體外研究發(fā)現(xiàn),肺炎克雷伯菌能快速黏附并進(jìn)入奶牛乳腺上皮細(xì)胞,造成細(xì)胞損傷、細(xì)胞凋亡和炎性反應(yīng)[5]。

肺炎克雷伯菌體內(nèi)感染模型的建立將有助于進(jìn)一步探究該病的發(fā)病機(jī)制。使用奶牛建立乳腺炎模型受到多種限制,如成本過高、操作不便和飼養(yǎng)條件要求過高等[6]。與奶牛乳腺結(jié)構(gòu)和功能有許多相似之處,小鼠乳腺不僅可以為病原微生物提供生存環(huán)境,還允許其與宿主細(xì)胞之間相互作用[7]。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌載量、炎性細(xì)胞數(shù)量和組織病理學(xué)在小鼠乳腺炎模型中的變化和在奶牛乳腺炎中的變化相似[8]。因此,小鼠乳腺炎模型在奶牛乳腺炎相關(guān)的研究中被廣泛使用。通過建立小鼠乳腺炎模型揭示了多種病原微生物誘導(dǎo)乳腺炎的分子機(jī)制,如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和無乳鏈球菌等[6]。利用小鼠乳腺炎模型可以初步評(píng)估潛在的抗菌藥物或免疫調(diào)節(jié)劑的治療效果,這為臨床乳腺炎的治療提供理論依據(jù)[9-10]。此外,轉(zhuǎn)基因或基因敲除小鼠的構(gòu)建為研究特定基因?qū)θ橄傺装l(fā)病機(jī)制的影響提供便利[11]。相對(duì)于小鼠,使用大鼠建立乳腺炎模型操作更加方便,可以獲得更多的試驗(yàn)樣本。因此,本試驗(yàn)使用肺炎克雷伯菌臨床分離株建立大鼠乳腺炎模型探究肺炎克雷伯菌的致病機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 主要試劑中性樹脂和切片石蠟購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;蘇木素染液和伊紅染液購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;TRIzol購(gòu)自北京全式金生物有限公司;cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒和熒光定量試劑盒購(gòu)自日本TaKaRa公司。

1.2 主要儀器動(dòng)物血球分析儀購(gòu)自深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司;超微量核酸蛋白測(cè)定儀和紫外分光光度計(jì)購(gòu)自美國(guó)Thermo公司;熒光定量PCR儀購(gòu)自美國(guó)BioRad公司;

1.3 肺炎克雷伯菌及培養(yǎng)肺炎克雷伯菌從奶牛乳腺炎乳汁中分離得到,該菌株為K1血清型,攜帶fimH、ureA、wcaG和uge等毒力基因。挑取單個(gè)菌落接種于LB液體培養(yǎng)基中,在37℃搖床中培養(yǎng)18 h,取400 μL菌液轉(zhuǎn)接于LB液體培養(yǎng)基中,在37℃搖床中培養(yǎng)4.5 h使其達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。取適量對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌液,3 000 r/min離心15 min,用生理鹽水洗滌2次后,經(jīng)平板計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)后調(diào)整菌液濃度為1×109CFU/mL用于后續(xù)試驗(yàn)。

1.4 大鼠乳腺炎模型的建立健康妊娠待產(chǎn)Wistar大鼠20只,體質(zhì)量(275±25) g,由揚(yáng)州大學(xué)比較醫(yī)學(xué)中心提供(實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證:SCXK(蘇)2017-0007)。自配種成功后將母鼠隨機(jī)分成4組,分別是對(duì)照組和不同時(shí)間點(diǎn)(6,12,24 h)肺炎克雷伯菌感染組,每組5只。在大鼠分娩后4 d,經(jīng)乳頭導(dǎo)管在第4對(duì)乳腺中接種肺炎克雷伯菌,每側(cè)乳腺100 μL菌液(1×109CFU/mL),對(duì)照組接種等量生理鹽水。接種前2 h將母鼠與仔鼠分開,用異氟烷誘導(dǎo)母鼠全身麻醉,然后對(duì)第4對(duì)乳房皮膚常規(guī)剃毛和消毒。接種肺炎克雷伯菌后,大鼠單籠飼養(yǎng),自由采食、飲水。分別于注菌后6,12,24 h,采集外周血液用于血常規(guī)檢測(cè);經(jīng)異氟烷誘導(dǎo)母鼠麻醉后,無菌采集乳腺組織,一部分乳腺組織保存于多聚甲醛中用于組織病理學(xué)檢查,一部分乳腺組織用于細(xì)菌載量測(cè)定,其余組織保存于液氮中。

1.5 乳腺組織細(xì)菌載量測(cè)定和細(xì)菌鑒定取相同解剖位置的乳腺組織,使用無菌玻璃勻漿器充分勻漿,將組織勻漿連續(xù)10倍梯度稀釋后接種在LB瓊脂平板上,在37℃下培養(yǎng),統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)用于測(cè)定乳腺組織的細(xì)菌載量。通過PCR檢測(cè)khe基因(F:5′-TGATTGCATTCGCCACTGG-3′;R:5′-GGTCAACCCAACGATCCTG-3′)鑒定從大鼠乳腺中分離出的細(xì)菌是否為肺炎克雷伯菌。將PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,然后在凝膠成像系統(tǒng)中觀察和拍照,目的基因產(chǎn)物大小為428 bp。

1.6 乳腺病理組織學(xué)觀察乳腺組織在10%中性甲醛中固定72 h后,依次經(jīng)過脫水、透明、浸蠟和包埋后制作成石蠟切片。石蠟切片經(jīng)脫蠟和HE染色后,使用光學(xué)顯微鏡觀察組織病理學(xué)變化并拍照。

1.7 qRT-PCR法檢測(cè)乳腺組織中炎癥相關(guān)基因的mRNA表達(dá)水平按照TRIzol法提取乳腺組織總RNA,檢測(cè)RNA純度并調(diào)整其濃度。按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書的方法將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]中的方法檢測(cè)IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、TLR4和 NOD2基因的mRNA表達(dá)水平。引物由北京擎科生物技術(shù)有限公司合成(表1)。

表1 目的基因引物序列

2 結(jié)果

2.1 臨床觀察和乳腺剖檢對(duì)照組大鼠精神良好,乳腺外觀正常,剖檢無可見病理變化(圖1A)。肺炎克雷伯菌感染后,大鼠精神沉郁,乳腺紅腫。剖檢發(fā)現(xiàn),在感染6 h時(shí)乳腺呈輕微暗紅色,水腫明顯(圖1B);感染12 h時(shí)乳腺腫脹嚴(yán)重,充血明顯(圖1C);感染24 h時(shí)乳腺呈暗紅色,局部有硬結(jié),乳汁中有乳凝塊(圖1D)。

A.對(duì)照組;B.肺炎克雷伯菌感染6 h;C.肺炎克雷伯菌感染12 h;D.肺炎克雷伯菌感染24 h

2.2 乳腺組織病理學(xué)檢查對(duì)照組乳腺腺泡結(jié)構(gòu)完整,上皮細(xì)胞排列整齊(圖2A);肺炎克雷伯菌感染后,腺泡結(jié)構(gòu)被破壞,腺泡內(nèi)及間質(zhì)中出現(xiàn)大量的炎性細(xì)胞,上皮細(xì)胞脫落。隨著感染時(shí)間的延長(zhǎng),炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和上皮細(xì)胞的脫落增多(圖2B～D)。

A.對(duì)照組;B.肺炎克雷伯菌感染6 h;C.肺炎克雷伯菌感染12 h;D.肺炎克雷伯菌感染24 h;箭頭代表炎性細(xì)胞,星號(hào)代表脫落的上皮細(xì)胞

2.3 血常規(guī)檢查結(jié)果與對(duì)照組相比,肺炎克雷伯菌感染后外周血白細(xì)胞(WBC)、淋巴細(xì)胞(Lymph)和單核細(xì)胞(Mon)的數(shù)量極顯著降低(P<0.01);中性粒細(xì)胞(Gran)的數(shù)量顯著降低(P<0.05)。

表2 大鼠外周血血常規(guī)變化 109/L

2.4 乳腺組織細(xì)菌載量測(cè)定肺炎克雷伯菌感染6 h時(shí),乳腺組織的載菌量為1.8×107CFU/g;感染12 h時(shí),乳腺組織的載菌量為5.5×107CFU/g;感染24 h時(shí),乳腺組織的載菌量為2.4×108CFU/g。與感染6 h相比,組織載菌量在感染12 h沒有顯著性增加;與12 h相比,組織載菌量在感染24 h時(shí)極顯著升高(P<0.01)(圖3A)。對(duì)照組乳腺組織中無細(xì)菌生長(zhǎng),從乳腺組織中分離的細(xì)菌經(jīng)PCR鑒定均為肺炎克雷伯菌(圖3B)。

2.5 乳腺組織炎癥相關(guān)基因mRNA表達(dá)水平檢測(cè)如圖4所示,與對(duì)照組相比,乳腺組織中IL-1β 的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染6 h時(shí)顯著升高(P<0.05),感染12 h時(shí)極顯著升高(P<0.01),感染24 h時(shí)顯著升高(P<0.05)。IL-6的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染6和12 h時(shí)極顯著升高(P<0.01),感染24 h時(shí)顯著升高(P<0.05)。IL-8和TNF-α的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染6,12和24 h時(shí)極顯著升高(P<0.01)。TLR-4的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染6和12 h時(shí)極顯著升高(P<0.01),而在感染24 h時(shí)顯著下降(P<0.05)。NOD2的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染6和12 h時(shí)極顯著升高(P<0.01),感染24 h時(shí)顯著升高(P<0.05)。

3 討論

奶牛乳腺炎給乳制品業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,肺炎克雷伯菌是引起奶牛乳腺炎的重要病原菌之一[5]。目前,關(guān)于肺炎克雷伯菌誘導(dǎo)奶牛乳腺炎的分子機(jī)制研究較少。江孝俊等[13]通過乳頭導(dǎo)管注射100 μL濃度為1×109CFU/mL的肺炎克雷伯菌,構(gòu)建了肺炎克雷伯菌小鼠乳腺炎模型。在本研究中,通過乳頭導(dǎo)管接種相同劑量的肺炎克雷伯菌,大鼠乳腺腫脹并伴隨明顯的病理損傷和炎性細(xì)胞浸潤(rùn),而對(duì)照組大鼠乳腺正常。以上結(jié)果表明,通過乳頭管接種肺炎克雷伯菌成功構(gòu)建大鼠乳腺炎模型。

正常情況下,大鼠乳腺中吞噬細(xì)胞的數(shù)量較少[7]。當(dāng)病原微生物感染時(shí),乳腺組織中炎性因子和介質(zhì)的釋放增加,增強(qiáng)毛細(xì)血管通透性和血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子的表達(dá),從而有利于白細(xì)胞的黏附及向感染部位遷移[14]。肺炎克雷伯菌感染后,大鼠乳腺腺泡內(nèi)及間質(zhì)中出現(xiàn)大量的炎性細(xì)胞,這是導(dǎo)致外周血白細(xì)胞數(shù)量下降的原因之一。革蘭陰性菌在乳腺中增殖的速度和釋放毒素的能力與奶牛乳腺炎嚴(yán)重程度密切相關(guān)[15]。在肺炎克雷伯菌感染12 h 后,大鼠乳腺組織細(xì)菌載量開始快速增加。同時(shí),組織剖檢和病理學(xué)結(jié)果表明乳腺組織隨著感染時(shí)間的延長(zhǎng)損傷更加嚴(yán)重,說明肺炎克雷伯菌能適應(yīng)乳腺微環(huán)境并大量增殖,從而造成乳腺組織損傷。因此,抑制肺炎克雷伯菌在乳腺內(nèi)的增殖對(duì)治療肺炎克雷伯菌性乳腺炎至關(guān)重要。

炎癥因子是多效應(yīng)蛋白,能夠誘導(dǎo)急性期蛋白的產(chǎn)生、增加血管通透性和促進(jìn)白細(xì)胞向感染部位遷移,在抵抗病原微生物感染時(shí)具有重要的作用[16]。研究表明,炎癥因子IL-1β、TNF-α和IL-8的濃度在肺炎克雷伯菌感染的奶牛乳汁中升高[17]。肺炎克雷伯菌感染能誘導(dǎo)奶牛乳腺上皮細(xì)胞炎性因子IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-8的mRNA表達(dá)水平和蛋白水平升高[5]。不同炎癥因子之間發(fā)揮協(xié)同或拮抗作用,構(gòu)成復(fù)雜的免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參與炎癥反應(yīng)[18]。IL-1β通過刺激特定的細(xì)胞表面受體(IL-1 Ⅰ型受體)發(fā)揮強(qiáng)大的促炎作用[19]。IL-1β和TNF-α通過直接或間接調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞的功能,促進(jìn)這些細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子加速炎癥反應(yīng)[20]。在發(fā)生感染和組織損傷時(shí)IL-6迅速而短暫地產(chǎn)生,通過刺激急性期反應(yīng)、造血和免疫反應(yīng)促進(jìn)宿主防御[21]。在本研究中,大鼠乳腺組織中IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-8基因的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染后顯著升高,表明炎癥因子IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-8在肺炎克雷伯菌誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)中具有重要的作用。

模式識(shí)別受體是先天免疫的重要組成部分,通過識(shí)別病原體相關(guān)分子模式啟動(dòng)免疫應(yīng)答抵抗病原微生物感染[22]。TLR4是Toll樣受體家族的一員,主要識(shí)別革蘭陰性菌的脂多糖[23]。本研究中,肺炎克雷伯菌感染后TLR4的mRNA表達(dá)水平在6和12 h顯著升高,但在24 h時(shí)顯著下降。在肺炎克雷伯菌感染的奶牛乳腺上皮細(xì)胞中,TLR4的mRNA表達(dá)水平在2～8 h內(nèi)顯著升高[24]。小鼠乳腺炎模型中,TLR4的mRNA表達(dá)水平在肺炎克雷伯菌感染后1～4 d內(nèi)均未發(fā)生顯著性變化[13]。因此,TLR4可能在肺炎克雷伯菌感染的早期發(fā)揮作用。NOD2是Nod樣受體家族的重要成員之一,能夠識(shí)別革蘭陰性菌和革蘭陽性菌的胞壁酰二肽[25]。在識(shí)別胞內(nèi)配體后,NOD2與受體蛋白R(shí)IP2相互作用激活NF-κB信號(hào)通路,誘導(dǎo)炎性基因的表達(dá)[26]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),在肺炎克雷伯菌感染的巨噬細(xì)胞中NOD2的基因表達(dá)上調(diào)[27]。本研究中,肺炎克雷伯菌感染后,大鼠乳腺組織中NOD2基因的mRNA相對(duì)表達(dá)水平顯著升高。以上結(jié)果表明,TLR4和NOD2在大鼠乳腺抵抗肺炎克雷伯菌感染時(shí)發(fā)揮重要的作用。