.374. 微生物与感 Journal ofMicrobes and ! ! ! 鱼 ! ! : ! j :! : : ・综述・ 乙型肝炎病毒感染动物模型的研究进展 任蓉蓉 ,任晓楠 ,李顺 ,刘丹慧 ,周晓辉 1.复旦大学附属公共卫生临床中心,上海201508;2.温州医科大学,温州325035 摘要:乙型肝炎病毒(HBV)感染是威胁全球特别是我国人民健康的重大问题。动物模型是研究HBV生物 学特性、感染机制、与宿主相互关系及筛选治疗性药物和疫苗的重要工具。近年来,各种动物模型的发展促 进了HBV相关研究,但现有模型均存在一定弊端。经济、适用且与人类感染极度相似的动物模型的缺乏严 重制约着人们对HBV的深入研究。本文就已有的HBV感染动物模型进行综述,以期为更好模型的建立提 供帮助。 关键词:乙型肝炎病毒;动物模型;肝脏 A review on the animal models for hepatitis B virus infection REN Rong-Rong ,REN Xiao-Nan ,LI Shun ,LIU Dan-Hui。,ZHOU Xiao-Hui 1.Public Health Clinical Center Affiliated to Fudan University,Shanghai 201508,China;2.Wenzhou Medical University,Wenzhou 325035,Chia nAbstract:Hepatitis B virus(HBV)infection is a major health problem in the world。especially in China. Animal model is an important tool for studying HBV biological characteristics,pathogenesis of infection。 virus—host interplay,and screening for novel therapeutic targets and compounds.In recent years,the development of various animal models accelerates HBV.related researches.However.all the existing models have their own disadvantages.Lack of economical and applicable animal models that could imitate the natural course of human infection has seriously restricted the further study of HBV.This paper summarizes the current HBV animal models. Key words:Hepatitis B virus;Animal model;Liver 20世纪80年代,安全、有效的乙型肝炎病毒 (hepatitis B virus,HBV)疫苗的出现在一定程度上 减缓了HBV的传播,但乙型肝炎仍是威胁人类健 康的全球性问题。据世界卫生组织统计,全球有20 53%肝细胞癌来源于HBV感染(在非洲和中国比 例更高)_2]。HBV是人类已知的最小DNA病毒, 基因组长约3.2 kb,为部分双链DNA。此外,它属 于肝脱氧核糖核酸科,有严格的嗜肝性和种属特异 性,一般侵犯肝脏组织,引起急性和慢性肝炎,且自 然状态下只能感染人和少数灵长类动物[3]。这样的 亿例HBV感染者,其中3.5亿例为慢性携带者,每 年新发400万例急性HBV感染l1],有接近60万例 死于乙型肝炎并发症。携带HBV表面抗原(HBV surface antigen,HBsAg)的慢性乙型肝炎患者在某 些国家占比达20%,甚至更高。全球30%肝硬化和 特性使得应用动物模型研究HBV受到。因 此,获得一种合适的HBV感染动物模型至关重要。 基金项目:上海市科技发展基金实验动物研究项目(12140900300),上海市卫生和计划生育委员会科研课题(20144Y0073),上海市公共卫生临 床中心科研课题面E项目(2014M08) 通信作者:周晓辉 Corresponding author.ZHOU Xiao-Hui,E—mail:zhouxiaohui@shaphc.org 任蓉蓉,等:乙型肝炎病毒感染动物模型的研究进展 1非小鼠类HBV感染动物模型 黑猩猩是与人类亲缘关系最接近的灵长类动 物,实验条件下可被HBV感染,且感染病毒亚型与 共价闭合环状DNA(covalently closed circular DNA,cccDNA)及mRNA合成,上清液中可检测到 分泌的HBsAg和HBeAg,故可作为体外研究HBV 细胞感染机制的模型|9]。但树鼠句个体差异较大,感 染效率低,感染HBV后病毒载量低且为一过性,对 树嗣进行研究的试剂及抗体不充足等制约着其在 HBV研究领域中的应用。 此外,HBV相关嗜肝病毒,如鸭乙型肝炎病毒 (duck hepatitis B virus,DHBV)、土拨鼠乙型肝炎 接种亚型一致,部分有血清酶浓度增高及肝组织活 检改变,表现出与人类急性乙型肝炎相似的免疫反 应 ],是研究HBV感染过程中宿主抗病毒反应以 及评价疫苗和药物疗效的最佳模型。在此模型中, 发现HBV感染的肝细胞损伤主要由免疫介导,且 特异性CD8 T细胞在病毒清除和病理损伤中起关 病毒(woodchuck hepatitis B virus,WHV)等可分 别感染鸭和土拨鼠。DHBV感染鸭后,基因组主要 键作用_5 ]。但是,黑猩猩感染HBV后症状较人类 轻,很少发展为急性重型肝炎,慢性率也较人类 低_7],加上黑猩猩等非人灵长类动物多属濒危物种, 以cccDNA形式存在,且在细胞内高度稳定[1 。 WHV感染的土拨鼠可发生慢性感染并易发生肝细 胞性肝癌ll1 。这些HBV或HBV相关病毒感染模 型对研究HBV感染过程及评价疫苗和药物的效果 由于伦理约束、成本昂贵、体型庞大等因素,其在研 究方面的应用受到很大。 由于树鼢与灵长类动物在种系发生上亲缘关系 较近,经济易得,受到了研究者关注。树朐感染 HBV后,与人急性自限性肝炎相似:血清中很快出 现抗HBsAg和抗HBV e抗原(HBV e antigen, 起了极大作用,但某些使其不能成为研究HBV 的常规动物模型(表1)。与上述模型相比,小鼠可 能是更为合适的模型并受到越来越多研究者的重视 与发掘,不同类型的小鼠模型广泛应用于HBV相 关研究。 HBeAg)抗体,HBsAg消失[8]。此外,用HBV体外 感染分离的树嗣原代肝细胞,发现细胞内有HBV 表1 HBV动物模型及其优缺点 Tab.1 Advantages and disadvantages of HBV animal models 2小鼠类ItBV感染动物模型 2.1转基因小鼠 并增殖)。然而,对于介导HBV进人肝细胞的受 体,最近有报道称钠离子/牛磺胆酸共转运蛋白 (sodium taurocholate cotransporting polypeptide, 理想的HBV转基因小鼠模型应是表达人 HBV受体的转基因小鼠,这样可更好地模拟HBV 感染人肝细胞的过程(自然吸附、进入肝细胞、复制 NTCP)是人HBV的功能性受体之一_1 ,但小鼠 NTCP中没有发现病毒人侵所需的分子决定基_1引, 且是否有共受体目前仍不清楚。因此,具有HBV 微生物与感染Journal ofMicrobes and Infections,Dece啦 er ! ! 鱼 : ! :曼璺Q 受体的转基因小鼠模型的建立仍需进一步深入研 究。尽管HBV不能自然感染小鼠,但通过不同技 术方法,人们还是建立了众多不同的转基因小鼠模 型并用于HBV研究。 转基因技术的主要路线:采用显微注射的方法, 将HBV部分、全长或超长基因组注射到小鼠受精 卵中,获得表达HBV单基因产物和供HBV复制的 转基因小鼠,同时在子代小鼠中也可检测到HBV 基因表达 ]。现阶段应用较多的是1.3倍HBV基 因组(HBV1.3)的转基因小鼠,通过在HBV全长末 端添加增强子和调节子,小鼠体内可同时检测到 HBsAg、HBV核心抗原(HBV core antigen,HBcAg) 及HBeAg[ ]。HBV可在肝细胞中复制并释放入 血,但不能继续感染新的肝细胞。有观点认为, HBV1.3转基因小鼠在血清学和免疫学方面与经垂 直传播形成的慢性HBV感染者相似,是研究HBV 垂直传播致乙型肝炎慢性化的较好模型[1 ,但也有 学者认为两者形成的耐受机制及疾病发展后果有所 不同。 虽然这种小鼠模型被广泛应用于研究HBV感 染发病机制和筛选抑制HBV复制的抗HBV药物, 但仍存在一些缺陷:①由于小鼠肝细胞表面缺乏 HBV受体,所以该模型不能用于病毒侵入与细胞 间播散的研究;②在转基因小鼠中,HBV转录的天 然模板——cccDNA不能被检测到;③由于在胚胎 发育期将HBV基因组转入,所以转基因小鼠对 HBV组分产生免疫耐受,不能形成肝炎。 在此模型中,乙型肝炎发病机制的研究主要依赖 过继免疫。在这种小鼠体内过继转移针对HBV抗 原特异的细胞毒性T细胞(cytotoxic T lymphocyte, CTL)后,可建立小鼠急性肝炎模型[17,18 ;将HBV 转基因小鼠与免疫缺陷小鼠[如严重联合免疫缺陷 (severe combined immunodeficiency,SCID) 小 鼠、重组激活基因1(recombination activating gene 1,Rag1)缺失(Rag1 一)l2o]小鼠]杂交,得到适应性 免疫缺陷但有HBV表达复制的小鼠,然后将同系 小鼠原始脾细胞过继到杂交鼠中,则可产生对HBV 的免疫应答并伴肝脏慢性炎症。基于这些模型,发 现对HBV的细胞免疫应答(尤其是CTL的应答) 程度决定了HBV的感染结果l_2 。除特异性杀伤 HBV阳性细胞外,HBV特异性CTL可介导炎症因 子( 干扰素、肿瘤坏死因子a)的分泌,通过非细胞 溶解途径抑制HBV DNA的表达和复制[2 矧。这 些模型可研究HBV感染过程中宿主免疫系统与病 毒的相互关系,加深对HBV免疫病理机制的认识。 但此模型操作过程较复杂,且与人感染HBV的自 然病程不相符,因此不能广泛应用于对HBV的 研究。 2.2 ttBV转染模型 为进一步模拟HBV感染过程中病毒与宿主免 疫系统的相互作用,研究者用不同方法将HBV基 因转入小鼠肝细胞中。 2.2.1 高压水动力法 高压水动力注射法 (hydrodynamic injection)是在较短的时间内(5~8 s)将大量(体重的8%~10%)含目的DNA的生理 盐水通过尾静脉注射入小鼠体内l2 ,是一种对小鼠 负荷较重但能使注射DNA特异性转移到肝的较好 方法。用此种方法注射HBV1.3质粒到免疫系统健 全的小鼠中,能引起HBV在肝脏复制,血中HBV DNA可达8×10。拷贝/ml。同时,病毒抗原和复制 中间物可引起急性自限性反应。Yang等在 B10.D2小鼠中观察到HBV抗原在高压水动力注 射7 d后消失,伴随抗体产生;注射15 d后HBV转 录和复制中间体被清除,伴随抗病毒性CD8 T细 胞反应发生;而在功能性T细胞、B细胞、自然杀伤 细胞(natural killer,NK细胞)缺失的非肥胖糖尿病 (non.obese diabetic,NOD)/SCID小鼠中,病毒复 制可持续超过80 d[2 。这种方法打破了种族屏障, 增加了HBV DNA的转染效率。 基于以上研究,陈培哲团队通过高压水动力法 注射以腺相关病毒(adeno.associated virus,AAV) 为载体的HBV1.2质粒到有正常免疫应答的 C57BL/6小鼠体内,成功建立了慢性转染模型l_2 。 然而,这种模型只有40%的注射小鼠能持续24周 表达HBV抗原。之后,他们又用8种不同品系小 鼠造模,发现在不同品系小鼠中HBV清除率不同, 表明宿主的基因组成在一定程度上影响HBV的感 染结果[2 。周晓辉课题组的实验结果也支持上述 结论:用高压水动力法注射pAAV.HBVI.2N粒到 C3H/HeN小鼠中,近90%小鼠HBV持续感染达 46周l2 ,表明C3H/HeN小鼠更适合用于HBV持 续感染的研究。因此,应根据不同实验目的选用不 同品系的小鼠。这种基于高压水动力的HBV转染 模型为体内研究HBV持续感染提供了可能。 另一种基于高压水动力法研究体内cccDNA 的模型由邓强团队构建:将lox.P嵌合到紧接质粒 骨架的HBV单倍基因组内含子中,通过Cre/loxP 系统剪接去除质粒骨架,在肝细胞核中形成含嵌合 任蓉蓉,等:乙型肝炎病毒感染动物模型的研究进展 体的重组cccDNA。在转录过程中,嵌合体随内含 子被剪切,从而获得cccDNA,达到不影响HBV生 活周期的目的。这种模型可在正常免疫系统小鼠中 研究cccDNA在HBV持续感染中所起的作用,供 基于cccDNA靶点药物的研究¨2 。 需注意的是,高压水动力转染模型由于短时间 内将大剂量基因组导入小鼠体内,会造成小鼠肝脏 或其他组织物理损伤,可能产生非特异性影响。 2.2.2腺病毒载体和AAV包含HBV 1.3的腺病 毒载体AdHBV可有效将HBV基因转染至肝细 胞_3 。静脉注射AdHBV后,HBV可在小鼠肝脏 成功复制,肝脏中丙氨酸转移酶(alanine aminotransferase,ALT)上升并产生HBV特异性 T细胞。在诱导B细胞应答、血清抗体转阳并产生 中和抗体后,感染结束_3 。这种由腺病毒介导的 HBV感染是急性自限性的,可用于研究免疫介导 的病毒清除机制。但由于免疫系统对腺病毒载体的 应答,这种模型不能建立HBV长期感染。为克服 这一障碍,有研究者尝试用低剂量腺病毒载体获得 持续性HBV感染模型_3 ,可用于研究慢性HBV 感染的发病机制和新的治疗药物。 与低剂量腺病毒载体相似,应用重组AAV载 体也可构建HBV慢性感染模型。在AAV2/8介导 的HBV转染小鼠模型中,血清HBsAg、HBeAg和 HBV DNA可持续至少1年I_3引。与临床HBV携带 者相似,这种AAV/HBV小鼠血清抗体阴性,用传 统HBV疫苗加佐剂铝免疫,不能诱导产生针对 HBV的免疫反应。用CpG(Toll样受体9的兴奋 剂)佐剂与HBsAg联合免疫,不仅能使机体清除病 毒血症,还可产生T细胞和B细胞免疫应答,HBV DNA复制和蛋白表达减少[3 。AAV/HBV小鼠 可用于研究HBV免疫耐受的形成机制及筛选评估 HBV免疫治疗的方法。 2.3人源化小鼠 在以上小鼠模型中,HBV并不是真正通过感 染进入小鼠肝细胞,因此这些模型不能反映HBV 的自然感染状态。 2.3.1人肝嵌合小鼠为更好地模拟HBV自然 感染,研究者尝试将人肝细胞移植至小鼠体内,建立 了“三嵌合体”小鼠模型。正常小鼠经射线全身照射 灭活免疫系统后,给予SCID小鼠骨髓重建造血功 能,形成可接受外来移植物的环境;然后,移植HBV 感染的人肝细胞至肾被膜下。在此“三嵌合体”模型 中,85%的小鼠在移植1个月后仍能检测到人肝组 织存在。小鼠发生HBV病毒血症,病毒滴度最高 为2.5×10 拷贝/ml血液,持续时间只有20 d左 右_3引。这种模型适用于免疫治疗的短期研究,并可 作为HBV感染蛋白疫苗的研究模型。然而,肾被 膜中存活的肝细胞数量很少且不能形成正常肝组织 结构;模型建立极其费时,不适合大规模实验;移植 的人肝细胞维持功能时间段短等不足严重影响了其 应用。 为使人肝细胞在小鼠体内的存活时间延长且具 有肝脏的正常功能,易被HBV感染,研究人员经过 大量努力建立了多种稳定表达人肝细胞的小鼠模 型。这些模型的构建思路:运用免疫缺陷小鼠,防止 发生移植排斥反应;在小鼠体内表达有肝脏毒性的 基因使小鼠肝脏损伤,从而为人肝细胞的植入提供 空间。目前常用的有以下几种模型。 尿激酶型纤溶酶原激活物(urokinase type plasminogen activator,uPA)/SCID小鼠模型:应 用转基因技术,将肝脏的白蛋白(albumin,Alb)启 动子与uPA基因相关联。这种Alb—uPA小鼠在肝 脏中大量表达uPA,可观察到肝细胞大量死亡。然 后,将Alb-uPA小鼠与SCID小鼠杂交,获得的 Alb.uPA/SCID小鼠可接受人肝细胞植入,且人肝 细胞嵌入达15%l_3 。这种嵌合小鼠带有人肝细胞, 因而可被HBV感染,便于研究HBV侵入及复制的 生理机制,但免疫缺陷和易出血的特点使其易于感 染及受伤死亡。 Fah 一Rag2 一I12rg_ 一小鼠模型:这种小鼠 缺失延胡索酰乙酰乙酸水解酶(fumarylacetoacetate hydrolase,Fah)、Rag2、白细胞介素2受体 链 (interleukin 2 receptor, chain,I12rg)基因。Fah 是酪氨酸代谢途径的关键酶,其缺失会导致毒性酪 氨酸积累,小鼠发生肝损。而移植的人肝细胞由于 人Fah的存在得以保留下来并表现出一定的生长 优势。在这种人肝嵌合小鼠(FahI。一Rag2-。一 I12rg一/一)中可建立HBV的有效感染Ⅲ3 ,HBV持 续扩增达6个月_3 。 反式四环素转录活化因子(reverse tetracycline transcriptional activator,rtTA)/sCID小鼠模型: 为克服以上2种小鼠模型出生死亡率高、手术窗口 期短且手术难度高的问题,研究人员构建了rtTA/ SCID小鼠。rtTA小鼠的rtTA受小鼠Alb启动子 ,将rtTA小鼠与SCID小鼠杂交,得到rtTA/ SCID小鼠。在构建的重组腺病毒载体Ad.TRE。 uPA中,uPA位于四环素效应元件(tetracycline 微生物与感染Journal of Microbes and Infections,December 25,2015,10(6):374.380 responsive element,TRE)下游。用Ad.TRE—uPA 处理rtTA/SCID小鼠,这样在多西环素(四环素衍 生物)的存在下,rtTA与TRE结合而促使下游基因 uPA开放转录,uPA在肝细胞中表达并引起广泛肝 脏损伤,诱导肝细胞的损伤程度可受Ad.TRE.uPA 剂量口 。这种模型灵活性强,诱导肝脏损伤的 处理方法简单,可人为选择肝脏损伤程度和时间点。 TK—NoG小鼠模型:是一种可使移植的人肝脏 组织及功能长期保持稳定而不需使用外源性药物的 人肝嵌合小鼠模型。TK.NoG小鼠利用由肝脏 Alb启动子控制的工型单纯疱疹病毒胸苷激酶 (herpes simplex virus type工thymidine kinase, HSVtk)与环氧鸟苷(gancyclovir,GCV)结合,形成 强毒性代谢物,并作为DNA和RNA链的终止剂使 小鼠肝细胞死亡,继而可移植人肝细胞。在这种模 型中,人肝细胞功能可持续8个月_3 。 人肝嵌合小鼠模型能被HBV感染,肝细胞核 内可形成cccDNA,有助于在体内研究HBV感染 过程,并用于药物检测,是研究HBV感染的较好模 型。但由于没有正常免疫系统,小鼠死亡率很高,且 不能研究HBV引起的免疫病理机制,不适用于慢 性HBV感染及治疗性疫苗的研究。同时,模型构 建复杂、费用昂贵也了其发展。 2.3.2人肝/免疫系统双嵌合小鼠 以上人肝嵌合 小鼠模型没有功能性免疫系统,只能支持HBV感 染和复制,但没有明显的肝脏疾病形成_3 。对于 HBV感染模型来说,小鼠体内既有人免疫系统,又 有人肝细胞,更接近人体内HBV感染及其引起的 免疫病理状态。 AFC8.huHSC/Hep小鼠模型,即用FK506结 合蛋白(可抑制排斥反应)和受Alb启动子的 半胱天冬酶8(AFCS)处理BALB/C Rag2 一 c-/一 小鼠,导致肝脏损伤;同时联合移植同基因的人 CD34 造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC) 和肝脏祖细胞,形成有效的人白细胞和肝细胞。这 种小鼠可被丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV) 感染,并引起相应的免疫应答和肝脏疾病¨4 。另一 种模型是用携带两套小鼠Alb启动子的uPA 新品系免疫缺陷小鼠uPA-NOG,在6周时通过注 射人肝细胞和造血干细胞重建人肝脏和免疫细 胞_4l_]。还有研究人员用人造血干细胞和肝脏祖细 胞重建免疫缺陷的A2/NSG小鼠[包含人类白细胞 抗原(human leukocyte antigen,HLA).A2基因的 NOD.Cg-Prkdc(SCID)I12rg tmlWjl/SzJ小鼠],得 到的A2/NSG.huHSC/Hep小鼠可支持HBV感 染,接近75%的HBV感染小鼠持续感染至少4 个月E423。 值得注意的是,这几种肝细胞和造血干细胞来 源于同基因的模型只能检测到很少的人肝细胞嵌 入。如用HLA不匹配的造血干细胞和成熟人肝细 胞移植可达到较高的人肝细胞嵌合。用 -√ Rag2 II2rgI√NoD小鼠(FRGN)经二甲磺酸 丁酯(抗肿瘤药)和Ad:uPA处理后,共移植成人 肝细胞和造血干细胞。移植后的4个月中人肝嵌合 超过80%且造血细胞水平较高。此外,还检测到人 肝脏巨噬细胞(Kupffer细胞)在嵌合肝中的表 达 引。这种双嵌合小鼠可用于研究HBV感染状态 下肝脏与免疫系统的相互作用。 但以上小鼠模型中,胸腺并不人源化,因此还不 完全具有人免疫系统的特点。最近的HIS.HUHEP (人免疫细胞和人肝细胞)小鼠,是在有uPA的 BALB/c Rag2 一II2r7 NOD.sirpa小鼠 移植人免疫细胞和造血细胞。在此小鼠中可检测到 至少5个月高水平的人肝嵌合和人骨髓淋巴细 胞J4 ,为研究嗜肝病毒的免疫病理机制及筛选药物 和疫苗提供了广阔平台。 不过,以上模型所用小鼠为免疫缺陷鼠,死亡率 高,对环境的要求较严格;所需人组织来源受限;所 需操作精细,对操作者要求高;模型构建复杂。这些 因素都成为发展这种新型小鼠的瓶颈。 综上所述,HBV感染动物模型在技术和内容 上不断丰富和完善,各模型有各自的特点被用于不 同研究,对HBV分子生物学和感染人体后的相关 病理机制、与人免疫系统的相互作用及药物和疫苗 的研究起了关键作用。但人们也认识到:乙型肝炎 尚未完全被攻克,针对HBV还有一系列重要的科 学问题需探索,如HBV进入肝细胞的过程和机制、 病毒持续感染的决定性分子机制、cccDNA持续存 在的原因等,而现有的各种模型均有一定弊端。因 此,还需进一步完善动物模型,使其来源方便、经济 适用、能极度模拟HBV感染人体的完整过程及人 体应答。只有通过合适的动物模型对有关HBV感 染的关键问题阐述清楚,人们才能找到有效战胜乙 型肝炎的方法。 参考文献 [1]Stasi C,Silvestri C,Voller F,Cipriani F.The epidemiological changes of HCV and HBV infections in the 任蓉蓉,等:乙型肝炎病毒感染动物模型的研究进展 era of new antiviral therapies and the anti.HBV vaccine[J/ OL].J Infect Public Health,2015.http://www. sciencedirect.com/science/article/pii/S187603411500101X. 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