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创建一种肠道病毒71型诱导神经性肺水肿的小鼠临床模型

期刊:Nature Scientific ReportsDOI:10.1038/srep28876

研究报告

作者及研究机构

这项研究由 Carla Bianca Luena Victorio及其团队,包括 Yishi Xu、Qimei Ng、Beng Hooi Chua、Sylvie Alonso 和 Vincent T.K. Chow 等人共同完成。主要研究单位覆盖了新加坡的 Temasek Lifesciences Laboratory、新加坡国立大学 Yong Loo Lin 医学院的微生物与免疫学系以及澳大利亚 Curtin University 的研究与开发办公室。本研究发表在《Scientific Reports》期刊上,于2016年6月30日正式发布,DOI 为:10.1038/srep28876。

背景与目标

本研究属于病毒学和神经病理学领域,特别关注肠病毒71型(Enterovirus 71,简称EV-A71)及其导致的神经源性疾病。EV-A71是Picornaviridae科的非包膜单股正链RNA病毒,是手足口病(Hand, Foot, and Mouth Disease,简称HFMD)的主要致病因子。尽管HFMD多为轻度、自限性疾病,但EV-A71在少数情况下会引发致命的神经系统疾病,如急性迟缓性麻痹、无菌性脑膜炎及脑干脑炎。当伴随神经源性肺水肿(Neurogenic Pulmonary Edema, 简称NPE)时,死亡率极高。

虽然EV-A71已被研究数十年,但其从良性病毒转变为攻击中枢神经系统(CNS)的机制仍然未知。目前用于研究病毒致病性的动物模型(包括恒河猴、小鼠等)还无法完全模拟人类致命病例的病理特征,尤其是NPE。因此,该团队旨在开发一种能够显示NPE特征的小鼠模型,以更好地研究EV-A71的神经病理机制,并为新疗法的设计提供依据。

方法与实验流程

本研究分步骤开发了一种临床逼真的小鼠模型,主要实验内容如下:

实验对象和病毒改造

使用BALB/c小鼠(一周龄)作为研究模型。本实验使用的是EV-A71病毒的两种新型适应株:EV71:TLLm和EV71:TLLmv。这些病毒菌株是通过在鼠胚成纤维细胞(NIH/3T3,ATCC CRL-1658)细胞系中反复传代得到的。通过对其基因组分析,研究者发现,这些菌株较人类临床分离株(EV71:BS)含有多个非同义突变,特别是在VP1蛋白(包括突变位点K98E、E145A和L169F)和RNA依赖的RNA聚合酶基因上。这些突变使病毒能够使用鼠细胞中表达的天然SCARB2蛋白作为受体,从而感染小鼠。

感染途径与剂量优化

研究团队分别通过腹腔注射(Intraperitoneal,i.p.)和肌肉注射(Intramuscular,i.m.)的方法将不同剂量(10¹至10⁶ CCID50中和剂量)注入一周龄小鼠体内,并观察病理学表现。他们还比较了不同小鼠年龄(一到四周龄)对病毒的敏感性。

结果显示,1周龄小鼠对病毒最敏感,且感染EV71:TLLmv株后,其疾病表现最为严重;106 CCID50(腹腔注射)为最佳实验用剂量。

病毒分布与致病分析

研究团队对感染小鼠的多器官组织,包括CNS、肺部和其他非神经组织,进行组织病理学和免疫组化分析,以评估病毒的分布及其引发的病理学损伤。

他们发现,除了部分肌肉注射感染的小鼠外,病毒抗原主要局限于CNS组织,尤其是脑干和脊髓区域。组织病理结果显示,高度病毒抗原阳性区域如下:海马体(Hippocampus)、下丘脑(Hypothalamus)、中脑(Mesencephalon)、延髓(Medulla Oblongata)等。这些区域的严重组织损伤可能与NPE的发生密切相关。

神经源性肺水肿的评估

为了探讨NPE的形成机制,研究对实验小鼠进行肺部组织病理分析、湿重测量和血清儿茶酚胺(Catecholamines)水平测定。

实验中具NPE特征的小鼠(命名为Class-IA组)表现为快速的心率加快、呼吸困难及肺部水肿,病理观察显示:肺泡内充满蛋白质渗出液和红细胞成分,但无炎性细胞浸润或其心功能无异常。这说明该肺水肿并非由心源性或直接的肺部病毒感染引起,而是由儿茶酚胺风暴(Catecholamine Storm)触发的神经源性机制所致。

研究还发现,延髓中的孤束核(NTS)以及邻近区域的破坏,与这种过度交感激活和儿茶酚胺释放密切相关。

实验结果与数据支持

  1. 病毒适应与改造:EV71:TLLmv菌株能够有效感染小鼠,表现出较高致病性和神经源性病变能力。
  2. 感染特征:1周龄小鼠感染后,93.2%表现出中枢神经系统损伤,19.3%的实验动物发展为NPE。
  3. 组织分布与病理学特征:NPE相关的组织损伤集中于延髓、下丘脑和海马体,且伴随广泛的神经元破坏。
  4. 神经源性机制的证据:Class-IA小鼠的儿茶酚胺水平显著升高,证明了交感神经活动的过度激活在NPE发生中发挥了关键作用。

结论与意义

本研究首次建立了一种能够模拟EV-A71感染引发神经源性肺水肿(NPE)的小鼠模型。该模型展现了与人类致命病例相似的神经功能障碍与组织病变特征。这一模型不仅是研究EV-A71神经致病机制的重要工具,也为未来设计抗病毒药物和预防性治疗提供了理想平台。

研究要点与创新

  1. 首个NPE模型:通过病毒适应性改造,首次利用EV-A71菌株诱导小鼠突发性NPE,填补了动物模型研究的空白。
  2. 病理发现:明确了孤束核(NTS)损伤在NPE机制中的作用,并提供了儿茶酚胺风暴触发机制的实验证据。
  3. 临床相关性高:模型表现与人类病例高度一致,为EV-A71相关神经并发症研究开辟新方向。

科学与应用价值

科学价值在于阐明了EV-A71引发神经源性并发症的潜在机理,应用价值在于构建了用于药物测试的可操作动物模型。这种工作不仅为基础研究提供支持,还可助力突发病毒性脑炎的临床治疗方案设计及疫苗开发。

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