柯萨奇病毒A16型感染小鼠模型

手足口病是由肠道病毒引起的，以发热和手、足、手足口病是流行于亚太地区的婴幼儿常见传染病。柯萨奇病毒A16型（CA16）和人肠道病毒71型（EV71）是手足口病的主要病原体之一，引发婴幼儿手足口病及疱疹性咽峡炎，严重并发症包括无菌性脑膜炎，而神经源性的肺水肿或肺出血是导致婴幼儿死亡的原因之一。该病毒近年来在大陆地区的感染，已经造成了数十万儿童感染，并不时伴随有死亡病例，目前尚无临床可以使用的疫苗和治疗药物。

CA16属于微小RNA病毒科，肠道病毒属。CA16感染主要引起自限性的手足口病，偶尔引起的神经系统并发症包括无菌性脑膜炎、脑干脑炎、脊髓灰质炎样麻痹、神经源性肺水肿和心功能衰竭等，严重者可导致死亡。

CA16主要通过粪口传播，病毒最初定植于鼻咽部或胃肠道粘膜，侵入淋巴组织并在其中繁殖，进而引起第一次病毒血症。若机体免疫力差，病毒可扩散至全身组织器官，大量繁殖后再次入血，引起第二次病毒血症，最终侵犯靶器官，如脑、脑膜、脊髓、心肌和横纹肌以及皮肤黏膜组织，引起重症病变。尸检时主要病变为神经元坏死等。

SPF级1-10日龄乳鼠，ICR、C57或Balb/c均可。

1. 病毒准备

CA16在人横纹肌瘤细胞（RD）中培养、繁殖，采用冻融法释放病毒，超速离心法富集病毒。毒株为shzh05-1，2008年分离自深圳市，GenBank存储号为EU262658。

2. 实验动物

可使用SPF级别的1-10日龄乳鼠，品系包括ICR、C57BL6J、Balb/c，母鼠自然哺乳，在动物生物安全二级实验室内独立饲养。

3. 病毒感染

根据预实验确定感染剂量，10日龄乳鼠经轻度麻醉后，经腹腔注射2.5×107 TCID50 的CA16 shzh05-1,攻毒体积为100微升/只，空白对照组注射等量RD细胞上清。

4. 模型分析指标

（1） 症状观察

感染后动物观察14天，记录体重变化、症状和死亡率。根据症状严重程度，参照以下标准对动物进行打分：

0，未见异常；1，竖毛；2，后肢迟缓无力；3.单后肢瘫痪；4，双后肢瘫痪；5，死亡。

（2） 病毒检测

分别在感染后第1天、3天、5天和7天处死动物，分离主要组织器官，提取RNA，采用实时荧光定量PCR法检测组织内病毒载量，记录病毒复制情况。PCR引物序列为：CA16-F1: GAAAAACCCTCGACACACTAG；CA16-R1: ATCAGCGTCCTTGCAATACTCG (1095)

（3） 病理诊断

分别在感染后第3天、5天处死动物，分离主要组织器官，HE染色观察病理改变。

1. 动物症状观察

动物自感染后第3天开始出现症状，表现为体重增长变缓、弓背竖毛、后肢行动迟缓至瘫痪、死亡等症状（图1）。感染后第4天时，动物全部表现出后肢瘫痪、停止进食等症状，感染后第5天动物开始出现死亡，在10天内全部死亡。

2. 组织内病毒复制情况

感染后最初在外周血中检测到CA16病毒，随后，血液中病毒载量逐渐下降。各组织中病毒载量在第3天和第5天达到高峰，其中骨骼肌内病毒载量最高，在第3天可达到108 copies/mg组织，脑中病毒载量在第5天达到高峰，可达106 copies/mg组织，表明了病毒感染引发病毒血症后，病毒经血液向组织扩散，并在组织内复制。脑内病毒的高峰期滞后于骨骼肌，表明病毒经肌肉内神经元逆向轴突传递至脑内，而非病毒经血液直接扩散至脑部（图2）。

此外，在心脏、肝脏、肺、肾脏和脾中均可检测到病毒核酸。

3. 病理改变

感染第5天时，处死动物，观察各组织的病理改变。小鼠的肺、肾和脊髓内未见与病毒感染有关的病变。心脏内表现为局灶性心肌纤维变性坏死，少量炎细胞浸润；肝内局部肝细胞发生轻度空泡变性，可见肝实质中发生轻度的髓外造血；脾脏髓外造血增多；骨骼肌的肌纤维肿胀、坏死断裂、肌纤维之间可见大量炎性细胞浸润，以淋巴细胞为主，也可见巨噬细胞等炎性细胞、坏死性肌炎；脑内未见与病毒感染有关病变，发现轻度血管源性水肿，可能与缺血缺氧有关；部分肠上皮细胞出现空泡变性。

H1PV为低于人间传染病名录三级安全风险的病原，人类感染风险低。

H1PV是大鼠必须排除的病原体，对动物有致病性。会干扰其他实验研究。

鉴于此，此感染实验必须在BSL-2级以上的生物安全实验室进行病原学实验，在ABSL-2实验室进行动物实验。

采用病毒滴度为104.5 TCID50/ml的EV71（NX10-147）经腹腔注射感染9日龄BALB/c乳鼠，建立重症小鼠模型，6 dpi重症模型小鼠发生后肢瘫痪最终导致死亡；绘制生存率（图1A），体重增长曲线（图1B），临床评分（图1C）。重症小鼠模型在5 dpi时，2/7(28.57%)小鼠发生后肢瘫痪（图2），在7 dpi时，4/7(57.14%)小鼠表现瘫痪，其体重也下降，11~12 dpi重症小鼠出现死亡，生存率为71.43%(5/7)，其中存活的小鼠中60%(3/5)出现瘫痪后遗症。

1.重症小鼠模型各组织病毒载量检测

为了进一步探讨重症EV71小鼠模型体内病毒载量情况，采用RT-PCR对3 dpi和5 dpi重症小鼠脑、脊髓、骨骼肌、空肠和肺组织进行病毒核酸检测（图3），发现以上各组织在3 dpi和5 dpi 均检测到EV71病毒，其中，检测到重症模型3 dpi骨骼肌中的高病毒载量（107.0 copies/mg），其中，3 dpi 在重症模型脑组织中均检测到低病毒载量(102.0 copies/mg)，5 dpi脑组织中病毒载量增加到104.0 copies/mg，说明5 dpi EV71病毒造成中枢神经系统感染加重。3 dpi在重症模型脊髓、空肠和肺组织中的病毒载量104.0 copies/mg，5 dpi 病毒载量无明显变化，重症小鼠模型中均检测到骨骼肌和脊髓中较高的病毒载量，说明这些组织是病毒复制并传播到脑组织的重要部位。

2.重症小鼠模型组织病理学变化

运用组织病理学和免疫组织化学技术，对重症小鼠模型的各组织器官进行病理学观察。空白对照组小鼠未见明显病理变化，并且EV71抗原呈阴性反应。

对重症小鼠模型（NX10-147）进行组织病理学观察（图4），发现3 dpi和5 dpi 小鼠后肢骨骼肌发生严重的坏死性肌炎，肌纤维断裂，大量炎性细胞浸润，主要有淋巴细胞、嗜中性粒细胞、巨噬细胞；3 dpi 小鼠脊髓和脑干发生细胞源性水肿，神经元发生变性，偶见坏死，5 dpi小鼠脊髓前角运动神经元变性坏死，出现红色神经元，并可见卫星现象和嗜神经现象，脑干组织中的神经元发生不同程度的变性坏死，并且可见脑干和脊髓神经元中的尼氏小体消失；5 dpi肺脏发生大面积间质性肺炎，间质增宽，炎性细胞浸润，肺泡间隔毛细血管淤血，3 dpi和5 dpi肺脏发生局灶性肺气肿；3 dpi和5 dpi空肠黏膜上皮细胞发生大面积空泡变性。免疫组织化学检测发现在上述严重病变的组织中可观察到EV71特异性抗原分布（图5），在3dpi和5 dpi时，脊髓、脑干、空肠和骨骼肌检测到较强的阳性EV71抗原信号，提示在这些组织中病毒复制活跃，然而在5 dpi时，肺脏检测到中等强度阳性EV71抗原信号。

3.重症小鼠模型血清细胞因子检测

对重症小鼠模型进行血清细胞因子检测从血清细胞因子方面揭示重症发生机制。本研究采用CBA方法检测了重症小鼠的3、6、12 hpi 以及1、2、3、5、7、9 dpi的血清细胞因子IL-1β、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-13、TNF-α、IFN-γ，以及MCP-1、CCL5/RANTES的动态变化（图6）。结果发现，这些血清因子中，IL-5、IL-13、IL-6、MCP-1、CCL5、TNF-α在重症小鼠中发生某时间点的爆发性浓度增高，与空白对照组小鼠血清因子相比，发现重症小鼠血清爆发性增高的细胞因子分别是3 hpi重症IL-5上调4倍；48 hpi重症IL-13上调1.2倍；3 dpi重症IL-6、MCP-1都上调100倍以上；3 dpi和7 dpi重症CCL5/RANTES分别上调9倍和10倍；重症小鼠模型中的IFN-γ在5 dpi时达到峰值，重症为10倍；7 dpi重症TNF-α和MCP-1分别上调4倍和87倍。以上数据说明，IL-5和IL-13可能是EV71小鼠实验感染早期炎症反应的主要因素，并且细胞因子IL-6、TNF-α、IFN-γ、MCP-1、CCL5/RANTES在重症EV71实验感染的免疫病理损伤中发挥重要作用。

4. EV71重症小鼠模型的气道阻力和血气分析

对小鼠的气道阻力进行分析，发现小鼠的吸气时间延长，呼吸频率降低，分钟通气量显著降低（图7），符合限制性通气不足的特征，可能是小鼠死亡的主要原因之一。

采用血气分析方法对EV71重症小鼠模型组和对照组小鼠的呼吸效果进行分析，与对照组相比，4 dpi感染组小鼠的氧分压（PO2）和氧饱和度（sO2）均明显下降，PO2 由62.2 mmHg下降到 46.75 mmHg，差异极显著（p < 0.01）（图8A）；sO2由90.6 %下降到76.5 %，差异极显著（p< 0.01）（图8B），PO2和sO2的变化提示EV71重症模型组小鼠处于缺氧状态。并且发现二氧化碳分压（PCO2）和二氧化碳总量（TCO2）有所上升，PCO2由27.22 mmHg增加到46.25 mmHg，差异显著（p< 0.05）（图8D）；TCO2由24.00 mmol/L 增加到25.75 mmol/L（图8E），PCO2的变化提示EV71重症模型组小鼠肺通气效果可能存在障碍。进一步发现了血液酸碱度pH值和细胞外液碱剩余（BEecf）均明显下降，pH值由7.42下降到7.33，差异显著（p< 0.05）（图8C）；BEecf由1 mmol/L降低到–2.25 mmol/L，差异显著（p < 0.05）（图8F），提示重症模型组小鼠可能处于呼吸性酸中毒的状态。以上血气结果结合肺脏组织病理变化，说明EV71重症模型组小鼠肺脏通气功能低下，处于缺氧和呼吸性酸中毒的病理状态。

5. EV71小鼠模型超微病理学变化

对照组小鼠肌肉组织可见横纹明显，每条肌原纤维都可见清晰明带和暗带交替排列，肌质内含有丰富的线粒体、肌原纤维、高尔基复合体、溶酶体、糖原颗粒等肌浆内含物，糖原颗粒散在分布于肌原纤维间和肌浆中（图9A），肌细胞内可见清晰的线粒体，或在肌纤维间排列，其内外膜和嵴突结构清晰可见（图9B）。感染组小鼠肌肉组织超微病变明显，表现为肌组织横纹消失，明暗带模糊甚至消失，肌组织发生退行性变，细胞内出现水肿，部分肌原纤维发生溶解，肌质中的胞浆内容物减少，糖原颗粒甚至消失（图9C）；线粒体肿胀、空化，基质电子密度降低，内室肿胀，嵴和膜结构模糊，嵴突变短减少，崩解消失，形成灶性空化（图9D）；骨骼肌细胞核固缩，染色质边集，异染色质明显增多，发生变性、坏死。并且在肌纤维间可见巨噬细胞、中性粒细胞等炎性细胞浸润。

对照组脑组织中神经元胞浆中的细胞器丰富，内质网发达，平行或不规则排列，其间游离存在核糖体（图10A）；线粒体丰富，散布于整个胞体中，线粒体内外膜和嵴突结构清晰（图10B）；脑组织中有髓神经纤维髓鞘电子密度均匀（图10C）。感染组脑组织超微病变轻微，神经元细胞器丰富，内质网发达，线粒体丰富（图10D）；神经元胞浆中可见少量空泡，部分线粒体内室肿胀(图10E)；有髓神经纤维髓鞘发生层面分离，导致小泡性分离，呈现泡状改变（图10F）。

对照组脊髓前角神经元常染色质明显，异染色质少，细胞器丰富（图11A）；脊髓前角神经元胞质中线粒体丰富，内质网发达（图11B）。感染组脊髓前角神经元中粗面内质网扩张，出现尼氏小体溶解，核周见微空泡形成；胞核皱缩，异染色质增多，细胞器减少，粗面内质网和高尔基复合体呈现不同程度的扩张，细胞质呈筛状外观，并伴随不同程度的多聚核糖体丢失，导致粗面内质网脱颗粒；线粒体肿胀，线粒体嵴突肿胀，嵴数量减少（图11C）。小胶质细胞包围吞噬神经元细胞，呈现嗜神经现象（图11D）。

对照组肺组织中I型上皮细胞扁平，其细胞核内可见呈浅亮的常染色质和呈深色颗粒状的异染色质，胞质少而薄，胞浆内可见少量细胞器，与周围细胞连接紧密（图12A）；肺组织中的II型上皮细胞核大而圆，常染色质细密，异染色质少，粗面内质网、高尔基复合体、溶酶体等细胞器丰富（图12B）；II型上皮细胞胞浆中可见清晰的特征性包含物——嗜锇性板层小体（图12C）。感染组肺组织中I型上皮细胞核中染色质边集，呈不规则堆积，并且与周围细胞之间连接松弛（图12D）；肺组织中II型上皮细胞核形状不规则，染色质边集，核周细胞质电子密度降低，粗面内质网、核糖体、高尔基复合体等细胞器减少，胞质出现细小空泡变（图12E），嗜锇性板层小体或出现排空现象，溶酶体增多（图12F）；肺泡壁中的细胞成分增多，其中肺泡II型上皮细胞增生，发生了间质性肺炎。