新型冠狀病毒肺炎動物模型的研究進(jìn)展

楊鈞婷,王曉堂,續(xù)國強(qiáng),宋國華,2?

(1.山西醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心,實(shí)驗(yàn)動物與人類疾病動物模型山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030001;2.山西醫(yī)科大學(xué)附屬精神衛(wèi)生醫(yī)院,太原 030001)

新型肺炎病毒感染所導(dǎo)致的肺炎,在全世界范圍內(nèi)快速傳播,這無疑對全球公共衛(wèi)生、醫(yī)療體系以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大沖擊[1-2]。 2020 年2 月7日, 世界衛(wèi)生組織( World Health Organization,WHO)將新型冠狀病毒肺炎英文名稱定為Corona Virus Disease 2019 (COVID-19)。 新型冠狀病毒肺炎,又名新冠肺炎,患者大都表現(xiàn)為輕型或普通型,約有14%為重癥型,5%為危重型[3],其傳染力極強(qiáng),可通過飛沫或接觸傳播,具有較長的潛伏期[4],患者起初多表現(xiàn)為發(fā)熱、乏力及干咳等癥狀,嚴(yán)重者出現(xiàn)以呼吸困難為主的多種并發(fā)癥,更有甚者可直接導(dǎo)致死亡[5-7]。 由此可知,新型冠狀病毒感染的肺炎危害極強(qiáng),闡明新型冠狀病毒的致病機(jī)制對該疾病的診斷治療及藥物研發(fā)至關(guān)重要。

目前,研究者采用全基因組序列分析發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒與急性呼吸綜合征相關(guān)的冠狀病毒(SARSr-CoV)高度相似[8]。 已有研究證實(shí),新型冠狀病毒是具包膜的正鏈RNA 病毒,屬于β 冠狀病毒屬一員,感染人體的途徑與其他病毒感染人體的途徑相同[9],其包膜上的刺突蛋白(S 蛋白) 需要與細(xì)胞表面特異性受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(ACE2)[10]結(jié)合而啟動感染途徑。 近年來,在深入研究疾病的發(fā)病機(jī)理以及療效機(jī)理過程中,動物模型的使用是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究中的一個(gè)極為重要的實(shí)驗(yàn)方法和手段,有助于更高效地認(rèn)識人類疾病的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和研究防治措施。 現(xiàn)如今新冠肺炎已經(jīng)嚴(yán)重危害人類生命健康,使用動物模型對于研究新冠肺炎具有深遠(yuǎn)的意義。 為了更好、 更快地揭開COVID-19 的 “神秘面紗”,急需制備出一種疾病模擬性好且可重現(xiàn)的動物模型用于新冠肺炎發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究,并以此為突破口進(jìn)一步研制疫苗用于新冠肺炎的預(yù)防與治療。 因此,本文梳理了基于不同動物種類所建立的COVID-19 動物模型,意在為后新冠時(shí)代建立更合適的動物模型提供幫助。

1 嚙齒類COVID-19 動物模型

1.1 非轉(zhuǎn)基因動物模型

1.1.1 腺病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)hACE2 新冠致敏小鼠

腺病毒載體因其具有宿主范圍廣、增殖效率高、無插入致突變性等優(yōu)點(diǎn),其被廣泛應(yīng)用于體外基因轉(zhuǎn)導(dǎo)。 廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院/ 呼吸疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙金存教授團(tuán)隊(duì)[11]快速建立起首個(gè)新冠肺炎非轉(zhuǎn)基因小鼠模型,用在CMV 啟動子控制下表達(dá)hACE2 的腺病毒載體轉(zhuǎn)導(dǎo)小鼠的17CL-1細(xì)胞,通過非轉(zhuǎn)基因的方法使小鼠17CL-1 細(xì)胞中表達(dá)COVID-19 的受體hACE2 蛋白,突破了小鼠對于新型冠狀病毒的天然不致敏性成功構(gòu)建了COVID-19 易感的Ad5-hACE2 小鼠動物模型。 研究發(fā)現(xiàn),Ad5-hACE2 小鼠在接種COVID-19 毒株后表現(xiàn)出體重減輕、病毒于肺部的高度復(fù)制以及嚴(yán)重的肺部實(shí)變。 該動物模型有很好的重復(fù)性,克服了小鼠對感染的天然抵抗性,避免了轉(zhuǎn)基因小鼠制作過程中建模時(shí)間長,操作難度大等困難,且相比于轉(zhuǎn)基因小鼠模型有更高的病毒復(fù)制水平。 Ad5-hACE2 致敏小鼠模型可用于深入研究COVID-19 所致的細(xì)胞和組織損傷機(jī)制并應(yīng)用于治療學(xué),快速評估候選疫苗等方面。 但COVID-19 對于Ad5-hACE2 小鼠的感染是非致命的,這對于研究重度新冠肺炎有一定的局限性。

1.1.2 敘利亞金黃地鼠

大量研究證實(shí),敘利亞金黃地鼠作為一種實(shí)驗(yàn)動物可用于多種疾病的研究,是一種經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)動物模型。 Chan 等[12]對敘利亞金黃地鼠進(jìn)行人為感染操作—鼻腔內(nèi)接種β-CoV/ 香港/ VM20001061 /2020 毒株(香港新冠肺炎確診患者體內(nèi)提取)。 研究結(jié)果表明COVID-19 可以通過直接接觸或氣溶膠這兩種傳播途徑有效地從接種感染的倉鼠傳播給幼年倉鼠。 接種及自然感染的倉鼠表現(xiàn)出類似于人體輕度感染的癥狀,呼吸急促[13]、體重下降、活動減少、嗜睡[14];進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn),在鼻黏膜及下呼吸道上皮細(xì)胞出現(xiàn)病毒復(fù)制;肺組織實(shí)變程度逐漸加深;COVID-19 抗原于肺部、腸道高水平表達(dá);鼻黏膜嗅覺神經(jīng)元數(shù)量減少,這一發(fā)現(xiàn)可能解釋了少數(shù)新冠肺炎患者會出現(xiàn)喪失嗅覺的現(xiàn)象。 此外,還有學(xué)者指出,新冠肺炎接種倉鼠有可能感染其密切接觸倉鼠發(fā)生在接種后早期的短時(shí)間內(nèi),且傳播率與鼻液中的傳染性病毒有關(guān)[15]。 相較于小鼠,金黃地鼠對COVID-19 的感染更加敏感,是適合于新冠肺炎研究的動物模型,尤其為COVID-19 可感染神經(jīng)元細(xì)胞提供了新思路;且由于氣溶膠途徑可有效使COVID-19 在金黃地鼠中傳播,對于研究COVID-19的傳播動力學(xué)也具有重要意義;同時(shí)也可用于疫苗評價(jià)等方面。

1.2 hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠

小鼠作為基礎(chǔ)生命科學(xué)研究領(lǐng)域的常用物種,遺傳背景清晰,研究相對透徹,然而研究人員發(fā)現(xiàn),COVID-19 病毒和SARS-CoV 相同,在自然狀態(tài)下無法與mACE2 受體結(jié)合從而使小鼠感染肺炎,由于這兩種冠狀病毒感染宿主時(shí)共用一扇“ 門”——ACE2 受體,來啟動病毒感染途徑傳播病毒,hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠 “應(yīng)運(yùn)而生”。 在先前報(bào)道的文獻(xiàn)中,秦川教授團(tuán)隊(duì)[16]通過顯微注射技術(shù), 成功建立了hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠動物模型,在此模型中hACE2 蛋白可在轉(zhuǎn)基因小鼠的肺、心臟、腎以及小腸表達(dá),與野生型小鼠相比,轉(zhuǎn)基因小鼠對于SARS 病毒更加易感,而且表現(xiàn)出更接近SARS 患者的病理變化。近年來隨著CRISPR/ Cas9 基因編輯技術(shù)的飛速發(fā)展,只需對小鼠進(jìn)行改造,其就可為研究COVID-19所用。 研究人員利用CRISPR/ Cas9 敲入技術(shù),將完整的hACE2 cDNA 插入mACE2 基因中,造成基因的插入失活,導(dǎo)致mACE2 基因無法正常表達(dá),而插入的hACE2 基因可在mACE2 基因的啟動子調(diào)控下表達(dá);hACE2 基因帶有IRES 位點(diǎn),將tdTomato 基因插入到其下游實(shí)現(xiàn)共表達(dá);將Cas9 mRNA、sgRNA 以及靶向構(gòu)建體一同注射入小鼠受精卵中,可成功構(gòu)建hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠COVID-19 動物模型,對新冠肺炎的研究具有重要的意義[17]。 hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠鼻腔接種COVID-19 毒株,待其感染后在肺、氣管和腦中檢測到了持續(xù)的高病毒載量,并出現(xiàn)了間質(zhì)性肺炎,但未觀察到死亡現(xiàn)象。 hACE2 小鼠動物模型是很好的研究新冠肺炎的發(fā)病機(jī)制、病理特征、疫苗研發(fā)及其效力評估的 “有力工具”。 如趙榮華等[18]已成功建立起冠狀病毒肺炎寒濕疫毒襲肺小鼠病證結(jié)合模型,在該模型中各指標(biāo)表現(xiàn)均與新冠肺炎患者臨床表現(xiàn)一致,適用于分析針對COVID-19藥物的作用機(jī)制以及評價(jià)藥效。 但是小鼠不咳嗽或打噴嚏,所以無法用于COVID-19 飛沫傳播途徑的研究。 此外還有研究發(fā)現(xiàn),對于hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行胃腔內(nèi)接種COVID-19 毒株也會引起感染并可進(jìn)一步導(dǎo)致肺部病變,這又為研究新冠肺炎的傳播途徑打開了 “新大門”。

2 非人靈長類COVID-19 動物模型

恒河猴又稱普通獼猴,作為非人靈長類動物,該物種是世界各國參與醫(yī)學(xué)生物科學(xué)研究的重要品種[19]。 在此次的新冠肺炎研究工作中,恒河猴同樣做出了巨大的貢獻(xiàn)。 現(xiàn)如今,COVID-19 仍然在全世界范圍內(nèi)進(jìn)一步傳播,但至今人們尚不清楚新冠肺炎確診患者在治愈后還是否會再次被COVID-19感染。 為了探究這一問題,恒河猴COVID-19 再感染動物模型應(yīng)運(yùn)而生。 秦川教授團(tuán)隊(duì)[20]和Chandrashekar 等[21]均成功建立了恒河猴COVID-19感染動物模型及恒河猴COVID-19 再感染動物模型。 在初次感染新冠肺炎恒河猴模型中,出現(xiàn)了類似于人體的輕微癥狀[22],輕度食欲下降、活動應(yīng)答減少,但始終沒有觀察到發(fā)熱、體重下降、呼吸窘迫甚至死亡現(xiàn)象;進(jìn)一步研究得知,病毒可在呼吸道高效復(fù)制[23]、引起肺部實(shí)變[24-25]。 在新冠肺炎再感染恒河猴模型中,很少或沒有再感染的恒河猴會表現(xiàn)出臨床癥狀,病毒載量相較于初次感染顯著減少。 由此推測,COVID-19 在初次攻擊非人靈長類動物后會觸發(fā)其體內(nèi)快速免疫反應(yīng),從而保護(hù)宿主免于再次感染,但是感染引發(fā)的免疫相關(guān)性,目前還未從得知,仍需大量的研究證明自然免疫的持久性。 另外,秦川教授團(tuán)隊(duì)[26]還通過氣管途徑接種COVID-19 毒株,成功建立了與年齡相關(guān)的新冠肺炎感染恒河猴動物模型, 研究發(fā)現(xiàn)與青年猴相比,COVID-19 病毒在老年猴中引起的間質(zhì)性肺炎更嚴(yán)重,印證了臨床上新冠肺炎老年患者病死率高這一特征,對于深入研究新冠肺炎的致病性具有深遠(yuǎn)的意義。 在新冠肺炎的研究工作中,恒河猴動物模型還可用于評估疫苗效力、研發(fā)治療方案等。 然而目前報(bào)道的非人靈長類動物模型在感染COVID-19 后只表現(xiàn)出輕微的臨床癥狀,因此還需進(jìn)一步研究構(gòu)建、開發(fā)具有嚴(yán)重新冠肺炎臨床表現(xiàn)的非人靈長類的動物模型。 此外,Deng 等[27]通過結(jié)膜途徑給恒河猴接種COVID-19 毒株,發(fā)現(xiàn)結(jié)膜同樣是新冠病毒傳播的潛在途徑,這為探究COVID-19 的傳播途徑提供了新思路。

3 其他哺乳動物COVID-19 動物模型

3.1 雪貂

已有研究表明,雪貂是適合于研究流感病毒的動物模型, 且雪貂ACE2 已被證實(shí)含有關(guān)鍵的SARS-CoV 結(jié)合殘基[28],所以使用雪貂研究新冠肺炎是合適的。 Kim 等[29]對哺乳動物雪貂進(jìn)行人為感染操作—鼻腔內(nèi)接種NMC-nCoV02 毒株(韓國新冠肺炎確診患者體內(nèi)提取)。 確認(rèn)雪貂感染新冠肺炎后,為了評估病毒的傳播方式,將其分別于同質(zhì)量、同數(shù)量的幼年雪貂進(jìn)行直接接觸和間接接觸。研究發(fā)現(xiàn),哺乳動物雪貂在感染新冠肺炎后表現(xiàn)出體溫升高、偶爾咳嗽、活動量減少(類似于人體的乏力)、病毒復(fù)制等和人體類似的臨床癥狀[30-32];受感染雪貂與未感染幼年雪貂直接接觸可以有效地感染新冠肺炎;COVID-19 可以通過多種途徑的體液樣本感染幼年雪貂。 此次建立的新冠肺炎感染和傳播的雪貂動物模型對于COVID-19 具有天然易感性;感染后可表現(xiàn)出與人體類似的輕微臨床癥狀。但在研究新冠肺炎時(shí)仍具有局限性,該動物模型只表現(xiàn)輕微的臨床癥狀,并沒有出現(xiàn)體重減輕,甚至死亡,且肺中的病毒滴度相對較低,所以無法觀察、類比、研究新冠肺炎中度以及重度患者的臨床表征特點(diǎn)。 考慮到COVID-19 可以在人群中可以快速傳播、雪貂對于COVID-19 的高易感性等特點(diǎn),雪貂動物模型將會是研究COVID-19 感染與快速傳播階段、評估預(yù)防性抗病毒藥物以及預(yù)防性疫苗效果的“有力武器”。

3.2 貓、犬

家貓家犬是現(xiàn)在大多數(shù)家庭最常飼養(yǎng)的寵物,與人類親密無間、同吃同住。 在新冠肺炎肆意傳播的這段時(shí)間內(nèi),研究證實(shí)了家養(yǎng)寵物也有感染新冠肺炎的風(fēng)險(xiǎn)。 因?yàn)樨埲w內(nèi)的病毒受體ACE2 與人體中的病毒受體hACE2 有極大的相似性,所以對于COVID-19 具有易感性,但無明顯的與人體類似的臨床癥狀。 Zhang 等[33]首次報(bào)道了在自然條件下動物體內(nèi)產(chǎn)生的針對COVID-19 的特異性中和抗體。有研究表明,在受感染貓?bào)w內(nèi)可以檢測出COVID-19特異性中和抗體, 這對于新冠肺炎的血清學(xué)研究——篩選抗COVID-19 特異性抗體提供了新思路。 從預(yù)防的角度來看,對新冠肺炎確診患者的寵物進(jìn)行隔離、病毒檢測等工作,這對于如何管理新冠肺炎患者的伴生寵物有很重要的意義[34]。 雖然現(xiàn)有研究表明,家貓家犬有參與COVID-19 傳播的風(fēng)險(xiǎn),但仍需大量的研究工作證實(shí)COVID-19 在人與哺乳動物之間的傳播途徑。

3.3 蝙蝠腸樣有機(jī)體

蝙蝠又被稱為病毒的 “天然儲存庫”,其體內(nèi)可包含各種病毒,尤其是RNA 病毒,對于人類和其他動物來說,具有巨大的安全隱患[35-36]。 Zhou 等[37]在有機(jī)化合物成功建立人體腸道器官的基礎(chǔ)之上,建立起一種基于成體干細(xì)胞的蝙蝠腸上皮器官培養(yǎng)方法—可成功模擬由蝙蝠腸上皮細(xì)胞組成的蝙蝠腸道。 現(xiàn)有新冠肺炎患者病例顯示,COVID-19 感染也會在人體內(nèi)出現(xiàn)腸道受累的現(xiàn)象[38-39]。 研究人員用腸道接種(樣本來自于香港新冠肺炎確診患者)的方法來判斷蝙蝠腸道是否對COVID-19 易感。結(jié)果顯示,蝙蝠類腸道對COVID-19 的感染高度敏感,感染后出現(xiàn)細(xì)胞病變效應(yīng)(CPE) 以及病毒的高效復(fù)制。 雖然腸道感染的途徑尚不清楚,但仍可認(rèn)為COVID-19 可通過腸道這一途徑進(jìn)行傳播。 相較于Vero E6 細(xì)胞,蝙蝠腸樣有機(jī)體模型可能會更高效地分離病毒用于后續(xù)研究, 也有可能是探索COVID-19 潛在來源的 “新天地”。

4 總結(jié)

目前,研究人員已建立起多種COVID-19 動物模型,其中中國科學(xué)家做出了卓越的貢獻(xiàn),為更好的研究新冠肺炎奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所率先成功建立了轉(zhuǎn)基因小鼠模型和恒河猴模型。 鑒于應(yīng)急需求和提供動物模型使用的相關(guān)要求,同時(shí)為保障疫苗有效性評價(jià)的準(zhǔn)確性,為規(guī)范建立動物模型和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)動物模型應(yīng)用,制定了《 實(shí)驗(yàn)動物 新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)動物模型制備技術(shù)規(guī)范》。 鑒于新冠疫情的嚴(yán)峻形勢,本著為提供臨床應(yīng)急使用疫苗有效性的參考依據(jù),科學(xué)、適用、規(guī)范地制定了疫苗保護(hù)性的動物模型制備技術(shù)規(guī)范,動物模型的制作方法參考標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。 據(jù)已報(bào)道文獻(xiàn)可知,新冠肺炎動物模型使用動物種類廣且數(shù)量多,大致分為三類,嚙齒類、靈長類和其他哺乳動物(雪貂、貓、犬、蝙蝠)。嚙齒類動物在新冠肺炎研究中應(yīng)用廣泛,成為了經(jīng)典的構(gòu)建COVID-19 動物模型的動物種類。 其中研究人員借助CRISPR/ Cas9 基因編輯技術(shù)、腺病毒載體系統(tǒng),突破了小鼠對于COVID-19 的天然抵抗性,使小鼠可對COVID-19 易感,且結(jié)果重復(fù)性較好。嚙齒類COVID-19 動物模型優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為遺傳背景清晰,大小適中,繁殖周期短;倫理問題較少。 此外,還可以表現(xiàn)輕微COVID-19 臨床癥狀。 但是,目前針對新冠肺炎研究的嚙齒類動物模型仍具有局限性,該動物模型不打噴嚏或咳嗽,無法研究新冠肺炎的飛沫傳播途徑;無法準(zhǔn)確復(fù)制COVID-19 的病理機(jī)制以及模擬中度及重度新冠肺炎臨床表現(xiàn)。非人靈長類動物在新型冠狀病毒肺炎的研究中使用較早,其與人類進(jìn)化親緣性最高,對COVID-19 天然易感,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與人類患新冠肺炎的表現(xiàn)較為接近,但因其飼養(yǎng)條件要求高、實(shí)驗(yàn)操作較復(fù)雜、成本高、數(shù)量有限且存在較多的倫理問題而在新冠肺炎研究中受到限制。 其他哺乳動物COVID-19 模型自身對新冠肺炎病毒具有天然易感性[40],感染后表現(xiàn)出輕微癥狀,可應(yīng)用于傳播途徑、疫苗評估等新冠肺炎相關(guān)的研究領(lǐng)域。 這三類COVID-19 動物模型在探索新冠肺炎過程中都具有重要的意義,有各自鮮明的特點(diǎn),可應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域,所以根據(jù)所研究的內(nèi)容選擇具體種類的COVID-19 動物模型顯得至關(guān)重要。

5 展望

現(xiàn)如今,已構(gòu)建的多種不同動物種類COVID-19動物模型可以很好的模擬輕微及中度感染新冠肺炎患者的臨床表現(xiàn),但都無法模擬重度及致死新冠肺炎患者的臨床表征。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,重癥及危重型新冠肺炎患者病情重,病死率高[41],所以當(dāng)前急需制備出重癥及危重型COVID-19 動物模型并分析其臨床特征,這對于認(rèn)識COVID-19 病毒所致新型肺炎的臨床規(guī)律具有重要的意義。 雖然非人靈長類動物可以較高程度模擬人體新冠肺炎的臨床表現(xiàn),但還是與人體本身有所差異,為了更加忠實(shí)地模擬人體患新冠肺炎的病理特征,接下來建立人源化免疫系統(tǒng)或人源化器官動物模型是非常有必要的。