新發(fā)高致病性禽流感H5N1病毒的致病性、傳播力研究及進(jìn)化分析

袁 靜，許黎黎，鮑琳琳，呂 琦，李楓棣，于 品，秦 川

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所，衛(wèi)生部人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家中醫(yī)藥管理局人類疾病動(dòng)物模型三級(jí)實(shí)驗(yàn)室，北京 100021)

流感是由流感病毒引起的一種急性呼吸道傳染病，它通過(guò)飛沫傳播，能在短時(shí)間內(nèi)迅速蔓延。1997年香港首次報(bào)道了18例人感染高致病性H5N1禽流感病例，其中6例死亡，感染的臨床特征包括驟然發(fā)熱和上呼吸道感染等典型流感癥狀，許多病人出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥，主要有肺炎、胃腸道癥狀、肝酶升高和腎衰[1]。其后，全球已經(jīng)有15個(gè)國(guó)家和地區(qū)相繼出現(xiàn)了人禽流感病例和有限的人際間傳播報(bào)道[2]。時(shí)至2011年底，世界衛(wèi)生組織(WHO)共累計(jì)接收人感染H5N1病例報(bào)告584例，死亡345例，病死率接近60%[3]，遠(yuǎn)高于2003 年全球嚴(yán)重急性呼吸綜合癥(SARS)疫情時(shí)11%的總體死亡率。鑒于甲型流感病毒高度變異和2009年出現(xiàn)的新型甲型H1N1流感全球大流行，高致病性禽流感H5N1病毒仍然是引起全球流感大流行疫情的潛在病原之一，散在出現(xiàn)的人際間傳播事件表明H5N1病毒一旦突破物種間屏障而在人群中流行，必將成為世界各國(guó)所面臨的巨大公共衛(wèi)生威脅之一，將會(huì)給人類的生存和發(fā)展帶來(lái)災(zāi)難性打擊。

2011年底，香港再度爆發(fā)禽流感，死亡的紅嘴鷗證實(shí)感染禽流感H5N1病毒, 并且其基因序列與同期深圳死亡患者高度同源，此次疫情再次提醒我們，在環(huán)境選擇壓力下，禽流感H5N1病毒不斷的抗原漂移現(xiàn)象可能隨時(shí)導(dǎo)致其跨越物種屏障，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人群的感染。因此，加強(qiáng)對(duì)新發(fā)H5N1病毒感染性及傳播力的研究，對(duì)于防范可能發(fā)生的禽流感疫情，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文擬對(duì)2011年底香港死亡紅嘴鷗所攜帶的、與深圳死亡患者分離株高度同源的H5N1病毒進(jìn)行感染性評(píng)價(jià)，證實(shí)其是否確實(shí)具有在人類細(xì)胞中增殖的能力，并對(duì)該毒株體外基于細(xì)胞水平的復(fù)制能力以及體內(nèi)基于小鼠模型的毒力與致病性進(jìn)行研究，與迄今為止毒力最強(qiáng)的H5N1毒株A/Shenzhen/406H/2006及WHO推薦的禽流感H5N1疫苗制備株A/Vietnam/1194/2004進(jìn)行比較。同時(shí)，設(shè)立攻毒組與同居組，對(duì)新發(fā)H5N1病毒能否在小鼠群體間傳播進(jìn)行評(píng)測(cè)，從而對(duì)新病毒的傳播力進(jìn)行研究。此外，通過(guò)對(duì)病毒的HA基因進(jìn)行測(cè)序及序列分析，構(gòu)建病毒的進(jìn)化樹，分析其分子遺傳進(jìn)化地位。研究結(jié)果對(duì)于應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的禽流感疫情具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 病毒: 本研究所使用毒株詳情參見(jiàn)表1，均由香港大學(xué)陳洪霖教授惠贈(zèng)。體外細(xì)胞感染實(shí)驗(yàn)及體內(nèi)動(dòng)物攻毒實(shí)驗(yàn)都按照WHO指導(dǎo)原則在ABSL-3實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

1.1.2 細(xì)胞：犬腎細(xì)胞MDCK、人肺腺癌細(xì)胞A549、及小細(xì)胞肺癌細(xì)胞NCI-H446均于本課題組保存。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：5周齡SPF級(jí)雌性BALB/C小鼠由醫(yī)科院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所提供(合格證號(hào)：SCXK(京)2006-0009)(實(shí)驗(yàn)室許可證號(hào)：ILAS-PC-2012-002)。

1.2 方法

1.2.1 體外(Invitro)細(xì)胞感染實(shí)驗(yàn)：細(xì)胞在含有10%胎牛血清的DMEM(Invitrogen)中培養(yǎng)，將102TCID50的病毒液接種于培養(yǎng)在直徑35 mm培養(yǎng)板內(nèi)的單層細(xì)胞中，37℃吸附60 min，加入10 mL無(wú)血清培養(yǎng)基、含TPCK的胰蛋白酶(0.5 μg/mL)和雙抗。分別在感染細(xì)胞后12，24，36，48，56，72 h收集250 μL病毒上清液，3000 r/min離心10 min，取上清通過(guò)Real-time PCR測(cè)定病毒核酸載量。

1.2.2 體內(nèi)(Invivo)小鼠感染實(shí)驗(yàn)：每組12只小鼠分為組1(8只)及組2(4只)。將小鼠按0.02 mL/g比例肌注三溴乙醇麻醉后，通過(guò)滴鼻途徑對(duì)小鼠進(jìn)行攻毒，每只小鼠接種102TCID50病毒液50 μL。組1小鼠連續(xù)觀察14 d，記錄臨床表征和死亡率。組2小鼠在攻毒后第5天，安樂(lè)后取肺組織，通過(guò)Real-time PCR測(cè)定病毒核酸載量。

表1 本研究中所使用的高致病性禽流感H5N1病毒詳情

1.2.3 小鼠同居實(shí)驗(yàn)：18只小鼠隨機(jī)分配于兩個(gè)鼠盒中，每盒9只，其中3只標(biāo)記后通過(guò)滴鼻途徑進(jìn)行攻毒，另外6只同籠飼養(yǎng)。第一盒同居小鼠于攻毒后5，8，11 d各安樂(lè)2只，取肺組織，測(cè)定病毒核酸載量及滴度。第二盒同居小鼠于攻毒后14，21，28 d各摘除2只小鼠的眼球獲取血清，通過(guò)血凝抑制實(shí)驗(yàn)及微量中和實(shí)驗(yàn)測(cè)定抗體效價(jià)。

1.2.4 Real-time PCR：小鼠肺組織研磨成勻漿，從上清液中提取RNA(Qiagen)，溶于30 μL Diethyl pyrocarbonate(DEPC)處理過(guò)H2O中，保存于-80℃。取8 μL RNA進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄cDNA的合成，加入到總體積為20 μL，含有200 U Superscript Ⅲ逆轉(zhuǎn)錄酶((Invitrogen)的反應(yīng)體系中。實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)體系為20 μL，包括10 μL 2× SYBR Green熒光染料Mix (ABI)，各1 μL 10 μmol/L的正向和反向引物(NP-688F: 5′-ttccaaacagcagcacaaag-3′, NP-817R:5′-tatgggccaatgatcctctc-3′)，2 μL cDNA模板和6 μL無(wú)RNA酶的H2O。熱循環(huán)條件，94℃ 3 min，94℃ 30 s，58℃ 30 s，72℃ 30 s，35個(gè)循環(huán)。每個(gè)循環(huán)結(jié)束后讀取熒光值。

1.2.5 血凝抑制實(shí)驗(yàn)(HI)：先用Receptor-destroying enzyme(RDE)酶處理血清，1份血清加入3份RDE酶工作液，37℃水浴12～16 h后56℃滅活30 min。將1份濃縮火雞血和10份RDE酶工作液處理過(guò)的滅活血清(200 uL)充分混勻，4℃放置1 h，重懸后1200 r/min離心5 min，取上清，向其中加入2.5倍血清體積的PBS溶液即得到工作血清。96孔V型板除第一列(共八列)外，每孔加入25 μL的PBS，在第一，二，八列每孔加入25 μL工作血清，從第二列移取25 μL，由第二到第七列對(duì)倍稀釋，每孔加入25 μL新調(diào)制的4HA病毒液(最后一列除外)，充分混勻，室溫靜置40 min，每孔加入1%火雞血50 μL，室溫靜置30 min觀察結(jié)果。將96孔V型板垂直豎起，觀察孔底紅細(xì)胞滑下速度，待對(duì)照孔內(nèi)紅細(xì)胞自由下滑呈淚滴狀時(shí)讀結(jié)果，紅細(xì)胞下滑速度與對(duì)照相同者為完全抑制，完全抑制時(shí)的血清最高稀釋度即抗體效價(jià)。

1.2.6 微量中和實(shí)驗(yàn)(MN)：將攻毒后14、21、28 d的小鼠血清放在60℃水浴鍋中滅活30 min，之后在96孔板中將待檢血清用維持液稀釋為1∶8、1∶16、1∶32……1∶1 024。將稀釋好的血清100 μL/每孔分別與100 μL 102TCID50的病毒等量混合，37℃孵育1 h。將血清-病毒混合液接種于培養(yǎng)在96孔培養(yǎng)板內(nèi)的單層MDCK細(xì)胞中，經(jīng)3天培養(yǎng)觀察細(xì)胞病變(CPE)，同時(shí)吸取上清每孔50 μL，加入1%的火雞血50 μL，混勻，靜止30 min進(jìn)行復(fù)核實(shí)驗(yàn)。

1.2.7 基因測(cè)序、比對(duì)、及進(jìn)化樹構(gòu)建：病毒HA基因分為相互重疊的三段利用高保真PCR系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)增(KOD plus，TOYOBO)，所用引物序列為：HAF1(1～22): 5′-atggagaaaatagtgcttctt-3′；HAR1(651-671): 5′-ctctggttaagtgttgatgtc-3′; HAF2(481～502): 5′-agaaatgtgatatggcttatca-3′; HAR2(1201～1221): 5′-ctgagtgttcattttgtcaat-3′; HAF3(925～945): 5′-aacatacaccctctcaccatc-3′; HAR3(1693～1715): 5′-ctcacaaatttaaatgcaaattc-3′。擴(kuò)增產(chǎn)物純化后(QIAGEN)外送測(cè)序(中美泰和)。利用CLUSTAL W (version 1.83)軟件對(duì)HA基因序列進(jìn)行比對(duì)，利用MEGA5.0軟件基于HA蛋白序列構(gòu)建Neighbor-joining進(jìn)化樹，校驗(yàn)值(bootstrap)設(shè)為500。

1.2.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：病毒核酸載量和滴度的數(shù)據(jù)處理運(yùn)用SPSS 11.5軟件包中DUNCAN及LSD法進(jìn)行ANOVA單因素方差分析。

2 結(jié)果

2.1 新發(fā)H5N1毒株07035對(duì)人源肺細(xì)胞的感染性研究

將102TCID50的07035毒株分別感染人肺腺癌細(xì)胞A549及小細(xì)胞肺癌細(xì)胞NCI-H446，在感染細(xì)胞后12，24，36，48，56，72 h收集病毒上清液，取上清測(cè)定病毒核酸載量。結(jié)果顯示，07035病毒可在A549細(xì)胞中有效復(fù)制，拷貝數(shù)從12～72 h呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)(P<0.05)，而其在NCI-H446中并不能增殖(圖1)，說(shuō)明07035病毒在體外對(duì)人源肺細(xì)胞具有一定程度的感染性。

圖1 07035毒株體外在人源肺細(xì)胞中的復(fù)制曲線。(A)A549細(xì)胞；(B)NCI-H446細(xì)胞

2.2 細(xì)胞水平(In vitro)病毒復(fù)制能力比較

將102TCID50的新發(fā)H5N1病毒07035、迄今為止毒力最強(qiáng)的SZ株、及WHO推薦的禽流感疫苗制備株VN分別感染MDCK細(xì)胞。病毒復(fù)制動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示，07035毒株在MDCK細(xì)胞中于56 h.p.i達(dá)到復(fù)制峰值，同時(shí)，從感染后12～72 h，07035在MDCK細(xì)胞中的復(fù)制能力較SZ與VN株稍低，但與后兩者并不存在顯著性差異(P>0.05)(圖2)。

圖2 07035毒株與SZ及VN株在MDCK細(xì)胞中復(fù)制能力比較

2.3 小鼠體內(nèi)(In vivo)病毒毒力及致病性比較

將102TCID50的07035、SZ、及VN分別對(duì)BALB/c小鼠攻毒，通過(guò)觀察小鼠的存活率，體重變化情況，肺組織中病毒核酸載量等，來(lái)對(duì)病毒的毒力及致病性進(jìn)行比較。小鼠攻毒后連續(xù)觀察14 d，其中感染SZ及VN株的小鼠100%死亡，而07035感染后小鼠仍有12.5%存活(圖3)。SZ與VN感染的小鼠平均存活天數(shù)顯著低于07035感染的小鼠(圖4)。由圖5可見(jiàn)SZ株感染的小鼠體重下降最為顯著，其次為VN株，下降最少的為07035感染的小鼠。同時(shí)，Real-time PCR結(jié)果可見(jiàn)SZ與VN感染的小鼠肺組織病毒核酸拷貝數(shù)顯著高于07035感染的小鼠(P<0.01)(圖6)。因此，新發(fā)禽流感H5N1病毒07035對(duì)小鼠的致病性較目前毒力最強(qiáng)的SZ株及WHO推薦的疫苗制備株VN較弱，在進(jìn)化的過(guò)程中暫未發(fā)生導(dǎo)致致病性增強(qiáng)的正向選擇事件。

圖3 102 TCID50的07035、SZ、VN株感染小鼠后的存活曲線

圖4 102 TCID50的07035、SZ、VN株感染小鼠后的平均存活天數(shù)

圖5 102 TCID50的07035、SZ、VN株感染小鼠后的體重變化曲線

圖6 102 TCID50的07035、SZ、VN株感染小鼠后第5天肺組織攜帶病毒核酸拷貝數(shù)

2.4 新發(fā)H5N1毒株07035在小鼠群體間的傳播力研究

每盒9只小鼠中3只被攻毒的小鼠于感染后9 d內(nèi)全部死亡，同居小鼠第5天及第8天肺組織檢測(cè)不到病毒核酸載量，而第11天兩只同居小鼠中的一只經(jīng)Real-time PCR檢測(cè)為陽(yáng)性，拷貝數(shù)為6×108copies/mL。將PCR產(chǎn)物外送測(cè)序證實(shí)其與攻毒毒株07035 100%同源。此外，將該同居小鼠的肺組織上清接種MDCK細(xì)胞，傳至第二代時(shí)出現(xiàn)典型CPE現(xiàn)象，測(cè)定其滴度為104.86TCID50。然而，同居小鼠第14，21，28天的血清經(jīng)血凝抑制實(shí)驗(yàn)及微量中和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其結(jié)果均為陰性。以上結(jié)果證實(shí)07035毒株可在小鼠群體間進(jìn)行有效傳播，但誘發(fā)機(jī)體體液免疫保護(hù)程度較弱。

2.5 新發(fā)H5N1病毒的遺傳進(jìn)化分析

對(duì)07035的HA基因進(jìn)行分段高保真PCR后外送測(cè)序，序列拼接后已提交至Genbank數(shù)據(jù)庫(kù)中，登陸號(hào)為JQ922566。與WHO禽流感H5N1監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供的各進(jìn)化分支(Clade)代表株進(jìn)行序列多重比對(duì)后，構(gòu)建了HA蛋白的分子遺傳進(jìn)化樹(圖7)。結(jié)果證實(shí)07035的進(jìn)化地位屬于2.3.2.1，為近兩年來(lái)的主流流行Clade。值得注意的是，與07035最為同源的毒株A/Guangxi/1/2009分離自我國(guó)廣西一名因接觸病死禽類而感染H5N1并導(dǎo)致死亡的18歲男孩體內(nèi)。

3 討論

圖7 基于HA蛋白序列的分子遺傳進(jìn)化樹

流感病毒特異性受體末端的N-乙?；窠?jīng)氨酸(又稱為唾液酸)可與半乳糖以α2,3或α2,6鍵的方式結(jié)合，所形成的受體分別命名為α2,3唾液酸受體或α2,6唾液酸受體。通常情況下，人源流感病毒識(shí)別α2,6唾液酸受體，而禽源病毒識(shí)別α2,3唾液酸受體[4]。Shinya等[5]報(bào)道人呼吸道組織切片從鼻腔至終末和呼吸細(xì)支氣管主要表達(dá)α2,6唾液酸受體，除鼻腔粘膜個(gè)別上皮細(xì)胞偶爾表達(dá)α2,3唾液酸受體外，其他部位缺乏α2,3唾液酸受體，相反，下呼吸道的呼吸細(xì)支氣管與肺泡之間連接部的非纖毛立方細(xì)胞以及肺泡細(xì)胞表達(dá)α2,3唾液酸受體為主。因此理論狀態(tài)下禽流感H5N1病毒并不具備在人際間通過(guò)空氣經(jīng)上呼吸道傳播的能力。然而，目前仍有少量H5N1在人際間傳播的散發(fā)案例的報(bào)道[6-9]。本研究中將攻毒鼠與健康鼠同籠飼養(yǎng)，健康鼠獲得了感染，說(shuō)明新發(fā)H5N1病毒可在小鼠群體間通過(guò)接觸而傳播。有學(xué)者曾用1997年的人(A/HK156/97)及雞(A/Chicken/Hong Kong/258/97)H5N1分離毒株感染豬及小鼠，并將健康的豬及小鼠分別與攻毒動(dòng)物同籠飼養(yǎng)，結(jié)果同籠飼養(yǎng)的豬、小鼠均未發(fā)生感染[10]。也有人用2.5 × 104TCID50的VN株感染家貓，并將健康家貓與感染貓同舍飼養(yǎng)，結(jié)果健康貓獲得感染，這可能與所使用的毒株以及攻毒劑量等有關(guān)，另一方面也提示經(jīng)過(guò)進(jìn)化后病毒的致病力及傳播力可能發(fā)生了變化[11]。H5N1病毒在禽類群體間擁有較明確的泄殖腔-口腔傳播途徑，而其在人類及哺乳動(dòng)物之間能否進(jìn)行傳播，至今仍存在爭(zhēng)議。2004年泰國(guó)動(dòng)物園中大量虎發(fā)生H5N1感染，通過(guò)流行病學(xué)調(diào)查及病原學(xué)等研究認(rèn)為病毒在老虎之間可能發(fā)生了水平傳播[12]。自1997年以來(lái)，H5N1呈現(xiàn)出致病力逐漸增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，體現(xiàn)在人感染后病死率的增加、病毒抗原特性的變化、內(nèi)部基因的重排以及宿主范圍的擴(kuò)大等，提示H5N1在人與人之間傳播的可能性大大增加，而近年來(lái)越南、泰國(guó)、印度尼西亞已出現(xiàn)H5N1病毒感染的家庭聚集現(xiàn)象[10, 13-17]。但也有人對(duì)此持反對(duì)意見(jiàn)，他們認(rèn)為家庭成員所生活的環(huán)境、背景、生活習(xí)慣都基本相同，不能完全確定感染源，看護(hù)H5N1感染病人的護(hù)理員的血清抗體也均呈陰性[18-21]。 有學(xué)者擔(dān)心H5N1病毒是否與人流感病毒發(fā)生了基因重組，從而使傳播能力大大增強(qiáng)，設(shè)計(jì)了將H5NI病毒與引起1968年流感大流行的H3N2病毒雜交，雜交后的病毒能感染雪貂，但不能引起雪貂間的水平傳播，說(shuō)明雜交后的病毒傳播力并沒(méi)有增強(qiáng)，同時(shí)也提示人流感病毒與禽流感病毒的重組并不像我們想象中的那么容易，可能是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程[20]。但是，2011年底，來(lái)自荷蘭的病毒學(xué)家Ron Fouchier和來(lái)自美國(guó)的病毒學(xué)教授Yoshihiro Kawaoka分別在某國(guó)際流感會(huì)議上扔下兩枚重磅炸彈——他們對(duì)禽流感H5N1病毒進(jìn)行基因改造，培育出的H5N1病毒變種已具備在雪貂間通過(guò)空氣傳播的能力，并暗示也具備在人際間傳播的可能。說(shuō)明H5N1病毒仍然是引起全球流感大流行疫情的潛在病原之一，加強(qiáng)對(duì)新發(fā)病毒感染性及傳播力監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本實(shí)驗(yàn)中健康鼠通過(guò)與攻毒鼠同籠飼養(yǎng)而獲得了感染，再次證實(shí)H5N1已具備在哺乳動(dòng)物之間進(jìn)行傳播的能力。傳播的可能途徑包括：空氣飛沫、糞口污染、身體接觸等多個(gè)方面，具體是通過(guò)何種方式進(jìn)行傳播還有待進(jìn)一步的研究。盡管本研究結(jié)果顯示新發(fā) H5N1病毒07035對(duì)小鼠的致病性相比目前毒力最強(qiáng)的SZ株及WHO推薦的疫苗制備株VN較弱，在進(jìn)化的過(guò)程中暫未發(fā)生導(dǎo)致致病性增強(qiáng)的正向選擇事件。但07035毒株可在小鼠群體間進(jìn)行有效傳播且誘發(fā)機(jī)體體液免疫保護(hù)程度較弱的結(jié)果值得高度關(guān)注。尤其是與07035最為同源的毒株A/Guangxi/1/2009分離自我國(guó)廣西一名因接觸病死禽類而感染H5N1并導(dǎo)致死亡的18歲男孩體內(nèi)，而且07035病毒在體外對(duì)人源肺細(xì)胞還具有一定程度的感染性，都說(shuō)明新發(fā)禽流感H5N1病毒07035存在潛在傳給人的威脅。若病人同時(shí)受人類流感病毒及禽流感病毒感染，就有可能成為病毒的“混合爐”，并存在產(chǎn)生在人群間傳播能力的高致病性新型重組病毒的可能性。一旦出現(xiàn)這種情況，即意味著將會(huì)給人類的生存和發(fā)展帶來(lái)災(zāi)難性打擊的流感大疫情的爆發(fā)。

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