小動物活體光學(xué)成像技術(shù)在感染性疾病研究中的應(yīng)用（二）

Revvity小動物活體光學(xué)成像技術(shù)已在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床前醫(yī)學(xué)研究及藥物研發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，感染性疾病研究是活體光學(xué)成像技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)之一。

在利用小動物活體光學(xué)成像技術(shù)觀測病原體在動物體內(nèi)感染情況的同時，還可應(yīng)用 該技術(shù)觀測機(jī)體對病原體入侵的免疫反應(yīng)。

此類應(yīng)用可以通過三種方式實(shí)現(xiàn)：

1、利用 報(bào)告基因標(biāo)記在免疫細(xì)胞中特異性表達(dá)的基因啟動子而構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動物，以該轉(zhuǎn)基因動 物為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用?jīng)光學(xué)標(biāo)記的病原體對其進(jìn)行感染，觀測病原體感染而引發(fā)的免疫細(xì) 胞應(yīng)答；

2、利用報(bào)告基因標(biāo)記目的基因的啟動子構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動物，觀測病原體感染后 該基因的表達(dá)情況，了解免疫應(yīng)答的分子機(jī)理；

3、利用某種免疫相關(guān)基因被敲除的基 因敲除鼠作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，觀測病原體的感染情況，以了解這些基因在免疫反應(yīng)中的作用。

01

利用轉(zhuǎn)基因小鼠觀察感染

Cho 等利用 LysEGFP 轉(zhuǎn)基因小鼠作為實(shí)驗(yàn)用鼠，應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測了生物發(fā)光金黃色葡萄球菌經(jīng)皮膚傷口感染小鼠后引發(fā)的嗜中性粒細(xì)胞的免疫應(yīng)答。由于實(shí)驗(yàn)小鼠是 LysEGFP 轉(zhuǎn)基因小鼠，因此其體內(nèi)的嗜中性粒細(xì)胞即為 EGFP 所標(biāo)記，因此在用生物發(fā) 光成像模式觀測細(xì)菌感染的同時，也能通過熒光成像模式觀測嗜中性粒細(xì)胞在感染部位 的聚集。

如下圖所示，與未經(jīng)感染的對照組相比，金黃色葡萄球菌的感染引發(fā)了大量嗜中性粒細(xì)胞在感染部位的聚集，這伴隨著細(xì)菌感染程度相應(yīng)地降低，而對照組中少量嗜 中性粒細(xì)胞的聚集是由于皮膚創(chuàng)傷而引起的免疫反應(yīng)。

上圖：應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測生物發(fā)光金黃色葡萄球菌對 LysEGFP 轉(zhuǎn)基因小鼠皮膚傷口的感染及所引起的嗜中性粒細(xì)胞的免疫應(yīng)答情況。左，不同時間點(diǎn)金黃色葡萄球菌感染生物發(fā)光成像及定量結(jié)果；右，EGFP 標(biāo)記的嗜中性粒細(xì)胞對細(xì)菌感染的應(yīng)答熒光成像及定量結(jié)果。

IL-1R 信號通路的激活在嗜中性粒細(xì)胞對金黃色葡萄球菌皮膚感染的免疫應(yīng)答中起 重要調(diào)控作用，而 IL-1α 和 IL-1β 是激活 IL-1R 信號通路的兩種主要配體。Miller 等人 通過應(yīng)用敲除上述兩種基因的基因缺陷型小鼠 IL-1α-/-、IL-1β-/-及 IL-1α/ IL-1β -/-，揭示了 IL-1β 在趨化嗜中性粒細(xì)胞到達(dá)皮膚感染區(qū)域所起的重要調(diào)控作用。結(jié)果顯示，金黃色 葡萄球菌對野生型小鼠及 IL-1α-/-缺陷型小鼠中的感染程度相當(dāng)，而對 IL-1β-/-及 IL-1α/ IL-1β -/-缺陷型小鼠的感染程度明顯高于前兩者，說明 IL-1β 在趨化嗜中性粒細(xì)胞對金黃 色葡萄球菌皮膚感染的免疫應(yīng)答中是必須的。

上圖：應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測生物發(fā)光金黃色葡萄球菌對野生型小鼠及三種基因缺陷型小鼠 IL-1α-/-、IL-1β-/- 和 IL-1α/ IL-1β -/-的皮膚感染情況。左，普通相機(jī)拍攝圖片；右，活體光學(xué)成像結(jié)果。

Cheeran 等利用從轉(zhuǎn)基因小鼠 Tg(β-actin-luc)中提取的脾細(xì)胞及淋巴結(jié)細(xì)胞，研究了免疫細(xì)胞對病毒感染的響應(yīng)。研究者將提取的發(fā)光脾細(xì)胞及淋巴結(jié)細(xì)胞通過尾靜脈注入 腦室內(nèi)感染巨細(xì)胞病毒的小鼠，利用 IVIS 系統(tǒng)觀測了上述免疫細(xì)胞在活體動物體內(nèi)對 感染病灶點(diǎn)的浸潤。結(jié)果顯示，在未經(jīng)病毒感染的正常小鼠體內(nèi)，移植的淋巴細(xì)胞主要 聚集于脾內(nèi)（如下圖-1dpi 所示），而當(dāng)小鼠腦部感染病毒后，這些淋巴細(xì)胞會遷移至感染區(qū)域而發(fā)揮免疫清除作用。

上圖：利用 IVIS 系統(tǒng)觀測免疫細(xì)胞對病毒感染的免疫應(yīng)答。A、小鼠背部朝上拍攝；B、小鼠腹部朝上拍 攝。-1dpi 為病毒感染前 24h 尾靜脈注射淋巴細(xì)胞成像結(jié)果，每張圖中從左至右第一只小鼠為注射生理鹽水 的對照小鼠，第二、三只小鼠為腦室內(nèi)感染巨細(xì)胞病毒的疾病小鼠。

02

抗生素/疫苗抗感染藥物研發(fā)

應(yīng)用傳統(tǒng)方式對抗生素、疫苗等抗感染藥物在活體水平的研發(fā)篩選，需要在給藥后 處死小鼠，取出感染部位，再通過 PCR、菌落計(jì)數(shù)、切片觀察等方法對藥物治療效果進(jìn) 行評價。這些方式需要耗費(fèi)大量實(shí)驗(yàn)動物、進(jìn)行繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作，很難實(shí)現(xiàn)高通量篩選， 且不能利用同一只動物從頭到尾的獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此很難獲取準(zhǔn)確的重復(fù)性數(shù)據(jù)。小 動物活體光學(xué)成像技術(shù)是一種非侵入式活體觀測技術(shù)，無需在實(shí)驗(yàn)過程中處死老鼠，并 且可以使用同一批老鼠完成不同時間點(diǎn)的觀測，因此已廣泛應(yīng)用于抗感染藥物的研發(fā)。抗生素（antibiotics）是由微生物（包括細(xì)菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生 活過程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產(chǎn)物，可用于治療各種細(xì)菌 感染或抑制致病微生物的感染。應(yīng)用小動物活體光學(xué)成像技術(shù)可以評價抗生素對病原體 感染的治療效果。達(dá)托霉素（Daptomycin/Cubicin）是 Cubist Pharmaceuticals 制藥公司 研發(fā)的已獲得 FDA 認(rèn)證的一種抗生素類藥物，可用于革蘭氏陽性菌感染而導(dǎo)致的腹膜 炎的治療。該公司在此藥物的研發(fā)過程中即應(yīng)用到了小動物活體光學(xué)成像技術(shù)以評價該 抗生素對腹膜炎的治療效果。研究者應(yīng)用生物發(fā)光金黃色葡萄球菌（S. aureus）通過腹 腔注射感染小鼠誘發(fā)腹膜炎，之后比較了 Daptomycin、Vancomycin 及 Linezolid 三種抗 生素對細(xì)菌感染的抑制效果。

結(jié)果顯示，Daptomycin 的治療效果好，如下圖：

上圖：利用 IVIS 系統(tǒng)觀測 Daptomycin（50 mg/kg）、Vancomycin（100 mg/kg）及 Linezolid（100 mg/kg） 三種抗生素對金黃色葡萄球菌感染的抑制效果。

疫苗是將病原微生物（如細(xì)菌、立克次氏體、病毒等）及其代謝產(chǎn)物，經(jīng)過人工減 毒、滅活或利用基因工程等方法制成的用于預(yù)防傳染病的自動免疫制劑。疫苗保留了病 原菌刺激動物體免疫系統(tǒng)的特性。當(dāng)動物體接觸到這種不具傷害力的病原菌后，免疫系 統(tǒng)便會產(chǎn)生一定的保護(hù)物質(zhì)，如免疫激素、活性生理物質(zhì)、特殊抗體等；當(dāng)動物再次接觸到這種病原菌時，動物體的免疫系統(tǒng)便會依循其原有的記憶，制造更多的保護(hù)物質(zhì)來 阻止病原菌的傷害。應(yīng)用小動物活體光學(xué)成像技術(shù)可以評價疫苗對病原體感染的治療效果。Karanam 等應(yīng)用 IVIS 系統(tǒng)觀測了聯(lián)合使用 TA-CIN 疫苗及 GPI-0100 輔藥對小鼠預(yù) 防性接種后，對熒光素酶基因標(biāo)記的人乳頭瘤假病毒 HPV16 皮膚感染的預(yù)防治療效果。結(jié)果顯示，與單獨(dú)接種相比，TA-CIN 疫苗及 GPI-0100 輔藥的聯(lián)合使用能夠更好的抑制 人乳頭瘤假病毒的感染，其中 GPI-0100 輔藥在誘導(dǎo)體液及細(xì)胞免疫應(yīng)答方面發(fā)揮重要作用。