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Science:详解我国科学家开发出适应小鼠的SARS-CoV-2毒株,可用于测试疫苗疗效

来源:本站原创 2020-07-31 11:52

2020年7月31日讯/生物谷BIOON/---由新型SARS-CoV-2引起的2019年冠状病毒病(COVID-19)大流行已成为全球卫生危机。在全人类缺乏保护性免疫力的情况下,SARS-CoV-2表现出前所未有的人与人之间的传播能力。虽然目前有几种候选疫苗正在进行临床试验,但目前还没有商业化的COVID-19疫苗。

SARS-CoV-2与另外两种密切相关的高致病性病毒SARS-CoV和 MERS-CoV同属冠状病毒科β冠状病毒属。SARS-CoV-2有一个大小为30kb的正义、单链RNA基因组。它的核衣壳蛋白(N)和由膜蛋白(M)、包膜蛋白(E)以及刺突蛋白(S)组成的外膜包覆着它的基因组。

与SARS-CoV一样,SARS-CoV-2的S蛋白通过受体结合结构域(RBD)与它们共同的受体血管紧张素转换酶2(ACE2)结合,介导病毒进入宿主细胞。在此之前,科学家们已经证实,SARS-CoV和MERS-CoV的RBD包含主要的构象依赖性中和表位,并能够在免疫动物中引起强效的中和抗体,因而是有希望的疫苗开发靶标。

人们迫切需要开发重现SARS-CoV-2感染的小动物模型。鉴于SARS-CoV-2不使用小鼠ACE2作为它的受体,野生型小鼠被认为不太容易感染SARS-CoV-2。已通过不同的策略开发出表达人ACE2的转基因小鼠。这样的小鼠之前已被用于研究SARS-CoV-2感染和发病机制,并评估针对COVID-19的应对策略。

在一项新的研究中,中国军事医学科学院微生物流行病研究所的孙世惠(Shihui Sun)、秦成峰(Cheng-Feng Qin)和周育森(Yusen Zhou, 已故)以及复旦大学病原微生物研究所的姜世勃(Shibo Jiang)等人开发出一种适应小鼠的SARS-CoV-2毒株,它能够在呼吸道中高效复制,并且在有免疫活性的野生型小鼠中引起间质性肺炎。此外,他们还在用这种SARS-CoV-2毒株进行挑战的小鼠模型中测试了一种新开发的重组亚单位候选疫苗的保护效果。相关研究结果于2020年7月30日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Adaptation of SARS-CoV-2 in BALB/c mice for testing vaccine efficacy”。
图片来自Pixabay/CC0 Public Domain。

在这项新的研究中,这些研究人员并不采取对小鼠进行基因改造使之表达人ACE2的方法,相反,他们采取了一种新的策略:他们对在临床上观察到的一种SARS-CoV-2毒株进行改进,使之能够适应小鼠呼吸道。他们构建出的这种SARS-CoV-2突变株,称为MASCp6,它能够在年轻小鼠和老龄小鼠中复制,并且这两组小鼠在遭受鼻内MASCp6感染后均出现肺炎和炎症反应,这是在人类患者中观察到的临床特征。

这些研究人员说,与SARS-CoV-2相比,对MASCp6基因组的深度测序显示,这种病毒的刺突蛋白的受体结合结构域(RBD)发生突变可能是MASCp6能够进入小鼠ACE2阳性细胞的原因。

为了显示他们的新模型在测试候选疫苗中的实用性,这些研究人员用两剂重组亚单位候选疫苗免疫雌性小鼠,然后用MASCp6病毒感染它们。他们发现,与未接种疫苗的对照组小鼠相比,接种疫苗的小鼠的病毒载量较低,并且没有发现明显的临床症状。

这些研究人员开发的适应小鼠的SARS-CoV-2毒株以及相应的小鼠感染模型增加了研究SARS-CoV-2传播的动物模型数量。这一点很重要,这是因为当前还没有一种感染SARS-CoV-2的动物模型能够重现人类疾病的所有方面。

一种理想的COVID-19动物模型应该重现在COVID-19患者中观察到的病毒复制以及临床结果。在这项研究中,这些研究人员报告了SARS-CoV-2在BALB/c小鼠中的快速适应性,所产生的MASCp6毒株不仅在气管和肺部中高效复制,而且还引起间质性肺炎和炎症反应,从而重现了在COVID-19患者中观察到的许多临床特征。在接种MASCp6后,SARS-CoV-2主要在小鼠的呼吸道中复制,肺部中的病毒RNA在接种3天后达到高峰,然后在接种5天和7天后下降。这些结果与其他转基因小鼠或人源化小鼠模型相一致。

特别值得注意的是,与年轻小鼠相比,老龄小鼠在MASCp6接种后出现了更严重的肺部损伤,这反映了COVID-19的死亡率和病死率强烈偏向于老年人的事实。死亡率仅有Jiang等人在SARS-CoV-2感染的ACE2转基因小鼠中报道过(Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.05.027)。

在SARS-CoV和MERS-CoV研究中,人们已开发出基于小鼠适应性毒株的挑战模型。病毒在小鼠肺部的连续传代导致适应性突变,从而增加病毒感染力。MASCp6基因组与它的亲本株IME-BJ05相比,含有5个突变,这些突变分别导致ORF1ab、S和N基因的4个氨基酸残基变化。N501Y突变似乎使得病毒刺突蛋白和小鼠ACE2发生更有利的相互作用,使之能够附着和进入小鼠宿主细胞,从而导致小鼠的毒力表型增加。除N501Y外,其他三个氨基酸变化是否也调节病毒感染性还有待确定。进一步的反向遗传学研究将会解决这一问题,并还可能使得人们快速合成具有增强毒力的重组SARS-CoV-2。此外,免疫染色结果显示,肺部棒状细胞和AT2细胞是MASCp6的主要靶细胞,这与之前从动物模型和COVID-19患者中获得的研究结果一致。

与之前描述的ACE2转基因小鼠或人源化小鼠相比,这些研究人员开发出的基于MASCp6的挑战模型采用了具有免疫能力的野生型小鼠,并将它们直接应用于各种候选疫苗的疗效评估。对这些小鼠用重组亚单位候选疫苗(RBD-Fc)免疫,可诱导出高水平(高达1:320)的抗SARS-CoV-2中和抗体,几乎消除了在遭受MASCp6挑战后小鼠肺部的病毒RNA复制。疫苗接种小鼠的血清中和抗体滴度与保护性疗效之间的潜在相关性,凸显了这一方便、经济的动物模型的多功能性。

最近,在系统进化树上与人类最接近的非人灵长类动物也被用于重现SARS-CoV-2感染,而且几种候选疫苗已经在它们中得到验证,保护效果良好。仓鼠、雪貂和猫也容易感染SARS-CoV-2,SARS-CoV-2感染后的临床结果从无症状感染到严重的病理肺部病变不等。目前没有一种SARS-CoV-2感染的动物模型能重现人类疾病的所有方面。因此,不同动物模型的建立应会极大地拓展我们对SARS-CoV-2传播和发病机理的认识,加快开发COVID-19对应策略。(生物谷 miaobaku.com)

参考资料:

1.Hongjing Gu et al. Adaptation of SARS-CoV-2 in BALB/c mice for testing vaccine efficacy. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc4730.
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/07/29/science.abc4730

2.Presenting a SARS-CoV-2 mouse model to study viral responses and vaccine candidates
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/aaft-pas073020.php


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