关键词:
新型冠状病毒
动物模型
病毒感染
受体
免疫反应
摘要:
为了应对各种新发、突发传染病带来的严峻挑战,亟需开发各种药物和非药物干预措施,而评价这些药物、疫苗、检测试剂等防控措施的有效性,则高度依赖能够模拟人类感染过程、症状表现、病理特征的动物模型。新型冠状病毒(SARS-CoV-2)作为新出现病原,引发新冠病毒感染(COVID-19),导致一系列严重的疾病,严重威胁人类健康与生命安全,需要快速研究其发病机制,高效、便捷的评估治疗药物和预防性疫苗等措施的有效性。因此制备能够高度模拟人类新冠感染的动物模型非常关键。SARS-CoV-2入侵人体过程中必须依赖刺突蛋白S与受体蛋白ACE2(hACE2)高效结合,由于小鼠ACE2(m ACE2)蛋白与SARS-CoV-2的S蛋白亲和力过低,导致SARS-CoV-2无法感染野生型小鼠并在其中高效复制。对此,人们主要采取三种策略来增加小鼠对SARS-CoV-2的易感性:使用启动子驱动hACE2在小鼠体内表达;利用病毒载体转染使小鼠过表达hACE2;使SARS-CoV-2发生适应性进化从而能够与小鼠ACE2蛋白高效结合。以上三种策略解决了针对SARS-CoV-2开展研究的一些问题,应用较为广泛的有K18-hACE2、HFH4-hACE2、m ACE2-hACE2、AAV-hACE2等小鼠模型,这些小鼠模型尽管都能够感染SARS-CoV-2并引起一定的症状,成为人类对抗新冠大流行的强大工具,但是这些小鼠模型仍然存在各种各样的不足,主要表现为它们不能完全重现人类新冠病毒感染的表型特征,尤其是致死率偏低、肺外症状不明显等,从而限制了很多药物和疫苗的评价。因此,仍然有必要开发新的小鼠模型来充分模拟人类感染新冠病毒后的各种症状和临床表现。为此,我们开展了以下研究:
首先,自主构建了一种由CAG启动子驱动hACE2表达的C57BL/6J转基因小鼠,对该小鼠模型进行了生长曲线、脏器指数、血液化学、ACE2基因表达的全面分析,以验证基因修饰对动物的正常生理功能是否有影响,结果表明,hACE2的过表达对小鼠的生理功能未见显著性影响。进一步开展了多脏器组织表达hACE2的系统分析,包括肺、脑、心血管系统、肝脏、脾脏、肾脏、肠道、平滑肌等,结果显示,小鼠气管黏膜柱状纤毛上皮细胞、细支气管上皮细胞、肺泡上皮细胞、心肌纤维、冠状动脉血管分支平滑肌细胞、肺动脉平滑肌细胞、脑室管膜细胞、肾小管上皮细胞、脾小结中淋巴滤泡细胞及各段肠道黏膜上皮细胞等均良好表达hACE2。上述结果显示,本研究成功构建了CAG-hACE2小鼠,并通过生长特性、生理生化特征和病理特征分析,证实了hACE2在肺组织中表达良好,但不影响小鼠的正常生理功能,不改变小鼠的正常组织结构和功能。
其次,分析了自主构建的CAG-hACE2转基因小鼠对SARS-CoV-2的易感性和致病表型,并评价了CD24和RBD抗体在小鼠对抗SARS-CoV-2感染过程中的重要保护作用。结果表明,我们建立的CAG-hACE2转基因小鼠暴露于SARS-CoV-2时,表现出高易感性和严重疾病表型,包括高致死性、严重病理损伤和严重炎症反应。感染后的病理进程分析显示,随着病毒载量不断增加,CAG-hACE2转基因小鼠从轻度肺炎、支气管炎逐渐进展至重度肺炎、肺实质化,表明该小鼠模型可以有效模拟人类对SARS-CoV-2的重症感染。应用CAG-hACE2小鼠模型比较MW06和m CD24-MW06抗体的保护性作用,发现m CD24-MW06抗体表现出更好的预防和治疗效果,表明了CD24在对抗新冠病毒感染中的潜在价值,并进一步验证了该模型的可靠性。
最后,本研究构建并评价了人源化的HLA-A2+/+/DR1+/+/β2m-/-/IAβ-/--hACE2(HLA-A2/DR1-hACE2)小鼠对SARS-CoV-2的易感性和病毒复制能力。在前期已构建MHC(HLA-A2/DR1)小鼠基础上,采用hACE2小鼠与MHC(HLA-A2/DR1)小鼠杂交,构建和培育SARS-CoV-2人体感染免疫特征性动物模型(HLA-A2/DR1-hACE2),发现外源性HLA-A和HLA-DR分子基因均能够在HLA-A2/DR1-hACE2小鼠体内表达。SARS-CoV-2感染实验结果显示,人源化的HLA-A2/DR1-hACE2小鼠对SARS-CoV-2表现出明显的易感性,这为新冠病毒感染致病效应评估和疫苗免疫保护效果评价提供了合适的人源化动物模型。
综上所述,本研究通过基因编辑技术制作了一个CAG启动子控制下表达人类ACE2基因的SARS-CoV-2易感小鼠模型CAG-hACE2,并在此基础上构建的MHC人源化的HLA-A2/DR1-hACE2小鼠,该模型有效模拟了人体感染SARS-CoV-2的特征,为SARS-CoV-2感染致病性评估和疫苗免疫保护效果评价提供了