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
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
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。
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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gB、MMP-9、ZO-1、occludin、collagen 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。
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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。
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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)。
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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)。
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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、Occludin、Collagen 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、Occludin、Collagen 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。
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A. MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen Ⅳ蛋白条带;B. MMP-9、ZO-1、Occludin、Collagen 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 A和C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)