畜牧兽医学报  2024, Vol. 55 Issue (5): 2186-2194. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2024.05.036    PDF    
伪狂犬病病毒感染小鼠基质金属蛋白酶-9介导紧密连接蛋白损伤血脑屏障的研究
张颖1, 宋春莲1,2, 张莹1, 沈鸿1, 舒相华1, 杨洪贵3     
1. 云南农业大学动物医学院, 昆明 650201;
2. 昆明伟牧得生物科技有限公司, 昆明 650051;
3. 云南省红河哈尼族彝族自治州泸西县畜牧技术推广站, 泸西 652499
摘要:旨在探究伪狂犬病病毒(pseudorabies virus,PRV)对小鼠血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)通透性的影响及基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)与紧密连接(tight junction,TJ)的相关性。将昆明SPF小鼠96只,随机平均分为对照组和3个试验组,24只对照组小鼠滴鼻生理盐水,72只试验组小鼠滴鼻感染PRV,将试验组分为感染24 h组、感染48 h组和感染72 h组,每组24只。观察临床症状并采用H&E染色观察病理损伤情况;通过改良型神经学评分和脑组织病毒载量测定评价PRV感染后神经损伤情况与病毒载量的关系;通过干湿重法和伊文斯蓝染色法探究血脑屏障的通透性;通过mRNA和蛋白表达差异水平探究MMP-9和TJ的相关性。结果显示,攻毒后脑组织病变程度随时间延长而加剧,在攻毒48 h后,脑组织病毒载量出现显著性差异;神经功能损伤评分在第72小时达到最高;干/湿重值及脑组织伊文斯蓝浓度呈时间依赖性;MMP-9与TJ的相关性结果表明,PRV攻毒后MMP-9表达量增加,TJ表达量减少。结果表明,PRV感染通过MMP-9介导的TJ蛋白表达量的降低损害BBB的完整性及通透性。综上所述,PRV感染可能通过MMP-9介导的破坏来损害BBB,为进一步阐明PRV入侵机制奠定基础。
关键词MMP-9    伪狂犬病病毒    血脑屏障    TJ蛋白    
Study on the Damage of Blood-brain Barrier by Tight Junction Protein Mediated by MMP-9 in Pseudorabies Virus-infected Mice
ZHANG Ying1, SONG Chunlian1,2, ZHANG Ying1, SHEN Hong1, SHU Xianghua1, YANG Honggui3     
1. College of Veterinary Medicine, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;
2. Kunming Weimude Biotechnology Co. Ltd, Kunming 650051, China;
3. Animal Husbandry Technology Promotion Station of Luxi County, Honghe Hani and Yi Autonomous Prefecture, Luxi 652499, China
Abstract: The experiment aims to investigate the effect of pseudorabies virus (PRV) on the permeability of blood-brain barrier in mice and the correlation between matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) and tight junction (TJ). Ninety-six Kunming SPF mice were randomly divided into control group and experimental group. Twenty-four mice of control group received nasal saline and seventy-two mice of experimental group received nasal PRV infection. The experimental groups were divided into 24 h infection group, 48 h infection group and 72 h infection group, each group consisted of 24. The clinical symptoms and the pathological lesions were observed by H&E staining. The relationship between nerve damage and viral load after PRV infection was evaluated by modified neurological score and viral load measurement in brain tissue. The permeability of blood-brain barrier was investigated by wet-dry weight method and Evans blue staining method. The correlation between MMP-9 and TJ was explored through mRNA and protein expression differences. The results showed that the degree of brain lesions increased with the extension of time, and the nerve function injury score reached the highest at the 72nd hour. There were significant differences in viral load in brain tissue 48 hours after challenge. W/D, and Evans blue concentration in brain tissue were time-dependent. The correlation between MMP-9 and TJ showed a positive correlation between MMP-9 and TJ expression. After PRV infection, the expression of MMP-9 increased, and the expression of TJ decreased. The results showed that PRV infection impairs BBB integrity and permeability through an MMP-9-mediated decrease of TJ protein expression. In summary, PRV infection may damage BBB through MMP-9-mediated destruction, which lays a foundation for further elucidation of the PRV invasion mechanism.
Key words: MMP-9    pseudorabies virus    blood-brain barrier    TJ protein    

伪狂犬病病毒(pseudorabies virus, PRV)感染能够引起脑膜脊髓炎和神经节炎,是一种急性病毒性传染病[1]。PRV临床上引起中枢神经系统感染疾病,导致脑组织出血坏死性损害,神经功能障碍较严重。作为能够引起“嗜神经性”的一个重要疾病,该病的发生可能与血脑屏障的损伤有着密切联系。

血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)是建立和维持中枢神经系统的微环境稳定性的重要屏障,其通过紧密连接(tight junction, TJ)及转运蛋白阻止嗜神经性病原体及其他物质入侵[2-3]。ZO-1(zonula occludens-1)蛋白与维持细胞骨架的紧密连接相关[4-5]。Occludin在TJ的组装和细胞旁屏障中起重要作用[6]。Collagen Ⅳ是血脑屏障基底膜的重要组成部分,同时也是衡量TJ功能变化的重要指标之一[3]

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)在脑损伤的疾病中受到了广泛关注。很多研究表明, MMP-9参与神经免疫性和中枢系统疾病血脑屏障的损害[7-8]。但是对于PRV侵入中枢神经系统是否引起MMP-9表达增高,进而破坏血脑屏障通透性的研究未见报道。小鼠是PRV感染相关研究的常用动物[9]。因此,本研究探讨PRV感染小鼠后MMP-9与TJ的相关性,以期通过抑制MMP-9的表达为治疗PRV提供新的治疗策略。

1 材料与方法 1.1 试验材料

1.1.1 动物及病毒来源   4周龄,体重为22~30 g的昆明SPF小鼠96只。购自昆明医科大学,实验动物生产许可证号:SCXK(滇)K20200004。PRV病毒液,由云南省高校畜禽重要疾病防控重点实验室保存提供[10]

1.1.2 主要试剂   伊文斯蓝染料购自北京索莱宝科技有限公司;TRIzol总RNA提取试剂盒购自中国TaKaRa公司;蛋白质定量试剂盒购自美国Abbkine公司;β-actin (D6A8)Rabbit mAb购自美国Cell Signaling公司;MMP-9、ZO-1、Collagen Ⅳ、Occludin抗体购自江苏亲科生物研究中心有限公司。

1.1.3 主要仪器   全波长酶标仪购自美国Thermo Scientific公司;荧光定量PCR仪、蛋白电泳仪购自美国Bio-Rad公司;全自动化学发光图像分析系统购自上海天能生命科学有限公司。

1.2 方法

1.2.1 分组及采样   将96只昆明SPF小鼠随机分为对照组和试验组。24只对照组:生理盐水滴鼻60 μL·只-1;72只试验组:PRV滴鼻感染60 μL·只-1,将试验组分为感染24 h组、感染48 h组和感染72 h组,每组24只。

1.2.2 HE染色   收集PRV感染小鼠脑组织,在10%多聚甲醛中保存。每个组织被切成5 mm×5 mm×3 mm大小的切片,并按照标准程序进行处理。取厚度为5 μm的福尔马林固定石蜡包埋组织切片,苏木精和伊红染色并观察。

1.2.3 mNSS评分   采用改良的NSS(modified neurological severity scores, mNSS)评分法对小鼠神经功能损伤程度进行评分,评分方法见表 1

表 1 改良NSS评分法 Table 1 Improved NSS scoring method

1.2.4 干湿法测定小鼠脑组织含水量   使用2%戊巴比妥钠50 mg·kg-1(2.5 μL·g-1)深度麻醉后断头,剥取完整脑组织,置于干净滤纸,去除表面渗液及血液。万分之一天平称湿重(WW)后置于95 ℃烤箱中,连续烘烤24 h后称干重(DW)。按下述公式计算脑组织湿重/干重(wet/dry weight ratio, W/D)值。

$W / D=(W W-D W) / W W \times 100 \%$

1.2.5 伊文斯蓝染色法检测BBB通透性   将0.5% 伊文斯蓝(Evans blue,EB)染液(4 mL·kg-1) 经尾静脉注射,待小鼠眼球结膜、四肢呈蓝色后开始计时。2 h后,深度麻醉,断头取脑组织。将脑组织置于1.5 mL 50%三氯乙酸中充分匀浆,1 500 r·min-1离心10 min,取上清与无水乙醇1 ∶3混合,在波长630 nm处测定OD值,制作标准曲线,计算每克脑组织中EB含量,结果以“μg·g-1”计[11]

1.2.6 qPCR测定小鼠脑组织PRV病毒载量和MMP-9、ZO-1、Collagen Ⅳ、Occludin mRNA水平   每组分别取8只小鼠,沿中线把脑组织分为左右半脑。用TRIzol试剂从各组小鼠脑组织中分离总核酸。一部分利用First Strand cDNA Synthesis Kit进行反转录获得cDNA。DNA与cDNA定量逆转录PCR(qRT-PCR),采用TaKaRa biotech Co., Ltd. One-Step SYBR PrimeScriptTM RT-PCR Kit Ⅱ进行。以管家基因β-actin作为内参,采用2-ΔΔCt法统计计算,测定gBMMP-9、ZO-1、occludincollagen Ⅳ mRNA水平。每个试验重复3次。使用NCBI网站设计引物,引物序列如表 2

表 2 qRT-PCR引物序列 Table 2 Primers sequence of qRT-PCR

1.2.7 脑组织MMP-9、ZO-1、Collagen Ⅳ、Occludin蛋白相对表达量检测   采用Western blot(WB)法检测脑组织MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ蛋白相对表达量。每组分别取小鼠8只,采用断头法剥取脑组织。用RIPA裂解缓冲液裂解细胞并加入蛋白酶抑制剂。采用BCA法进行蛋白定量。遵循标准蛋白质免疫印迹方案,按1 ∶2 000分别稀释兔源MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ一抗,1 ∶6 000稀释山羊抗兔二抗。以目的蛋白条带灰度值/β-actin条带灰度值比值计算目的蛋白表达水平。

1.2.8 数据分析统计   GraphPad Prism 5及SPSS 20.0用于数据分析及可视化。采用单因素方差分析,数据均以“平均值±标准差(x±s)”表示,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 临床症状表现及病理变化

2.1.1 临床症状表现   PRV攻毒小鼠临床症状表现如图 1所示。第24小时组小鼠出现畏冷现象,第72小时组神经症状最明显,出现被毛混乱,弓背,表现出呼吸急促,战栗,嗜睡现象,眼鼻部出血,精神极度沉郁。第48小时组开始出现小鼠死亡现象,且所有小鼠均在80 h内死亡。

①尼氏小体;②小胶质细胞;③嗜酸性包涵体;④淋巴细胞;⑤神经细胞溶解;⑥神经元溶解形成空洞;⑦血管套 ① Nissl bodies; ② Microglia; ③ Eosinophilic inclusion bodies; ④ Lymphocyte; ⑤ Nerve cell lysis; ⑥ Neurons dissolve and form cavities; ⑦ Vascular sheath 图 1 PRV攻毒后小鼠临床症状表现及病理变化(HE染色,400×) Fig. 1 Clinical symptoms and pathological changes of mice after PRV challenge (HE staining, 400×)

2.1.2 病理剖检变化   PRV攻毒小鼠病理剖检变化如图 1所示。第48小时小鼠脑组织出现脑膜充血、水肿的现象,第72小时充血、水肿的现象最明显,且脑膜出现明显的血丝。

2.1.3 病理镜检变化   PRV攻毒小鼠病理剖检变化如图 1所示。空白对照组脑组织镜检显示有较多的尼氏小体及小胶质细胞。第24小时可见尼氏小体数量减少,并出现少量的嗜酸性包涵体和淋巴细胞。第48小时可见神经细胞溶解,神经元溶解形成空洞。第72小时镜下未见正常尼氏小体,可见嗜酸性包涵体和大量神经元溶解后形成的空洞,并伴有“血管套”现象。

2.2 神经功能损伤情况及脑组织中病毒载量的测定

2.2.1 神经功能损伤情况   第24、48、72小时各组小鼠神经功能损伤情况如图 2A所示,PRV攻毒后对小鼠神经功能的损伤随攻毒时间的延长而加剧,与对照组相比,第24小时差异不显著(P≥0.05);第48和72小时差异极显著(P<0.01)。

A. PRV攻毒后小鼠神经功能损伤情况;B. PRV攻毒后小鼠脑组织病毒载量测定。Con组与其他组对比差异性均用*表示,其他组内对比则用#表示;*(#).P<0.05,**(##).P<0.01,ns.P>0.05,下图同 A. Neurological damage in mice after PRV infection; B. Viral load measurement in brain tissue of mice after PRV infection. The comparison difference between Con group and other groups was represented by*, and the comparison within other groups was represented by #. * or #. P<0.05, ** or ##. P<0.01, ns. P>0.05, the same as below 图 2 PRV攻毒后小鼠神经功能评分及脑组织病毒载量 Fig. 2 Neural function scores and viral load in brain tissue of mice infected with PRV

2.2.2 脑组织病毒载量测定   脑组织病毒载量测定如图 2 B所示。PRV攻毒后对小鼠脑组织病毒载量随攻毒时间的延长而增加,与对照组相比,第24小时差异不显著(P≥0.05);第48及72小时差异极显著(P<0.01)。

2.3 BBB通透性的影响

2.3.1 脑组织含水量测定   PRV攻毒第24、48、72小时各组小鼠W/D值如图 3 A所示。PRV攻毒后小鼠脑组织W/D值升高,且随攻毒时间增加,W/D值越高。与对照组相比,第24小时W/D值差异显著(P<0.05);第48和72小时W/D值差异极显著(P<0.01)。

A. PRV攻毒后小鼠脑组织W/D值;B. PRV攻毒后小鼠脑组织伊文斯蓝浓度 A. W/D value of mouse brain tissue after PRV challenge; B. Evans blue concentration of mouse brain tissue after PRV challenge 图 3 PRV攻毒后小鼠脑组织W/D值及脑组织伊文斯蓝浓度 Fig. 3 W/D value and Evans blue concentration of brain tissue of mice after PRV challenge

2.3.2 伊文斯蓝浓度   PRV攻毒第24、48、72小时脑组织伊文斯蓝浓度如图 3 B所示。结果显示,PRV攻毒后小鼠脑组织伊文斯蓝浓度呈时间依赖性。与对照组相比,攻毒第24小时伊文斯蓝含量差异不显著(P≥0.05);攻毒第48和72小时伊文斯蓝含量差异极显著(P<0.01)。

2.4 PRV感染小鼠脑组织中MMP-9与TJ的相关性

2.4.1 MMP-9与TJ mRNA的相关性   PRV攻毒第24、48、72小时MMP-9、ZO-1、OccludinCollagen Ⅳ mRNA的相关性如图 4 B所示。结果显示,PRV攻毒后,MMP-9 mRNA表达量呈现先上升再趋于平稳的趋势,且在第72小时表达量最高,与对照组相比,MMP-9蛋白相对转录量在第48和72小时极显著升高(P<0.01);ZO-1、OccludinCollagen Ⅳ mRNA表达量呈现先上升再下降的趋势,且在第24小时转录量最高,第72小时转录量最低。第72小时组与对照组相比,差异显著(P<0.05)。第72小时MMP-9与TJ mRNA表达呈负相关。

A. MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ蛋白条带;B. MMP-9、ZO-1、OccludinCollagen Ⅳ mRNA表达量;C. MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ蛋白表达量 A. Protein bands of MMP-9, ZO-1, collagen Ⅳ and occluding; B. mRNA expression levels of MMP-9, ZO-1, Collagen Ⅳ Occludin; C. Protein expression levels of MMP-9, ZO-1, Collagen Ⅳ and Occludin 图 4 PRV攻毒后MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ的相关性 Fig. 4 Correlation of MMP-9, ZO-1, Collagen Ⅳ and Occludin after PRV challenge

2.4.2 MMP-9与TJ蛋白表达的相关性   PRV攻毒第24、48、72小时MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ蛋白表达量如图 4 AC所示。结果显示,PRV攻毒后,MMP-9表达量呈现上升的趋势,且在第72小时表达量最高。第72小时与对照组相比,MMP-9蛋白相对表达量在各时间点极显著升高(P<0.01);ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ蛋白表达量呈现先上升再下降的趋势,且在第24小时表达量最高,第72小时表达量最低。第72小时组与对照组相比,差异显著或极显著(P<0.05或P<0.01)。第72小时MMP-9与TJ mRNA表达呈负相关。

3 讨论

PRV作为一种具有高度传染性的嗜神经病毒,不仅可导致猪的呼吸道疾病、消化系统疾病和流产,而且PRV感染还会导致严重的急性神经性疾病[12]。且越来越多研究证明PRV可跨物种感染人,这使得PR成为公共卫生问题,需要引起极大重视[13]。但目前PRV对于MMP-9和TJ的关系尚不清楚。因此,本研究基于PRV小鼠体内试验,记录攻毒后小鼠的临床症状及病理损伤情况,并对神经症状进行评分,测定脑组织病毒载量,通过伊文斯蓝和脑组织含水量测定探究PRV对BBB通透性的影响,再通过qPCR和Western blot探究PRV攻毒后MMP-9与TJ表达量之间的关系。

临床症状表现和H&E染色结果均显示,小鼠在PRV感染后出现了较明显的神经症状和非化脓性脑炎的现象。剖检结果显示,随着攻毒时间的延长,脑组织出现脑膜充血、水肿的现象。经过镜检发现,脑组织血管周围存在大量炎症细胞,这些细胞会形成“血管套”和较多的嗜酸性包涵体。

NSS评分是评估神经功能损伤情况的重要指标。有文献报道[14],大鼠脑出血模型建造成功后,通过观察其行为学的变化来判断试验鼠脑水肿的演变,两者基本成正相关关系。本研究结果发现,PRV攻毒后小鼠的神经功能损伤情况与攻毒时间呈时间依赖性。攻毒第48小时,其中一鼠的NSS评分高于同组内其他小鼠,作者猜测与小鼠个体免疫力差异有关。

脑组织病毒分离检测是目前病毒性脑炎的金标准[15]。PRV作为嗜神经性传染病,感染小鼠后出现脑出血、充血及水肿等脑炎症状。本试验测定攻毒后不同时间点脑组织病毒载量来判断PRV在小鼠体内的神经侵袭力。Zhang等[16]通过测定SARS-CoV-2感染后,K2-hACE18转基因小鼠脑组织病毒载量,判断SARS-CoV-2的神经侵袭力。

伊文斯蓝染色法是常用的脑组织BBB通透性和损伤评价方法[17]。测定脑组织水分含量是评估脑水肿严重程度的一项重要指标[18],其中,干湿重法是目前最常用的方法,它能够准确地反映出脑水肿的严重程度,从而更好地了解BBB的状态和损害程度[19]。本研究观察到PRV攻毒后小鼠BBB的通透性增加和脑组织水肿加重。

MMP-9是破坏血脑屏障的一种明胶酶,机体受到病原体感染后,导致机体产生病毒性脑膜炎等病理损伤,致使MMP-9在脑组织中表达水平增加。周瑜等[20]研究发现,在疱疹病毒感染后第3天,MMP-9表达量明显增高,到第7天时表达量更高,相应的,脑水肿加重。与本试验结果一致,表明MMP-9表达与病毒感染时间有关,间接说明与脑组织受损程度相关。

紧密连接蛋白是BBB的重要组成部分,BBB结构和功能的改变与紧密连接蛋白的表达息息相关[21]。病原体穿越BBB有两种途径,跨细胞和细胞旁途径,后者由内皮细胞之间的TJ调节[17]。最近的研究表明,MMP-9能够降解血脑屏障基质成分,导致紧密连接蛋白ZO-1和Occludin减少,进而增加血脑屏障通透性,使得脑血肿和周围水肿进一步加重[16]。同时,Collagen Ⅳ可被MMPs降解,MMP-9介导的Collagen Ⅳ降解通常被认为有助于病毒性脑病中BBB的分解[22]。本研究发现,PRV攻毒后,MMP-9蛋白表达量升高;攻毒后24 h内,紧密连接蛋白表达量升高,BBB紧密连接性更好。48~72 h BBB的紧密连接受到破坏。攻毒24 h内紧密连接蛋白表达升高,猜测与机体代偿性抵抗外界损伤有关,其相关机制有待进一步研究。

综上所述,本研究揭示了PRV感染小鼠后,MMP-9与紧密连接蛋白ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ的存在相关性。提示PRV进入机体引发神经症状可能与MMP-9蛋白的表达和BBB的破坏密切相关,为治疗PRV有潜在的参考意义,但其具体作用机制还需进一步研究。

4 结论

本研究探讨了PRV感染小鼠后MMP-9与TJ的相关性,首次揭示了PRV与血脑屏障之间的关系,研究得出PRV攻毒后能够引起小鼠的神经功能损伤,改变小鼠血脑屏障的通透性,且MMP-9与TJ表达呈负相关,由此推测PRV感染可能通过MMP-9介导的破坏来损害BBB,为进一步阐明PRV入侵机制奠定基础。

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(编辑   白永平)