周宏專
(北京市農(nóng)林科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所畜禽疫病防控技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100097)
豬流行性腹瀉病毒(Porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)是引起豬腹瀉的重要病原之一,各種年齡的豬均易感,對哺乳仔豬危害更大,發(fā)病率可達80%~100%,發(fā)病豬臨床特征主要為腹瀉、嘔吐和脫水。近年來,高毒力PEDV變異株的出現(xiàn),給中國乃至世界養(yǎng)豬業(yè)造成了極大的經(jīng)濟損失[1],急需畜牧獸醫(yī)行業(yè)特別是科研人員重新認識該病原的致病機理和危害?;诖?,對豬流行性腹瀉(Porcine epidemic diarrhea,PED)國內(nèi)外近期研究進展如流行病學(xué)、病原學(xué)、診斷及防控措施等進行綜述,以期為該病的防控提供參考。
豬流行性腹瀉于1971年首次在英國報道,隨后在比利時、荷蘭、德國、法國、瑞士、保加利亞和匈牙利等國家也都有相關(guān)的發(fā)病報道,歐洲于2000年逐漸控制了該病。目前,該病在中國、韓國和日本較為流行[1]。我國于1973年首次報道該病,1984年成功分離鑒定其病原PEDV。此后,該病在國內(nèi)逐步蔓延,采用豬流行性腹瀉-豬傳染性胃腸炎滅活苗或弱毒二聯(lián)疫苗預(yù)防該病則始于1995年,但有報道稱從2006年開始,出現(xiàn)免疫效果不理想的現(xiàn)象,免疫過的豬群仍可能暴發(fā)PED。
2010年10月,中國南部地區(qū)暴發(fā)嚴重的豬流行性腹瀉疫情,雖然基于經(jīng)典的CV777毒株的疫苗在國內(nèi)被廣泛使用,但新生仔豬的致死率仍高達50%~100%,表明可能出現(xiàn)了高毒力的PEDV毒株,隨后國內(nèi)多個地區(qū)均暴發(fā)了PED疫情,經(jīng)濟損失較大。2013年4月,美國首次報道豬場出現(xiàn)高毒力PEDV,到2015年3月中旬,疫情已擴散至美國36個州。據(jù)估計,2014年P(guān)ED疫情的大規(guī)模暴發(fā),年凈虧損達到90~180億美元[2]。繼中國和美國暴發(fā)大規(guī)模PED疫情之后,國內(nèi)除西藏外均有PEDV被檢出的報道[1,3],歐洲(英國、德國、荷蘭、比利時、奧地利、烏克蘭、意大利、葡萄牙、法國、捷克、斯洛文尼亞、匈牙利)、亞洲(韓國、日本、菲律賓、越南、泰國)、美洲(加拿大、墨西哥、多米尼加、哥倫比亞、秘魯)近期也都檢測出PEDV[2,4]。
PEDV屬于套式病毒目(Nidovirales) 冠狀病毒科(Coronaviridae) 冠狀病毒屬(Coronavirus) ,為有囊膜、單股、正鏈RNA病毒。病毒粒子呈球形,有囊膜,囊膜上覆蓋有纖突,糞便中的病毒粒子形態(tài)多樣,病毒直徑約95 nm~190 nm[5]。
PEDV基因組RNA全長約28 kb,從5′ 帽子結(jié)構(gòu)(cap)到3′poly A尾,PEDV基因組RNA包括7個編碼病毒蛋白的開放閱讀框(open reading frames,ORF),分別為復(fù)制酶多聚蛋白基因(replicase,Rep)、纖突蛋白基因(spike protein,S)、ORF3 基因、包膜蛋白基因(envelope protein,E)、膜蛋白基因(membrane protein,M)及核衣殼蛋白基因(nucleocapsid protein,N),基因順序為5′ -Rep(ORF1a和ORF1b)-S-ORF3-E-M-N-3′[6]。ORF1a和ORF1b編碼病毒聚合酶,由不同的核糖體移碼機制翻譯ORF1形成2個相互重疊的閱讀框,重疊區(qū)存在ORF1b翻譯所需要的7個核苷酸滑動序列以及假節(jié)結(jié)構(gòu);ORF1a編碼蛋白有蛋白酶功能,ORF1b編碼蛋白有RNA依賴的RNA聚合酶、核酸外切酶,內(nèi)切核糖核酸酶和甲基轉(zhuǎn)移酶功能。ORF3編碼功能不明的非結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì),該蛋白與病毒致病性有關(guān)。S蛋白為Ⅰ型糖蛋白,由2個亞結(jié)構(gòu)域S1和S2組成,S1與病毒中和和遺傳多樣性至關(guān)重要,S蛋白在病毒與宿主受體相互作用和病毒進入宿主細胞中具有重要作用。E蛋白與M蛋白結(jié)合,影響病毒粒子的組裝與病毒的釋放。M蛋白除參與病毒組裝外,還與病毒中和相關(guān),在感染后可誘導(dǎo)α干擾素的產(chǎn)生。N蛋白為磷酸化蛋白,常用于PEDV感染的檢測[6]。
PEDV疫情的蔓延引起了研究人員的廣泛關(guān)注,不斷有新的PEDV全基因組序列公布,截至到2017年10月中旬,NCBI已經(jīng)公布了452條全基因組信息。Wang D等[1]通過對公布的全基因組序列分析比對認為,PEDV可以分為2個基因型,G1型(經(jīng)典型)和G2型(變異型),每個基因型又包括2個亞型,分別為G1a、G1b、G2a和G2b,此外還有重組R型(recombinant R)。
由于PEDV基因序列較多,對某些重組毒株的基因型劃分可能會略有不同。2010年之后,中國流行的PEDV毒株包括G1b和G2型,與經(jīng)典的CV777毒株基因型不同[5]。研究表明2013年美國出現(xiàn)的毒株來源于AH2012和CH/ZMDZY/11的重組,屬于G2a亞型。此類毒株與日本及韓國2013年后期分離的G2a亞型毒株可能存在關(guān)聯(lián)[5]。而2014年德國暴發(fā)的PEDV及此后法國和比利時的流行毒株與中國、美國和韓國的部分R型(重組型)毒株關(guān)系較近[5]。Kim等通過對韓國2007年至2010年分離毒株的E和M蛋白編碼基因分析發(fā)現(xiàn),這些毒株與美國流行的USA/Colorado/2013屬于同一進化分支。Wang D等[1]分析了美國USA/Colorado/2013株、中國AH2012株及2010年5月至2011年5月韓國分離株的E蛋白編碼基因,發(fā)現(xiàn)分離毒株進化上屬于韓國毒株所在基因型組。提示美國的PEDV流行毒株與韓國早期毒株存在相關(guān)性。
通過基因插入、缺失和重組產(chǎn)生了較多PEDV變異株。毒株的變異可能與毒力強弱或適應(yīng)宿主環(huán)境有關(guān)。根據(jù)Lin C M等[4]的研究,非S蛋白插入和缺失 (non-S insertions and deletions,non-S INDEL)毒株毒力強,發(fā)生S蛋白插入缺失的INDEL毒株毒力稍弱,但在某些情況下仍可致病。Wang等報道的美國OH851 S INDEL毒株,在S蛋白N端含1個氨基酸(aa161-162)的插入和2處氨基酸(aa59-62和aa140)的缺失,毒力與non-S INDEL相比有所減弱。Zhang等報道的中國CHN/FL2013株在S蛋白發(fā)生了7aa的提前終止,毒力也出現(xiàn)了降低。此外,韓國的MF3809/2008及日本的JPN/Tottori2/2014為S蛋白大片段缺失株,分別缺失204aa (aa713-916)和194aa (aa23-216),但其毒力情況尚未見報道。類似的缺失還發(fā)生在ORF1a,如越南HUA-14PED96/2014毒株的ORF1a在nsp3處缺失24aa。除插入缺失外,PEDV也會發(fā)生重組,如USA/Iowa106/2013毒株可能來自于CHN/AH2012、CHN/ZMDZY/2011和CHN/CH/S/1986的多次重組。Boniotti等及Akimkin等報道了傳染性胃腸炎病毒(Transmissible gastroenteritis virus,TGEV)和PEDV毒株以TGEV為骨架結(jié)合PEDV的S編碼基因重組,產(chǎn)生了新的病毒SeCoV (swine enteric,CoV),即意大利的Italy/213306/2009毒株和德國的GER/L00930/2012毒株,但其毒力有待進一步鑒定。
PEDV致病機理的研究涉及病毒及宿主細胞相互作用的諸多生物學(xué)環(huán)節(jié)。有研究表明,緊密連接蛋白occludin(閉合蛋白)是PEDV后期進入宿主細胞的關(guān)鍵因子之一,在巨胞飲所致的occludin內(nèi)化過程中起作用[7]。Liu C等[8]認為溶酶體半胱氨酸蛋白酶(lysosomal proteases)激活了S蛋白,進而導(dǎo)致PEDV進入宿主細胞。
PEDV進入細胞后,病毒蛋白調(diào)節(jié)多個信號通路參與了病毒的復(fù)制增殖,如p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和c-Jun N-端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK )可以在PEDV進入宿主細胞早期起促進病毒感染的作用[9]。胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶 (extracellular regulated protein kinases,ERK)通路的活化有助于病毒的復(fù)制,抑制該通路的活化可導(dǎo)致病毒轉(zhuǎn)錄及蛋白表達的減少[10]。而磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合酶激酶3α/β (phosphatidylinositide 3-kinases/protein kinase B/glycogen synthase kinase-3α/β,PI3K/Akt/GSK-3α/β)信號通路的激活,可能起到抑制PEDV復(fù)制作用[11]。Jaruampornpan P等[12]發(fā)現(xiàn),PEDV在感染過程中通過編碼的3C-like蛋白酶(3C-like protease,3Cpro)切割N蛋白(切割位點位于C端),同時N蛋白能夠被水解切割的PEDV與N蛋白不能夠被水解切割的重組PEDV相比具有復(fù)制優(yōu)勢。N蛋白與核仁磷蛋白 (nucleophosmin,NPM1)相互作用可以阻止其被半胱氨酰天冬氨酸特異性蛋白酶-3 (cysteinyl aspartate specific proteinase-3,caspase-3)水解切割,增強細胞存活,進而促進PEDV復(fù)制[13]。
PEDV能夠通過多種機制抑制干擾素的產(chǎn)生,而逃避宿主的抗病毒反應(yīng)。在此過程中有多個編碼蛋白參與了抑制干擾素產(chǎn)生的過程。如復(fù)制酶基因編碼的PLP2蛋白(papain-like protease)可使維甲酸誘導(dǎo)基因-Ⅰ(retinoic acid-inducible gene Ⅰ,RIG-Ⅰ)和干擾素刺激基因(stimulator of interferon genes,STING)去泛素化,干擾RIG-Ⅰ和STING介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑,抑制干擾素調(diào)節(jié)因子3 (interferon regulatory factor 3,IRF3)的核轉(zhuǎn)移,從而抑制β干擾素 (interferon-β,IFN-β)的合成[10]。Zhang Q等[10]研究表明,非結(jié)構(gòu)蛋白 (nonstructural proteins,nsps) nsp1、nsp3、nsp7、nsp14、nsp15、nsp16、ORF3、E蛋白、M蛋白和N蛋白都能抑制IFN-β的產(chǎn)生及IRF3啟動子的激活。其中,nsp1不影響IRF3的磷酸化和核轉(zhuǎn)移,但可以降解CREB結(jié)合蛋白 (CREB-binding protein,CBP),進而影響IRF3和CBP的裝配,還干擾IκB的磷酸化和降解,阻止p65的激活并抑制正調(diào)節(jié)域Ⅱ(positive regulatory domains Ⅱ,PRD Ⅱ)介導(dǎo)的核轉(zhuǎn)錄因子-κB (nuclear factor-κB,NF-κB)活性[10]。此外,nsp5具有半胱氨酸蛋白酶活性,能夠切割NF-κB的重要調(diào)節(jié)因子(NF-κB essential modulator,NEMO),干擾RIG-Ⅰ/黑素瘤分化相關(guān)蛋白5(melanoma differentiation-associated protein 5,MDA5)信號途徑,抑制干擾素的產(chǎn)生[14]。N蛋白在天然免疫應(yīng)答中也起到了重要作用,Ding Z等[15]研究表明,N蛋白與TANK結(jié)合激酶1 (TANK binding kinase 1,TBK1)作用,阻隔其與IRF3的作用,使其不能磷酸化和核轉(zhuǎn)移,從而拮抗IFN的產(chǎn)生。也有研究發(fā)現(xiàn),在豬小腸上皮細胞(small intestine epithelial cells,SIECs)中,PEDV感染通過Toll樣受體(Toll-like receptor) 2、TLR3和TLR9途徑激活NF-kappaB,進一步的研究發(fā)現(xiàn)TLR2參與了N蛋白誘導(dǎo)的NF-κB的激活[10]。除此之外,PEDV感染過程中RIG-Ⅰ介導(dǎo)途徑中的線粒體抗病毒信號蛋白 (mitochondrial antiviral-signaling protein,MAVS)的活化,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子1 (signal transducer and activator of transcription 1,STAT1)依賴蛋白酶體方式的降解及熱休克蛋白27 (heat shock protein 27,HSP27)表達的下調(diào),均可抑制干擾素信號的應(yīng)答反應(yīng)[10,16-17]。
PEDV的感染也有炎性反應(yīng)及自噬的發(fā)生。Xu X等發(fā)現(xiàn)N蛋白可延長細胞周期的S期從而抑制小腸上皮細胞的生長,并且刺激上皮細胞高水平表達白介素-8 (interleukin 8,IL-8),促進炎癥反應(yīng)。PEDV還可通過N蛋白與CCAAT/增強子結(jié)合蛋白-β (CCAAT/enhancer binding protein β,C/EBP-β)相互作用,結(jié)合于重要的促炎癥反應(yīng)因子高遷移率族1 (high mobility group box 1,HMGB1)的啟動子區(qū),誘導(dǎo)了HMGB1的轉(zhuǎn)錄和乙酰化修飾釋放[18]。Guo X等[19]發(fā)現(xiàn)在PEDV感染過程中,自噬與炎性因子的表達相關(guān),且與NF-κB信號通路形成正反饋調(diào)節(jié)回路。
病毒分離培養(yǎng)鑒定周期長,操作程序繁雜,但仍是病毒病的主要診斷手段之一,其結(jié)果準確、可靠。分離時可采集具有腹瀉癥狀的發(fā)病豬空腸及腸內(nèi)容物,重懸、離心過濾后接種于細胞系上。PEDV的分離仍有一定難度,分離過程需要在細胞培養(yǎng)基中添加一定量的胰酶;常用的分離細胞系包括Vero (CCL-81)、Vero E6 (C1008)和IECs(ileum)。Choudhury B等[2]認為Vero (CCL-81)分離效果較好;此外,使用表達PEDV受體豬氨基肽酶N (procine aminopeptidase N,pAPN)和跨膜Ⅱ型絲氨酸蛋白酶2 (transmembrane type Ⅱ serine protease 2,TMPRSS2)的細胞系,可以促進病毒的增殖[20],可能會提高分離成功率。
反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng) (reverse transcriptase-polymerase chain reaction,RT-PCR)作為實驗室常用的分子檢測方法之一,目前已有很多研究報道,根據(jù)設(shè)計的不同還可以分為傳統(tǒng)RT-PCR、套式RT-PCR (nested RT-PCR)、多重RT-PCR (multiplex RT-PCR)、實時熒光定量RT-PCR (real-time PCR,RT-qPCR)。也有學(xué)者開發(fā)了多重RT-PCR,用于區(qū)分多個病毒的感染。Zhao等成功建立了能區(qū)分PEDV、TGEV、A型輪狀病毒(Porcine group A rotaviruses,GAR)和豬圓環(huán)病毒2型(Porcine circovirus type 2,PCV2)4種病毒的多重RT-PCR方法[21]。Xing N等[22]使用功能化的磁珠-納米金顆粒(functionalized nanoparticles-based PCR method,UNDP-PCR)輔助檢測,對比試驗表明,其靈敏度比普通RT-PCR提高了400倍。
反轉(zhuǎn)錄-環(huán)介導(dǎo)等溫擴增(reverse transcriptase-loop mediated isothermal amplification,RT-LAMP)方法操作簡單、特異強、性價比高。Gou H等[23]針對PEDV M基因設(shè)計引物并建立RT-LAMP方法,使用密封的一次性含垂直放置的核酸檢測試紙的檢測盒,用于降低污染并提高特異性。所建立的RT-LAMP方法的靈敏性高于傳統(tǒng)的RT-PCR。
已經(jīng)有多項針對PEDV的酶聯(lián)免疫吸附試驗(enzyme-linked immunosorbent assays,ELISA)方法,主要包括間接ELISA和競爭性ELISA。分別用全病毒或重組S、N和M蛋白作為包被抗原,建立了間接ELISA檢測方法[21]。Okda F等[24]用針對N蛋白的單克隆抗體,建立了競爭阻斷ELISA方法,認為競爭阻斷ELISA敏感性和特異性好,適合用于臨床常規(guī)檢測。
免疫膠體金技術(shù)(immune colloidal gold technique)是一種快速、簡便、結(jié)果易判讀、適合基層快速檢測的一種技術(shù)。Song D等[6]報道了針對N蛋白抗原的免疫層析試紙條,膠體金免疫層析試紙條檢測的靈敏性與ELISA方法相當(dāng),略低于RT-PCR,但可以在10 min內(nèi)得到檢測結(jié)果,適合有快速檢測需求時使用。
Okda F等[24]使用偶聯(lián)PEDV重組N蛋白的微球結(jié)合雙激光Bio-Plex 200儀器,建立了熒光微球免疫法(fluorescent microsphere immunoassay,FMIA)。與傳統(tǒng)的ELISA相比,該方法靈敏度高、通量高、可多重檢測,在單一樣品中可同時檢測多種病原體。此外,還利用針對PEDV N蛋白的單克隆抗體SD6-29建立了熒光聚焦中和法(fluorescent focus neutralization,FFN),可以測定血清、奶或初乳樣品中PEDV功能性中和抗體的相對量,為疫苗或保護性免疫的評價提供了有效工具。
主要包括改善環(huán)境,加強管理。對于母豬要保證飼料質(zhì)量,防止霉菌毒素污染,注意環(huán)境衛(wèi)生,控制產(chǎn)房溫度和濕度,力爭實行全進全出,禁止在母豬妊娠后期和哺乳期濫用保健藥物。對于仔豬要減少應(yīng)激,合理免疫。疫病流行期間,要禁止可能接觸到病原的人或工具進入到豬場,并果斷隔離加強消毒[5]。條件允許的豬場可以建立豬場疫病診斷和預(yù)警系統(tǒng)為疫病的防控提供參考。
新生仔豬在面臨急性病毒感染時,通常無法及時產(chǎn)生主動免疫應(yīng)答,而妊娠期間從胎盤獲得的抗體不足以抵抗病毒,所以PED的預(yù)防主要依靠加強母豬免疫,依靠從初乳和母乳中獲得的母源抗體為仔豬提供保護[20]。
目前國內(nèi)獲得農(nóng)業(yè)部注冊的PED疫苗有3種,2014年12月公告的豬傳染性胃腸炎、豬流行性腹瀉、豬輪狀病毒(G5型)三聯(lián)活疫苗(弱毒華毒株+弱毒CV777株+NX株),2015年11月公告的豬傳染性胃腸炎、豬流行性腹瀉二聯(lián)活疫苗(HB08株+ZJ08株),2016年10月公告的豬傳染性胃腸炎、豬流行性腹瀉二聯(lián)滅活疫苗(WH-1株+AJ1102株)[1]。所使用的毒株包括CV777、ZJ08和AJ1102,另外還有針對AJ1102-R、HZ、CHYJ和XJ-DB2的疫苗在臨床試驗階段。韓國有早期針對PEDV DR13及KPED-9毒株的疫苗,日本還有針對P-5V毒株的疫苗[25]。除此之外,美國自2013年暴發(fā)PEDV疫情以來,有2種商用疫苗,HarrisvaccinesTM公司2014年6月獲批的用復(fù)制缺陷的委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒(Venezuelan equine encephalitis virus,VEEV)整合PEDV S蛋白編碼基因長片段,包裝而成的iPED+疫苗和Zoetis Inc 2014年9月獲批的PEDV全病毒滅活疫苗[26]。
除傳統(tǒng)疫苗外,Pyo等將具有中和PEDV活性的單克隆抗體2C10的重鏈和輕鏈可變區(qū)擴增連接形成單鏈片段(single-chain Fvs,scFv),優(yōu)化后使用大腸埃希菌表達系統(tǒng)表達,所表達的scFv保留了親本抗體的功能,體外能夠阻斷PEDV感染靶細胞,該結(jié)果展現(xiàn)了單鏈抗體作為新型免疫制劑的潛能。Lee C等[5]分別使用重組的S1蛋白免疫雞,刺激雞產(chǎn)生卵黃抗體(IgY),用提取的IgY通過口服途徑用于仔豬,卵黃抗體能夠使新生仔豬抵抗PEDV的感染,是潛在的預(yù)防和治療制劑。
隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展,研究人員還使用多種表達系統(tǒng)及技術(shù)手段嘗試研發(fā)新型基因工程疫苗。如以桿狀病毒、腺病毒及痘病毒為載體表達PEDV相關(guān)片段;使用減毒鼠傷寒沙門菌及使用乳酸菌進行PEDV基因原核表達;使用酵母進行相關(guān)片段表達;使用真核表達載體如pVAX1制備核酸疫苗;使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制備植物口服疫苗等[25]。但大多處于實驗室階段,免疫保護效果及應(yīng)用潛力仍有待進一步完善和評估。
值得一提的是,從Bohl等在豬中發(fā)現(xiàn)腸-乳腺-SIgA軸這一現(xiàn)象起,黏膜免疫在腸道疾病免疫預(yù)防中的作用逐漸得到重視,初乳和母乳中的SIgA以及PEDV中和抗體滴度可能與PEDV的保護性免疫有關(guān)。因此,研發(fā)針對懷孕或哺乳母豬的疫苗誘導(dǎo)黏膜免疫是非常實用的[26]。
除疫苗相關(guān)研究外,研究人員也對相關(guān)生物制劑、藥物、植物提取物、小分子和抑制劑等在PED治療中的作用進行了評估。主要包括表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)[5]、納巴霉素[27]、NIH收集的已經(jīng)通過臨床試驗的化合物六氯酚、硝唑尼特和高三尖杉酯堿[28]、復(fù)方術(shù)芩提取液、銀杏果皮多糖提取物、山茶花中的齊墩果烷三萜[29]、藥草提取物(蒲公英,堇菜,黃連和黃芪)[30]、野菊花中的部分倍半萜類化合物[31]、甘草根提取物[32]、七葉樹種子提取物[33]、鏈霉菌代謝物xiamycin D[34]以及針對主要蛋白酶的擬肽抑制劑[35]等。這些研究為未來PED的治療提供潛在的技術(shù)手段。
近年來PEDV流行較為普遍,已經(jīng)報道的毒株序列分析顯示其基因型多為G2型,同時毒株之間還會發(fā)生重組產(chǎn)生新的變異株,給PED的防控帶來了巨大挑戰(zhàn)。為更好的防控該病,應(yīng)該加強對臨床樣品的監(jiān)測,關(guān)注病毒重組與腸道病毒共感染情況,評估變異株的流行及毒力情況,降低病原對養(yǎng)豬業(yè)的損失。進一步加強對PEDV逃避宿主免疫機理的研究,闡明PEDV強弱毒株致病性的差異機制,毒株間交叉保護的可能性,為研發(fā)新型疫苗奠定基礎(chǔ)。此外,還需要根據(jù)懷孕或哺乳母豬特殊的激素水平情況,研發(fā)針對懷孕或哺乳母豬的疫苗,進一步提高疫苗誘導(dǎo)黏膜免疫的效率,以期為仔豬提供更好的保護。除使用疫苗之外,生物安全防護及飼養(yǎng)管理對于PED的防控也非常重要。