轮状病毒(rotavirus,RV)属于呼肠孤病毒科,是引起5岁以下儿童急性腹泻的主要原因
[1]。RV主要经粪-口途径传播,可侵袭肠上皮细胞。病毒侵袭小肠黏膜细胞后,可刺激肠毒素分泌,导致严重急性胃肠炎,严重者可因脱水而死亡
[2]。由于SA11 毒株在补充胰蛋白酶的细胞培养系统中具有高效扩增的特点,被广泛应用于RV生长、毒力、发病机制、病毒体结构和基因组复制,以及病毒蛋白的结构和功能的研究
[3]。
白细胞介素10(interleukin-10,IL-10)是一种对维持肠道稳态至关重要的免疫调节细胞因子,可由巨噬细胞、树突细胞和 T 细胞等多种免疫细胞分泌。IL-10可抑制人辅助性T淋巴细胞1/辅助性T淋巴细胞17(T helper 1/T helper 17,Th1/Th17)、自然杀伤(natural killer,NK)细胞和巨噬细胞的效应功能,从而调节细胞免疫反应
[4]。近期研究
[5-6]显示:在2019年冠状病毒引发的细胞因子风暴中,IL-10水平升高尤为突出,甚至可作为预测病情加重程度和不良预后的独立指标,更加说明了IL-10与病毒感染之间存在巨大的关联。
过去,
IL-
10基因缺陷(IL-10
-/-)-B6小鼠一直被用作剖析炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)病因的理想模型。相关研究
[7-8]表明:IL-10
-/-小鼠的结肠炎与结肠源 CD4
+ Th1样T细胞和促炎细胞因子白细胞介素12 (interleukin-12,IL-12)、白细胞介素17(interleukin-17,IL-17)及干扰素(interferon,IFN)的过度分泌。遗传易感性、环境因素和宿主微生物群三者共同影响IBD的发生与发展,其中宿主微生物群的作用尤为关键
[9]。然而,在探讨宿主微生物群对IBD的影响时,现有研究多集中于细菌,针对病毒的研究相对匮乏。本研究探讨肠道RV毒株SA11对IL10
-/-小鼠肠道炎症的影响,以期为进一步揭示RV影响IBD和病毒持续性感染在肠道炎症中的作用提供参考。
1 材料与方法
1.1 实验动物、病毒、细胞、主要试剂和仪器
SPF级C57BL/6小鼠和IL-10-/-型C57BL/6小鼠各20只,雄性,6~8周龄,体质量(20.0±3.5)g,均购于辽宁长生生物技术股份有限公司,饲养于锦州医科大学实验动物中心。小鼠生产许可证编号:SCXK(辽)2020-0001。相关动物实验已通过锦州医科大学伦理委员会审查(批号:2021014)。RV毒株SA11和猴胚肾细胞MA104由锦州医科大学病原生物学实验室保存并提供。MEM培养基购自美国Gibco公司,TRIzol试剂购自北京索莱宝科技有限公司,实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative PCR, RT-qPCR) 试剂PrimeScriptTM RT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)和TB Green® Premix Ex Taq TM(Tli RNaesH Plus)均购自日本TaKaRa公司。小型高速离心机购自德国Eppendorf公司,PCR仪购自美国Bio-Rad公司,电子天平购自美国普利斯公司,珠式样品研磨器购自广州伯齐科技有限公司,超净工作台购自美国NUAIRE公司。
1.2 RV SA11 株扩增培养
从-80 ℃冰箱中取出SA11株,解冻后加入浓度为1 g·L-1猪胰酶,置于37 ℃培养箱内激活病毒1 h。常规培养MA104细胞,待细胞生长至90%融合度时,弃去原培养液,加入磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS)洗涤3次。加入稀释100倍的已激活病毒液,培养箱中温育1 h。弃去上清,PBS缓冲液洗涤,加入维持液(含0.25 g·L-1猪胰酶的MEM培养液),继续培养36~48 h。当约80%的细胞出现病变效应时,用封口膜密封培养皿,反复冻融3次,以使细胞破裂、释放病毒。收集病毒悬液,经离心后取上清,用0.22 μm的滤器过滤后,分装保存备用。
1.3 间接免疫荧光法检测猴胚肾MA104细胞中SA11病毒滴度
将MA104细胞接种于24孔细胞培养板,待细胞生长至约90%融合度时,弃去培养液。加入不同浓度SA11病毒(加入维持液稀释至浓度为1×10-1、1×10-2、1×10-3、1×10-4、1×10-5、1×10-6、1×10-7和1×10-8 FFU·mL-1),与细胞共孵育1 h,每个浓度设置3个复孔。弃去病毒液,PBS缓冲液洗涤3次,加入维持液培养16~18 h。培养结束,吸弃维持液,PBS缓冲液润洗3次。采用4%多聚甲醛固定后,加入0.1% Triton X-100做细胞通透剂。加入1%牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)封闭后,加入鼠源RV单克隆抗体(1∶250稀释)和异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)标记的山羊抗鼠二抗(1∶500稀释)孵育。于倒置荧光显微镜下观察并记录各孔视野中的绿色荧光的独立病灶(即荧光灶,代表一个初始的感染细胞及其局部传播区域) 个数, 计算病毒滴度。病毒滴度 (FFU·mL-1)=(最高稀释倍数孔荧光灶个数平均值+相邻较低稀释倍数孔荧光灶个数平均值)/(2×相邻较低稀释倍数×每孔病毒稀释液体积)。
1.4 RV感染小鼠模型IL10-/--B6的建立和组织样本采集
将20只野生型(wild type,WT)C57BL/6小鼠(WT-B6)作为对照组,20只IL10-/--B6小鼠作为实验组,于每日17时对小鼠进行灌胃,每只小鼠灌胃1 mL滴度为1×106 FFU·mL-1的SA11病毒悬液,持续42 d。每日9时观察并记录小鼠的体质量、腹泻状况及精神状况,待小鼠排便时,用无菌离心管收集粪便样本,置于-80 ℃冻存。每隔7 d,随机选取实验组和对照组小鼠各3只,实施安乐死,收集小鼠十二指肠、空肠、回肠及结直肠组织,分别保存于-80 ℃和4%多聚甲醛中,用于后续实验。
1.5 小鼠粪便中RNA的提取
每7 d收集2组小鼠粪便样本,称质量,加入PBS缓冲液重悬至0.1 g·mL-1后,离心取上清。加入TRIzol试剂,充分涡旋并静置后,加入氯仿,涡旋静置。离心取上层无色水相,并加入等体积异丙醇,涡旋并静置后再次离心。弃上清,加入预冷的75%乙醇,离心弃上清,置于通风处自然风干后加入适量无酶ddH2O溶解,测定浓度与纯度后于-80 ℃保存。
1.6 SA11病毒衣壳蛋白VP6标准质粒的构建
扩增SA11病毒衣壳蛋白的特异性基因VP6,将扩增后的产物片段纯化回收导入DH5α标准质粒,测定其浓度。倍比稀释为10-1、10-2、10-3、10-4和10-5后进行RT-qPCR反应。反应体系:TB Green® Premix Ex TaqTM Ⅱ(Tli RNaseH Plus)10 μL,10 μmol·L-1VP6-F引物0.4 μL,10 μmol·L-1VP6-R引物0.4 μL,不同稀释倍数的VP6质粒模板2 μL,无酶水7.2 μL。扩增程序:95 ℃预变性30 s;95 ℃变性5 s,60 ℃退火/延伸30 s,40个循环。根据公式计算质粒的基因拷贝数,并以Ct值为横坐标,Lg拷贝数为纵坐标绘制回归方程。回归方程为y=-0.317x+16.717(R2=0.998 2)。
1.7 RT-qPCR法检测小鼠粪便中病毒VP6基因拷贝数
按照SYBR-Green-PCR 试剂盒说明书反应体系加入试剂,预变性95 ℃、30 s,进入扩增循环后,95 ℃、3 s,60 ℃、30 s,共扩增40个循环,采用绝对定量法将RT-qPCR测定的Ct值代入“1.6”步骤中的回归方程得到Lg拷贝数,最后反对数即可获得小鼠粪便中病毒的VP6拷贝数。
1.8 RT-qPCR法检测2组小鼠结直肠组织中IL-1β、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)和转化生长因子β(transforming growth factor-beta, TGF-β) mRNA表达水平
取2组小鼠的结直肠组织,放入研钵中,加入适量液氮,迅速研磨成粉末状。称量0.1 g后加入1 mL TRIzol试剂充分混匀,后续操作同1.5。采用2-△△Ct法计算小鼠结直肠组织中的IL-1β、TNF-α和TGF-β mRNA表达水平,以GAPDH作为内参基因。
1.9 HE染色观察2组小鼠十二指肠和空肠组织病理形态表现
取经4%多聚甲醛固定的小鼠十二指肠和空肠组织样本,依次经乙醇梯度脱水(70%~100%)、二甲苯透明和石蜡浸透(2次,各30 min),包埋后制成切片。经HE染色、封片后,于光学显微镜下观察2组小鼠各组织病理形态表现。
1.10 统计学分析
采用SPSS 25.0软件进行统计学分析,GraphPad Prism 9软件进行绘图。2组小鼠体质量、粪便中VP6基因的拷贝数和小鼠结直肠组织中IL-1β、TNF-α和TGF-β mRNA表达水平,均符合正态分布,以x±s表示,2组间样本均数比较采用两独立样本t检验,同一指标感染前后比较采用配对t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 猴胚肾MA104细胞中SA11病毒滴度
采用间接免疫荧光法检测SA11病毒滴度,荧光显微镜下观察到MA104细胞的胞质里出现了明亮的绿色荧光。 随着病毒稀释度的增加, 出现荧光的细胞数目逐渐减少。经计算,SA11 病毒的滴度为1×10
6 FFU·mL
-1。见
图1。
2.2 2组小鼠体质量和腹泻情况
RV感染后,每7 d测量2组小鼠体质量,观察变化趋势,结果显示:IL-10
-/--B6组和WT-B6组小鼠体质量均呈现下降趋势,且IL-10
-/--B6组小鼠下降更加明显;第0、7、21、28和35天时,2组小鼠体质量比较差异有统计学意义(
P<0.05)。见
图2。每日对小鼠临床症状的观察显示:IL-10
-/--B6组和WT-B6组小鼠精神状况良好,均未出现明显的腹泻表现。
2.3 2组小鼠粪便中病毒基因拷贝数
采用RT-qPCR法检测小鼠粪便中RV的
VP6基因拷贝数,以感染小鼠的不同时间阶段为横坐标,Lg基因拷贝数为纵坐标作图。在RV持续感染的前21 d,IL-10
-/--B6小鼠和WT-B6小鼠粪便中
VP6基因拷贝数均逐渐升高,但2组比较差异无统计学意义(
P>0.05);持续感染28 d后,与WT-B6组比较,IL-10
-/--B6组小鼠粪便中
VP6基因拷贝数明显升高(
P<0.001)。见
图3。
2.4 2组小鼠结直肠组织中IL-1β、TNF-α和TGF-β mRNA表达水平
与感染前比较,WT-B6组小鼠感染RV后结直肠组织中
IL-
1β和
TNF-
α mRNA表达水平均明显升高(
P<0.001),提示感染激活了组织炎症反应;IL-10
-/--B6组小鼠结直肠组织中在感染前即表现出较高的
IL-
1β和
TNF-
α mRNA表达水平;与感染前比较,感染后IL-10
-/--B6组小鼠结直肠组织中
IL-
1β和
TNF-
α mRNA表达水平明显降低(
P<0.001),提示其先前激活的炎症反应在感染后趋于抑制。2组小鼠感染前结直肠组织中
TGF-
β mRNA表达均处于低水平;与感染前比较,感染后2组小鼠结直肠组织中
TGF-
β mRNA表达水平均明显升高(
P<0.001),其中IL-10
-/--B6组升高幅度更明显。见
图4。
2.5 2组小鼠十二指肠和空肠组织病理形态表现
HE染色结果显示:2组小鼠主要病理形态表现为十二指肠和空肠均存在不同程度的炎性改变,十二指肠的改变主要集中在于炎症细胞的浸润,空肠的改变主要集中在上皮细胞数量和形态。RV感染前,WT-B6组小鼠十二指肠的肠腔内存在少量的炎症细胞,空肠上皮细胞完整,排列整齐;RV感染后,WT-B6组小鼠十二指肠的肠腔内炎症细胞增多,空肠上皮细胞数量明显减少,出现了大片坏死。相反,RV感染前,IL10
-/--B6组小鼠十二指肠的肠腔内存在较多的炎症细胞,空肠的上皮细胞数量明显较少,出现大片坏死;RV感染后,小鼠十二指肠的肠腔内炎症细胞减少,空肠上皮细胞出现不同程度的萎缩和减少,但并没有出现坏死。见图
5和
6。
3 讨 论
IL-10
-/-小鼠的自发性肠道炎症主要发生在近端结肠,表现为慢性结肠炎
[10],十二指肠和空肠等小肠部位偶有出现轻微炎症。本研究在建立持续性RV感染模型的基础上,检测了IL-10
-/-小鼠的肠道病毒载量,并选取3个关键细胞因子检测其在结肠中的表达水平,同时对十二指肠和空肠可能出现的炎症反应进行了评估。
结肠炎性因子中,
IL-
1β和
TNF-
α在IBD发展进程中的作用已被广泛证实。
IL-
1β可在几乎所有的组织器官中介导炎症反应,是机体最有效的促炎因子之一,在感染、损伤和免疫中发挥重要作用
[11-12]。研究
[13]显示:姜黄素在抑制葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium,DSS)诱导的结肠炎中,可通过抑制
IL-
1β分泌,有效抑制结肠炎。研究
[14]发现:
IL-
1β最有可能是肠道中NLR家族Pyrin域蛋 白 3(NLR family,Pyrin domain containing protein 3,NLRP3)炎性小体作用的直接效应分子,直接参与驱动肠道炎症反应。TNF-α同样是关键的促炎介质。研究
[15]显示:在
TNF-
α基因3'非翻译区敲除富含腺苷尿嘧啶元件(AU-rich element,ARE)后,可导致高表达
TNF-
α的小鼠出现“克罗恩样”表型;注射抗
TNF-
α单克隆抗体后,IBD患者症状可得到明显缓解。细胞因子TGF-β则作为一种抗炎因子,在生长发育、炎症修复和宿主免疫等方面发挥重要作用
[16]。
本研究结果显示:在持续RV感染期间,IL-10
-/-小鼠呈现复杂的免疫失调状态,粪便中
VP6基因拷贝数明显升高,表明病毒清除能力受损。
VP6拷贝数升高与IL-10通过调节T细胞和抗体产生从而限制病毒复制的作用一致,表明
IL-
10缺失可能会损害适应性免疫应答,从而导致RV持续感染。尽管传统上认为
IL-
10缺失会加剧炎症,但本研究观察到感染RV的小鼠结直肠组织中促炎反应受到抑制,
IL-
1β和
TNF-
α mRNA表达水平降低,但免疫调节增强,
TGF-
β mRNA表达水平升高。
IL-
1β和
TNF-
α的下调可能提示RV驱动的免疫逃逸机制,即病毒可能积极抑制促炎途径以建立持久性感染。同时,
TGF-
β的上调则可能反映了一种代偿性抗炎反应,该反应可能是由调节性T细胞或基质细胞介导。持续的病毒暴露会引发TGF-β主导的免疫抑制微环境,其抑制炎症的同时也促进了病毒存活,该现象长期作用可能加剧黏膜损伤。研究
[17-19]表明:在人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)、乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)和丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)慢性感染的患者中,IL-10水平普遍升高。另有研究
[20-21]发现:在慢性病毒持续感染中,IL-10可通过改变树突状细胞的成熟方式进而促进T细胞衰竭。然而,
IL-
10能否直接促进T细胞衰竭尚需更多研究证实。
综上所述,IL-10-/--B6模型小鼠在RV感染后肠道炎症反应受到抑制,其机制可能与多数慢性病毒持续感染类似。与此同时,模型小鼠炎症受到抑制但并未完全消除,表明IL-10基因缺失只是导致RV持续感染的诱导因素之一,其他潜在因素还有待进一步探讨。小鼠肠道炎症被抑制的具体机制尚需深入研究,以期为进一步阐明RV如何影响炎症性肠病发生发展提供实验基础。
辽宁省科技厅自然科学基金2023年度联合基金项目(2023-MSLH-046)
复旦大学医学分子病毒学教育部/卫健委重点实验室2024年度开放课题项目(FDMV-2024002)