周小青 唐成程 鄒慶劍?

(1.五邑大學(xué)生物科技與大健康學(xué)院,廣東江門 529020;2.江門市大健康國(guó)際創(chuàng)新研究院,廣東江門 529000)

由新型冠狀病毒SARS-CoV-2 導(dǎo)致的新冠肺炎(COVID-19)目前正在全球蔓延,波及范圍達(dá)全球200 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。截止2020 年12 月25 日,全球累計(jì)確診7977 多萬(wàn)例,死亡人數(shù)超174 萬(wàn)例。疫情爆發(fā)后,全世界的科學(xué)家們快速報(bào)道了一系列針對(duì)SARS-CoV-2 和COVID-19 的研究,包括SARSCoV-2 病毒基因組序列[1-2],COVID-19 臨床癥狀[3-4],動(dòng)物模型[5],治療方案[6]和疫苗研發(fā)[7]等。我們與SARS-CoV-2 病毒的戰(zhàn)斗還在繼續(xù),其源頭和宿主、傳播途徑、致病機(jī)理和危害性等一系列復(fù)雜問(wèn)題還有待進(jìn)一步的深入研究,更為重要的是相應(yīng)藥物以及抗體和疫苗的開(kāi)發(fā)。雖然目前全世界范圍內(nèi)正在進(jìn)行多項(xiàng)臨床試驗(yàn),但是與此同時(shí),開(kāi)展有關(guān)SARS-CoV-2 和COVID-19 的基礎(chǔ)研究也至關(guān)重要。對(duì)不同的模式生物體進(jìn)行臨床前研究,可以幫助人們更好地了解SARS-CoV-2 病毒并測(cè)試治療藥物的安全性和有效性。有效的新冠肺炎動(dòng)物模型,不僅能幫助我們了解新冠肺炎的發(fā)病機(jī)制和病理特征,同時(shí)也有助于針對(duì)新冠肺炎的藥物及疫苗的研發(fā)。本文就疫情爆發(fā)以來(lái)各種SARS-CoV-2易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的感染情況和病理特征進(jìn)行歸納總結(jié),分析了不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的應(yīng)用范圍,為選擇合適的易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以開(kāi)發(fā)COVID-19 疫苗和藥物提供一定的參考依據(jù)。

各個(gè)物種根據(jù)對(duì)SARS-CoV-2 的敏感性,可分為易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和不易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。目前已經(jīng)確定的易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有hACE2 人源化小鼠,倉(cāng)鼠,雪貂,貓和非人靈長(zhǎng)類等,不易感的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有野生型小鼠,兔子,豬,犬等。

1 小鼠

小鼠作為經(jīng)典的模式生物,一直是臨床前研究的首選實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。不過(guò)前期研究表明,野生型小鼠(C57BL/6 或BALA/c 等)對(duì)SARS-CoV-2 不易感,而對(duì)SARS 病毒(SARS-CoV)易感的hACE2 遺傳修飾人源化小鼠在感染SARS-CoV-2 后,表現(xiàn)出不同程度的新冠肺炎臨床癥狀[8-18]。目前使用的hACE2遺傳修飾人源化小鼠主要有以下幾種:

1.1 hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠

Bao 等[14]構(gòu)建了由小鼠ACE2(mACE2)啟動(dòng)子啟動(dòng)表達(dá)人ACE2(hACE2)基因的表達(dá)載體,然后通過(guò)顯微注射的方法獲得了hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠。將SARS-CoV-2 病毒接種到hACE2 轉(zhuǎn)基因小鼠后,可觀察到小鼠明顯的體重下降以及間質(zhì)性肺炎,可見(jiàn)巨噬細(xì)胞聚集在肺泡腔內(nèi),且大量巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)肺泡間質(zhì)。檢測(cè)接種了SARS-CoV-2 病毒小鼠的多個(gè)組織器官,發(fā)現(xiàn)小鼠的肺部有高水平的病毒載量,且支氣管上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和肺泡上皮中均可觀察到病毒抗原。

1.2 hACE2 基因敲入小鼠

Sun 等[15]利用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù),在野生型小鼠中敲入人的ACE2 基因,制備了表達(dá)人ACE2的基因敲入小鼠。與野生型C57BL/6 小鼠相比,幼齡和老齡的hACE2 敲入小鼠在鼻內(nèi)感染SARS-CoV-2后,肺、氣管和大腦中均保持高病毒載量。雖然未觀察到死亡病例,但在感染SARS-CoV-2 的hACE2 敲入小鼠中可觀察到間質(zhì)性肺炎和細(xì)胞因子升高。

1.3 非轉(zhuǎn)基因小鼠

Sun 等[16]利用鼻吸的方法將腺病毒介導(dǎo)的Ad5-hACE2 轉(zhuǎn)導(dǎo)至野生型小鼠(C57BL/6 或BALA/c小鼠)和相關(guān)基因敲除小鼠(I 型干擾素受體缺陷小鼠或干擾素通路關(guān)鍵基因STAT1 敲除小鼠),建立了肺部表達(dá)hACE2 基因的小鼠。無(wú)獨(dú)有偶,Hassan等[17]也通過(guò)鼻吸的方法將編碼人類ACE2 的腺病毒載體轉(zhuǎn)導(dǎo)到BALB/c 小鼠中,成功的在小鼠肺組織中表達(dá)了hACE2。此類非轉(zhuǎn)基因小鼠在感染SARS-CoV-2 后出現(xiàn)肺炎,肺部保持高滴度的病毒復(fù)制,且出現(xiàn)體重減輕和嚴(yán)重肺病理等現(xiàn)象。此方法不需要轉(zhuǎn)基因或者基因敲入技術(shù),可以縮短動(dòng)物模型建模時(shí)間,同時(shí)規(guī)避傳統(tǒng)基因修飾技術(shù)的影響。

以上三種小鼠(表1)皆能在不同程度上感染SARS-CoV-2,且表現(xiàn)出體重下降和肺病理等類人性的臨床癥狀,不過(guò)鑒于這些小鼠都是經(jīng)過(guò)hACE2 人源化修飾,且嚙齒類動(dòng)物和哺乳類動(dòng)物天然存在某些差異,因此小鼠更適合SARS-CoV-2 病毒的致病機(jī)制和機(jī)理等基礎(chǔ)研究。

2 倉(cāng)鼠

Chan 等[19]首次使用敘利亞倉(cāng)鼠進(jìn)行COVID-19 研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)感染SARS-CoV-2 后,這些倉(cāng)鼠表現(xiàn)出呼吸急促、體重減輕和肺泡損傷并伴有廣泛的細(xì)胞凋亡,與人類的臨床癥狀相比,較為符合人類輕度至中度疾病的發(fā)展過(guò)程。Sia 等[20]的研究工作也表明敘利亞倉(cāng)鼠可以感染SARS-CoV-2,并出現(xiàn)相似的癥狀。比較有趣的是,研究還發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2可通過(guò)直接接觸和氣溶膠的方式從已感染的倉(cāng)鼠傳播到幼年倉(cāng)鼠,而通過(guò)污染物傳播的效率反而較低。Imai 等[21]的研究工作表明SARS-CoV-2 分離株可以在倉(cāng)鼠肺中有效復(fù)制,在鼻內(nèi)感染后引起嚴(yán)重的病理性肺損傷,且肺損傷與受SARS-CoV-2 感染的人肺具有共同的特征,包括嚴(yán)重的雙肺多發(fā)磨玻璃影以及浸潤(rùn)影,甚至嚴(yán)重時(shí)期的肺實(shí)變。

倉(cāng)鼠感染SARS-CoV-2 后,表現(xiàn)出輕度至中度肺炎的臨床癥狀,且感染的倉(cāng)鼠可通過(guò)直接接觸和氣溶膠的方式傳播給幼年倉(cāng)鼠;另外倉(cāng)鼠相對(duì)其他大動(dòng)物模型來(lái)說(shuō)成本比較低,可大規(guī)模飼養(yǎng)。因此倉(cāng)鼠可用于SARS-CoV-2 傳播和感染途徑的研究。

3 雪貂

由于呼吸系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和解剖結(jié)構(gòu)與人相似,雪貂早已被應(yīng)用于模擬人類呼吸道疾病和呼吸道病毒傳播的研究,包括流感病毒、呼吸道合胞病毒、禽流感病毒和SARS-CoV 等[22-32]。Shi 等[25]在接種了SARS-CoV-2 的雪貂上呼吸道和下呼吸道器官中觀察到SARS-CoV-2 的有效復(fù)制,并在氣管和腎臟中檢測(cè)到病毒RNA。不過(guò)感染SARS-CoV-2 后的雪貂除了體溫略有升高之外,并沒(méi)有出現(xiàn)更明顯的臨床癥狀,更沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重疾病或者死亡的現(xiàn)象。Kim 等[26]的研究工作同樣表明,受SARS-CoV-2 感染的雪貂表現(xiàn)出體溫升高和病毒復(fù)制,但沒(méi)有出現(xiàn)死亡個(gè)例。Park 等[27]在雪貂感染模型中評(píng)估了不同種抗病毒藥物對(duì)SARS-CoV-2 感染的抗病毒作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管大多數(shù)藥物治療均能稍微減輕感染雪貂的臨床癥狀,但除了恩曲他濱-替諾福韋能稍微降低病毒滴度外,其余幾種藥物并未起到降低病毒滴度的作用。此外,用硫唑嘌呤處理的免疫抑制的雪貂表現(xiàn)出延遲的病毒清除和較低的血清中和滴度,導(dǎo)致感染時(shí)間延長(zhǎng)。

雪貂雖然能感染SARS-CoV-2,但沒(méi)有明顯的臨床癥狀,且雪貂也不是常規(guī)的模式生物,不過(guò)雪貂可以填補(bǔ)SARS-CoV-2 感染小型哺乳類動(dòng)物的這一空白領(lǐng)域,有望開(kāi)發(fā)更多易感動(dòng)物模型。

4 貓

先前有關(guān)SARS 病毒的研究工作表明,家貓可以感染SARS-CoV 并將病毒傳播給其他貓[32],因此貓也被用來(lái)研究對(duì)SARS-CoV-2 的易感性。Shi等[25]對(duì)貓接種了SARS-CoV-2 并分別在感染后第3天和第6 天進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)可以在貓的不同組織中檢測(cè)到病毒RNA,并且感染后的貓組織病理學(xué)顯示在鼻、氣管黏膜上皮和肺部都出現(xiàn)了大量病變。這表明SARS-CoV-2 可以在貓?bào)w內(nèi)有效復(fù)制,并且年幼的貓比年老的貓更容易受到感染。值得注意的是,同另一項(xiàng)類似研究[33]一致的是,與接種貓同籠的未接種貓也感染了SARS-CoV-2,表明該病毒可以通過(guò)空氣傳播途徑在貓之間進(jìn)行傳播。

貓和雪貂類似,僅出現(xiàn)SARS-CoV-2 感染卻沒(méi)有明顯臨床癥狀,不過(guò)同一籠貓出現(xiàn)了SARS-CoV-2的空氣傳播,這為家養(yǎng)動(dòng)物也感染和傳播新冠病毒提供了警醒。

5 非人靈長(zhǎng)類:

非人靈長(zhǎng)類(non-human primates,NHP)動(dòng)物一直被認(rèn)為是臨床前實(shí)驗(yàn)的金標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)槠湓谟H緣關(guān)系上與人類非常接近,且無(wú)論是生理結(jié)構(gòu)還是解剖病理結(jié)構(gòu)等都與人十分類似。在此之前,NHP 動(dòng)物已被廣泛應(yīng)用于SARS 病毒和MERS 病毒的研究工作,結(jié)果顯示恒河猴、食蟹猴和非洲綠猴等均能在不同程度上表現(xiàn)出病毒感染后的臨床癥狀,包括發(fā)熱,腹瀉和肺炎等[34-39]。目前NHP 動(dòng)物在SARSCoV-2 病毒的研究工作中同樣占據(jù)了重要位置。

5.1 恒河猴

Yu 等[40]首次在正式刊物上報(bào)道了恒河猴感染SARS-CoV-2 的研究工作,青年恒河猴和老年恒河猴同時(shí)通過(guò)氣管感染SARS-CoV-2 病毒,14 d 后檢測(cè)發(fā)現(xiàn),老年恒河猴的鼻咽拭子,肛門拭子和肺的病毒復(fù)制明顯比青年恒河猴更為活躍,且能在肺泡上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中檢測(cè)到病毒抗原。感染后的恒河猴都表現(xiàn)出典型的間質(zhì)性肺炎,可觀察到肺泡間隔增厚,以及炎癥和水腫;尤其是老年恒河猴還出現(xiàn)了彌漫性嚴(yán)重的間質(zhì)性肺炎,與人肺的病理特征相似。這說(shuō)明SARS-CoV-2 引起的老年恒河猴的間質(zhì)性肺炎比青年恒河猴更為嚴(yán)重,揭示SARSCoV-2 病毒感染后肺疾病的嚴(yán)重程度可能和年齡有關(guān)。Deng 等[41]研究工作也證實(shí)了同樣的結(jié)果;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2 感染后康復(fù)的恒河猴再次暴露在SARS-CoV-2 病毒環(huán)境中并不易再次感染,這一結(jié)果同樣得到了另一項(xiàng)SARS-CoV-2 感染恒河猴的研究工作的證實(shí)[42]。Munster 等[43]在SARS-CoV-2 感染的恒河猴中發(fā)現(xiàn)所有恒河猴的鼻子和喉嚨以及支氣管肺泡灌洗液中可檢測(cè)到高病毒載量,同時(shí)大多數(shù)恒河猴表現(xiàn)出肺部浸潤(rùn),水腫,肺泡充血和透明膜等,都是大多數(shù)人類COVID-19 病例中觀察到的典型中度疾病特征。

5.2 食蟹猴

Rockx 等[44]對(duì)感染了SARS-CoV-2 的食蟹猴進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn),盡管所有感染的食蟹猴都產(chǎn)生了SARS-CoV-2 特異性抗體,但均沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的臨

床癥狀,不過(guò)解剖發(fā)現(xiàn),一半以上的食蟹猴有肺泡水腫,透明膜和白細(xì)胞浸潤(rùn)等癥狀。通過(guò)RT-qPCR和鼻拭子、喉拭子以及直腸拭子檢測(cè)發(fā)現(xiàn),SARSCoV-2 RNA 在幼年食蟹猴感染后的第2 天達(dá)到峰值,而老年食蟹猴則在第4 天達(dá)到峰值,個(gè)別食蟹猴在感染21 d 后還能檢測(cè)到病毒RNA,且部分感染的食蟹猴病毒排出現(xiàn)象和人類無(wú)癥狀感染者情況類似。該研究還比較了SARS-CoV、MERS-CoV 和SARS-CoV-2 三種冠狀病毒對(duì)食蟹猴的感染情況,發(fā)現(xiàn)MERS-CoV 主要感染食蟹猴的II 型肺細(xì)胞,而SARS-CoV 和SARS-CoV-2 則同時(shí)感染I 型和II 型肺細(xì)胞,而I 型肺細(xì)胞的損傷可以導(dǎo)致肺水腫和透明膜的形成。

表1 SARS-CoV-2 易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物比較Table 1 Comparison of SARS-CoV-2 susceptible laboratory animal

5.3 狨猴

相比于恒河猴和食蟹猴,狨猴用作病毒感染實(shí)驗(yàn)的比較少,這可能和其易感程度比較低有關(guān)。Lu等[45]選擇了非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的3 個(gè)常用品種(恒河猴、食蟹猴和狨猴)進(jìn)行SARS-CoV-2 的感染實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),恒河猴對(duì)SARS-CoV-2 感染最為敏感,無(wú)論是病毒的組織分布,肺部影像變化,還是排毒現(xiàn)象以及各種細(xì)胞因子水平和抗體水平變化等,皆和人臨床感染的情況類似。其次是食蟹猴,而狨猴對(duì)SARS-CoV-2 感染的敏感性是3 個(gè)品種中最低的。

5.4 非人靈長(zhǎng)類用于疫苗開(kāi)發(fā):

除了SARS-CoV-2 感染實(shí)驗(yàn),恒河猴和食蟹猴還被應(yīng)用于針對(duì)COVID-19 的疫苗和藥物開(kāi)發(fā)。Gao 等[46]使用一種純化的滅活SARS-CoV-2 病毒候選疫苗--PiCoVacc,分別在不同天數(shù)給恒河猴接種疫苗后再接種SARS-CoV-2 病毒。后期檢測(cè)發(fā)現(xiàn),接種PiCoVacc 的恒河猴均未出現(xiàn)發(fā)熱和體重下降現(xiàn)象;血液生化檢測(cè)顯示接種組與對(duì)照組的淋巴細(xì)胞亞群和關(guān)鍵細(xì)胞因子等指標(biāo)并無(wú)明顯差別;心、肝、脾、肺、腎、腦等各器官的組織病理學(xué)評(píng)估顯示沒(méi)有引起明顯的病理變化。這表明PiCoVacc 疫苗在恒河猴中起到了一定的保護(hù)作用的。Wang 等[47]開(kāi)發(fā)了一種新型滅活候選疫苗BBIBP-CorV,此疫苗可誘導(dǎo)包括食蟹猴和恒河猴在內(nèi)的多種動(dòng)物模型產(chǎn)生高水平的中和抗體,以提供對(duì)SARS-CoV-2 病毒的保護(hù)作用。Yu 等[48]開(kāi)發(fā)了一種表達(dá)S 蛋白的DNA 候選疫苗,并在35 只食蟹猴中進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接種疫苗的食蟹猴都產(chǎn)生了體液免疫和細(xì)胞免疫應(yīng)答;且在后續(xù)接種SARS-CoV-2 后,食蟹猴支氣管肺泡灌洗液和鼻黏膜中的病毒載量與對(duì)照組相比明顯減少。這表明該疫苗在食蟹猴中具有針對(duì)SARS-CoV-2 攻擊的免疫原性和保護(hù)作用。Van 等[49]五月初在bioRxiv 上發(fā)表了編碼SARSCoV-2 突觸蛋白的腺病毒載體疫苗ChAdOx1 nCoV-19 在食蟹猴中的研究工作,研究稱,與對(duì)照動(dòng)物相比,疫苗接種的食蟹猴支氣管肺泡灌洗液和呼吸道組織中的病毒載量顯著降低,并且未觀察到肺炎。不過(guò)隨后沒(méi)多久有報(bào)道稱接種ChAdOx1 nCoV-19疫苗的食蟹猴在接觸SARS-CoV-2 病毒后全部感染并出現(xiàn)了明顯癥狀,說(shuō)明ChAdOx1 nCoV-19 疫苗并沒(méi)有起到該有的保護(hù)作用。

5.5 非人靈長(zhǎng)類用于藥物開(kāi)發(fā)

除了疫苗,食蟹猴還被用來(lái)測(cè)試抗病毒藥物。Williamson 等[50]在感染SARS-CoV-2 病毒并出現(xiàn)下呼吸道疾病的食蟹猴身上靜脈注射雷姆昔韋,定期檢測(cè)發(fā)現(xiàn),經(jīng)雷姆昔韋治療的食蟹猴沒(méi)有顯示出呼吸道疾病的跡象,并且肺部浸潤(rùn)減少。首次治療后12 h,可發(fā)現(xiàn)食蟹猴支氣管肺泡灌洗液中的病毒滴度出現(xiàn)了顯著降低的現(xiàn)象。接種后第7 天進(jìn)行尸檢時(shí),雷姆昔韋治療的食蟹猴肺部病毒載量顯著降低,并且肺組織的損害明顯減少。這意味著瑞姆昔韋對(duì)早期感染SARS-CoV-2 的食蟹猴具有明顯的臨床治療效果。

與前面幾種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物相比,非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物因其與人類親緣關(guān)系相近而備受青睞,幾乎所有的疫苗和藥物在真正應(yīng)用之前都會(huì)經(jīng)過(guò)非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的臨床前試驗(yàn)。多項(xiàng)研究表明,恒河猴和食蟹猴不僅可以感染SARS-CoV-2,還能表現(xiàn)出與人類相似的臨床癥狀,且在疫苗試驗(yàn)中可以產(chǎn)生中和抗體,因此非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物非常適合SARS-CoV-2 疫苗和藥物的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。

6 總結(jié)與展望

目前研究的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物雖然能在一定的程度上模擬人感染SARS-CoV-2 病毒后的癥狀,但是還沒(méi)有辦法完全復(fù)制人類臨床癥狀,或多或少存在一定的缺陷(表1)。有的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物能感染SARS-CoV-2病毒,可以檢測(cè)出病毒滴度或者抗體,但是沒(méi)有表現(xiàn)出臨床癥狀,比如雪貂和貓;有的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物感染SARS-CoV-2 病毒后,只出現(xiàn)了部分臨床癥狀,比如小鼠;有的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物感染SARS-CoV-2 病毒后,不同組織的病毒復(fù)制和病毒滴度不一樣,比如非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物。因此可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮脱芯繉?duì)象的不同,選擇合適的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。比如要研究SARS-CoV-2病毒的致病機(jī)理或針對(duì)COVID-19 的藥物研發(fā),可以優(yōu)先選擇能表現(xiàn)出與人類相似癥狀的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物;而在COVID-19 疫苗研發(fā)中,則應(yīng)優(yōu)先考慮SARSCoV-2 病毒可以在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物各組織中進(jìn)行復(fù)制且達(dá)到一定水平的病毒滴度。不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可以根據(jù)他們的感染情況和病理特征進(jìn)行不同目的的試驗(yàn),從而更好更充分地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的作用。

雖然現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物不能完全模擬人類臨床癥狀,但依然能發(fā)揮一定的作用,推動(dòng)SARS-CoV-2和COVID-19 的基礎(chǔ)研究,以及藥物研發(fā)和疫苗開(kāi)發(fā)的測(cè)試工作。相信隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)的發(fā)展,以及對(duì)SARS-CoV-2 和COVID-19 研究的不斷深入,有望獲得更為理想的SARS-CoV-2易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,更好的應(yīng)用于COVID-19 機(jī)制機(jī)理研究以及相應(yīng)疫苗和藥物的研發(fā)。