2. 水牛繁育与加工湖北省工程研究中心,武汉 430070
2. Engineering Research Center of Hubei Province for Buffalo Breeding and Processing, Wuhan 430070, China
生长抑素(somatostatin,SS)能够抑制细胞的增殖和多种神经内分泌激素的分泌,包括生长激素(GH)、胰岛素(INS)、促甲状腺激素(TSH)、三碘甲状腺原氨酸(T3)和四碘甲状腺原氨酸(T4)等[1],从而抑制动物的生长。皮质抑素(cortistatin,CST)是一种内源性神经肽,能与所有的SS受体结合,具有SS类似的功能[2]。利用SS的免疫中和作用可以促进畜禽的生长[3-4]。目前,国内外已经研制了多种生长抑素DNA疫苗,在小动物上取得了良好的免疫效果和增重效果,但在大动物上的效果却不容乐观[5-8]。为了进一步提高生长抑素DNA疫苗的免疫效果,本实验室构建了以减毒沙门菌为载体的SS和CST双表达DNA疫苗(pVGS/2SS-2A-S/CST-asd),发现其能显著提高小鼠的平均日增重[9],并探索了鼻饲接种双表达DNA疫苗对水牛免疫效果的影响,发现增重效果不明显[10],这严重限制了双表达疫苗的推广应用。因此,急需探讨双表达DNA疫苗在大动物上的最佳免疫程序。
影响DNA疫苗免疫效果的因素有很多,其中, 免疫接种途径是影响DNA疫苗效力的一个重要方面。不同的免疫途径会影响抗原DNA的转染效率(吸收、表达) 和递呈效率,从而影响DNA疫苗的免疫效力和免疫应答的持久性[11]。DNA疫苗的接种方式主要包括肌肉注射、基因枪、口服、鼻饲、滴眼等多种途径。近年来,多种途径联合免疫已经成为提高DNA疫苗免疫原性的新型接种方式,且多种途径联合免疫的效果要优于单一途径免疫[12-14]。
SS和CST双表达DNA疫苗研究的最终目的是应用于生产实践,目前,该疫苗免疫多采用单一的免疫方式,而采用组合免疫方式来提高反刍动物生长性能的研究尚未见报道。本试验探讨了口服、喷鼻、口服+喷鼻3种不同免疫方式接种SS和CST双表达DNA疫苗对奶水牛犊牛免疫效果以及促生长效果的影响,为优化DNA疫苗的免疫程序、促进其推广应用奠定基础和提供参考。
1 材料与方法 1.1 材料1.1.1 DNA疫苗 以减毒沙门菌(C500)为载体的SS和CST双表达非抗性筛选DNA疫苗(pVGS/2SS-2A-S/CST-asd)由祖卓鑫[9]构建(质粒图谱如图 1所示),质粒、菌种由本实验室提供。
1.1.2 试验动物 从湖北劲牛牧业有限公司选择27头2~6月龄、体重体况相近、健康无疾病的杂交奶水牛犊牛用于试验。
1.1.3 主要试剂 无内毒素质粒小提试剂盒、全血液DNA提取试剂盒购自天根生化科技(北京)有限公司;牛GH、IGF-1、IL-4、INF-γ、T3、T4 ELISA试剂盒均购自(泉州)睿信生物科技有限公司;2×Taq Master Mix、ELISA显色液、ELISA终止液购自南京诺唯赞生物科技股份有限公司;羊抗牛IgG/HRP购自SouthernBiotech公司;DNA Maker、限制性内切酶均购自Thermo Fisher Scientific公司;生长抑素标准抗原、皮质抑素标准抗原均由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
1.2 质粒的鉴定与DNA疫苗的大量制备将以减毒沙门菌(C500)为载体的重组DNA疫苗(pVGS/2SS-2A-S/CST-asd)从-80 ℃超低温冰箱取出,用接种环接种于LB固体培养基上,37 ℃过夜培养。挑取单克隆菌落于200 mL的LB液体培养基中,37 ℃振摇培养过夜,按照北京天根高纯度质粒小提试剂盒的说明书,提取质粒。将双表达质粒pVGS/2SS-2A-S/CST-asd分别经NheⅠ/Hind Ⅲ和XhoⅠ/Hind Ⅲ进行双酶切,37 ℃水浴2~3 h,用1%的琼脂糖凝胶电泳检测,并将鉴定正确的质粒送至武汉擎科生物技术有限公司测序。
将鉴定正确的重组菌按1∶100的体积比接种于LB液体培养基,37 ℃、220 r·min-1振摇培养16~18 h,采用平板计数法检测细菌浓度,用灭菌的PBS调整细菌浓度至3×107CFU·mL-1,4 ℃保存备用。
1.3 动物分组、免疫、饲养管理及样品采集将27头2~6月龄的奶水牛犊牛随机分为4组,试验组每组均为7头,对照组为6头,试验组设计3种不同的免疫方式(口服、喷鼻、口服+喷鼻),分别记为O组、N组、ON组。3个试验组疫苗的浓度均为3×107CFU·mL-1,剂量为15 mL·头-1,每天两次(早上9:00,下午15:00),连续免疫3 d。对照组(C组)每天用等体积的PBS口服和喷鼻免疫。首次免疫后间隔2周,以相同程序加强免疫一次。试验期间,所有犊牛均进行人工哺乳(2 L·头-1,每天喂两次),试验动物自由饮水、采食(青贮+稻草)。
分别于初免后2、6、10周颈静脉采血,每头牛在采血前称重、测体尺(体高、体长、体斜长、胸围、胸深、腿臀围),采集的血液,3 000 r·min-1离心10 min,取上清用于后续试验。
1.4 SS和CST抗体检测采用间接ELISA方法检测不同时期所有试验牛血清中抗生长抑素和皮质抑素抗体。测定参照刘青[15]方法。在同一稀释倍数下,样本血清的OD450 nm值>阴性血清OD450 nm平均值+2倍标准差(s)时,则此稀释倍数即为样本血清的最终抗体滴度,判定为阳性,反之为阴性。
1.5 相关激素及细胞因子的检测参照董方晓的方法[16],用双抗体一步夹心ELISA法检测犊牛血清中GH、IGF-1、T3、T4、IL-4、INF-γ的含量,绘制标准曲线,根据标准曲线计算各样品中GH、IGF-1、T3、T4、IL-4、INF-γ的浓度(计算值乘以5为最终浓度值)。
1.6 血清生化指标检测将血清样品送至生工生物工程武汉分公司,采用全自动生化分析仪BS-420进行血清生化指标检测,检测项目有总蛋白(TP)、葡萄糖(Glu)、游离脂肪酸(NEFA)、尿素氮(BUN)。
1.7 数据分析测得的所有数据均采用SPSS 22.0软件分析,数值表示为“平均值±标准差(x±s)”,并进行差异显著性检测,多组样本采用一般线性模型(GLM)的单因素方差分析(One-way ANOVA),使用Duncan法进行多重比较,当P<0.05表示差异显著;P<0.01表示差异极显著。
2 结果 2.1 重组质粒的酶切鉴定双表达质粒pVGS/2SS-2A-S/CST-asd的双酶切结果如图 1,质粒经Nhe Ⅰ和Hind Ⅲ酶切后,DNA产物电泳后分别在5 000 bp附近以及1 500 bp附近出现条带(1和2),与p-2A-S/CST-asd片段(4 535 bp)和GM/2SS片段(1 245 bp)大小一致;经Xho Ⅰ和Hind Ⅲ酶切后,DNA产物电泳后分别在5 000 bp附近以及750 bp附近出现条带(3和4),与pVGS/2SS-asd片段(4 992 bp)和2A-S/CST片段(798 bp) 大小一致。重组质粒的测序结果与构建图谱序列进行BLAST对比,匹配率100%,无基因突变,进一步说明实验室所保存的工程菌具有良好的稳定性,满足后续试验需求。
2.2 不同免疫方式对犊牛血清SS和CST抗体及细胞因子的影响3种免疫方式均可以诱导犊牛产生SS抗体(表 1)和CST抗体(表 2),各个试验阶段抗体水平不显著(P>0.05)。6周时,O组、N组的抗体水平以及阳性率下降,虽然ON组的阳性率下降,但抗体水平升高。在10周时,O组和N组均检测不到SS抗体和CST抗体,ON组能检测到SS抗体,阳性率只有14.29%。从阳性率和产生抗体的持久性方面综合评判,喷鼻+口服的免疫方式优于喷鼻免疫方式,喷鼻免疫方式优于口服免疫方式。
从表 3可知,随周龄的增加,3个试验组IL-4的含量均呈下降趋势,这与检测的抗体阳性率结果一致;2周时,3个试验组INF-γ、IL-4的含量均高于对照组,但各组之间差异不显著(P>0.05);6周时,ON组INF-γ的含量显著高于C组(P<0.05);10周时,ON组INF-γ的含量均显著高于O组、N组、C组(P<0.05)。说明3种免疫方式均能较好地激发机体产生体液免疫和细胞免疫。
从表 4可知,在各时期内,均以ON组的平均日增重最高,其次为N组、O组、C组,与抗体阳性率结果一致;在初免后2周,ON组日增重显著高于其他各组(P<0.05),而其他各时期内各组间日增重差异均不显著(P>0.05);在整个试验周期(0~10周),与C组相比,O组、N组、ON组犊牛日增重分别提高了5.26%、10.53%、15.79%。由表 5可知,6、10周时,ON组的胸围显著高于C组(P<0.05);10周时,ON组的腿臀围显著高于C组、N组(P<0.05),其他体尺指标均为无显著差异(P>0.05)。
从表 6可知,不同阶段,各试验组的GH、IGF-1、T3的浓度均高于对照组,且ON>N>O组,与增重趋势一致;其中,2周时,3个试验组血清中的IGF-1的浓度显著高于C组(P<0.05);6周时,ON组T3和T4的浓度均显著高于O组、C组(P<0.05),各组之间GH、IGF-1的浓度差异不显著(P>0.05);10周时,ON组T3的浓度显著高于对照组(P<0.05),各组之间GH、IGF-1、T4的浓度差异不显著(P>0.05)。
在初免后2及6周,3个免疫组血清的总蛋白(TP)、葡萄糖(Glu)、游离脂肪酸(NEFA)的含量略高于对照组,尿素氮(BUN)的含量低于对照组(表 7),但各项指标在各组之间差异均不显著(P>0.05)。
黏膜是机体最大的免疫器官,分布在呼吸道、消化道、泌尿生殖道以及某些外分泌腺(唾液腺、胰腺、泪管等)[17]。通过黏膜表面(如口腔、鼻、直肠或阴道等)接种疫苗不仅可以激发保护性黏膜免疫反应,还可诱导全身抗原特异性体液免疫和细胞免疫[18]。以减毒沙门菌为载体的DNA疫苗可以通过口腔或鼻腔进行免疫接种,有效地在动物体内表达外源抗原[19-21]。本研究采用口服、喷鼻、口服+喷鼻3种免疫方式免疫2~6月龄的奶水牛犊牛,均能诱导犊牛产生SS和CST抗体,且加强免疫后ON组的SS和CST抗体水平有所提高,在初免后10周,只有ON组检测到了阳性,说明口服+喷鼻的免疫方式可以诱导犊牛产生更持久的免疫应答。O组、N组均检测不到抗体,提示在6~10周,疫苗的免疫效果已逐渐消失,具体的消失时间还需要进一步探究。整个试验期间,从产生抗体的持久性和阳性率综合来看,口服+喷鼻的免疫方式要优于喷鼻免疫,喷鼻免疫优于口服免疫。这可能是由于口服免疫产生的免疫应答持续时间较短[22]。一方面,鼻腔提供了一个广泛的、高度血管化的和相对容易渗透的表面,提高了鼻黏膜摄取DNA疫苗的效率[23],而且鼻腔黏膜不仅可以激发上呼吸道可产生较强的免疫应答,还可以诱导机体下呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道产生明显的免疫应答[8];另一方面,口腔免疫也可以通过口腔黏膜、消化道黏膜以及胃肠道黏膜递呈抗原,诱导动物机体产生有效的免疫应答[8]。因此多种方式联合免疫要优于单一的免疫方式。
与其他促生长的DNA疫苗相比,祖卓鑫[9]首次采用2A肽双顺反子原件,引入平衡致死系统构建了非抗性筛选SS和CST双表达DNA疫苗,有效提高了下游基因的表达量及其免疫效力。该双表达DNA疫苗可以诱导机体产生SS抗体和CST抗体,中和内源性生长抑素,从而提高生长激素的分泌,并最终提高生长速率。SS基因疫苗可以改善小鼠[24]、羊[25]、肉牛[19]、仔猪[21]、鸡[26]等动物的生产性能。在本研究中,不同阶段犊牛的平均日增重由高到低的顺序为口服+喷鼻组>喷鼻组>口服组>对照组,进一步证明了多种途径联合免疫的效果要优于单一途径免疫;但各组平均日增重水平整体较低,这可能与牛场的饲养管理条件有关。另外,体尺指标也可以反映犊牛的生长发育状况,与犊牛的生产性能、繁殖性能有着密切联系[27]。本研究首次探究了该疫苗对犊牛体尺的影响,结果发现,生长抑素和皮质抑素双表达DNA疫苗通过口服+喷鼻的免疫方式对水牛犊牛腿臀围和胸围的影响最显著。
畜禽的生长发育受多种内源性激素共同调节,主要包括GH、IGF-1、T3、T4等。GH能促进机体组织的生长,下丘脑分泌的GH可直接作用于动物靶器官,分泌IGF-1;IGF-1可以促进机体细胞增殖,调节蛋白质合成,促进动物组织器官发育和骨骼生长[28]。甲状腺激素(包括T3和T4)是影响动物生长发育和新陈代谢的主要激素,对幼龄动物正常生长和骨骼发育的影响尤为突出,且T3和T4是GH发挥促生长作用的基础[29]。大量研究表明,生长抑素DNA疫苗可以提高机体内GH、IGF-1、T3、T4的浓度,从而促进动物的生长[30-32]。在本试验中,不同免疫时期犊牛体内GH、IGF-1、T3、T4的水平:口服+喷鼻组>喷鼻组>口服组>对照组,与增重趋势一致,进一步说明了生长抑素和皮质抑素DNA疫苗可以通过提高机体内与生长相关的激素的水平,从而达到促生长效果,表明该疫苗通过口服+喷鼻联合免疫的方式产生的促生长效果更佳。
DNA疫苗的作用机理就是其通过不同的途径进入机体内,在动物体内产生微量的抗原蛋白,从而引发全面的体液免疫和细胞免疫应答反应[33]。Th1细胞主要参与细胞免疫应答,而Th2细胞在体液免疫应答中起核心作用,因此,Th1细胞因子(IFN-γ、IL-2等)和Th2细胞因子(IL-4、IL-10等)的检测可以在一定程度上反映细胞和体液免疫反应[34]。与韩丽[35]的研究结果一致,本研究结果表明,不同免疫方式组犊牛血清中IFN-γ和IL-4的含量均高于对照组,说明3种免疫方式接种此DNA疫苗都能有效地激发机体产生体液免疫和细胞免疫应答。其中,口服+喷鼻组INF-γ的含量显著提高,说明口服+喷鼻这种免疫方式接种此双表达DNA疫苗,可以显著提高机体的细胞免疫反应;因此,双表达DNA疫苗的口服+喷鼻的免疫效果要优于口服或喷鼻免疫效果。关于生长抑素DNA疫苗对动物血清生化指标的影响,研究结果也不尽相同[10, 31, 36]。本研究发现无论以哪种方式免疫接种双表达DNA疫苗,对犊牛血清总蛋白、葡萄糖、游离脂肪酸以及尿素氮的含量均无明显影响。可能是由于受试动物、免疫途径、免疫剂量不同以及饲养管理等多种因素造成的,而且免疫并非直接影响代谢,是通过影响GH、IGF-1等内分泌激素的分泌,从而影响机体的代谢,具体机制有待于进一步研究证实。
4 结论3种不同免疫方式均可以使奶水牛犊牛产生较好的免疫效果,但是口服+喷鼻免疫产生的抗体水平持续时间更长,阳性率更高,且增重效果更好。结果表明,在给犊牛接种促生长DNA疫苗时,口服+喷鼻联合免疫效果要优于喷鼻免疫,喷鼻免疫优于口服免疫。
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(编辑 白永平)