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方法文章

用于研究蜱虫唾液生物分子引发过敏反应的斑马鱼动物模型

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DOI:

10.3791/64378

2022年9月16日

本文内容

摘要

本研究采用斑马鱼(Danio rerio)作为模型,通过评估对蜱虫唾液及哺乳动物肉类摄入的过敏反应,来研究α-半乳糖综合征(AGS)相关的过敏反应和免疫应答。

摘要

蜱虫是通过传播病原体引起疾病的节肢动物媒介,其叮咬可能引发影响全球人类健康的过敏反应。在某些个体中,蜱虫叮咬可诱导产生针对糖类抗原Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R(α-Gal)的高水平免疫球蛋白E抗体。由蜱虫唾液中存在的含α-Gal糖类的糖蛋白和糖脂介导的过敏性反应,与α-Gal综合征(AGS)或哺乳动物肉类过敏相关。斑马鱼(Danio rerio)已成为研究多种病理过程的常用脊椎动物模型。本研究利用斑马鱼作为模型,研究对α-Gal及哺乳动物肉类摄入引发的过敏反应,因为斑马鱼与人类相似,均不能合成该糖类。为此,评估了斑马鱼在摄入Ixodes ricinus蜱虫唾液及哺乳动物肉类后的行为模式和出血性过敏性反应。该实验方法可获得有效数据,支持将斑马鱼作为动物模型用于研究蜱传过敏性疾病,包括AGS。

引言

蜱是病原体的传播媒介,可引起疾病,同时也会导致过敏反应,影响全球人类和动物的健康1,2。在蜱吸血过程中,蜱唾液中的生物分子(尤其是蛋白质和脂质)有助于这些外寄生虫的取食,从而逃避宿主的防御机制3。某些含有糖类Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R(α-Gal)修饰的唾液生物分子,在部分个体被蜱叮咬后会诱导产生高水平的抗α-Gal IgE抗体,这种现象被称为α-Gal综合征(AGS)4。该疾病是一种由IgE介导的过敏反应,可能导致对蜱叮咬、非灵长类哺乳动物肉类摄入以及某些药物(如西妥昔单抗)产生过敏性休克5。对α-Gal的过敏反应通常较为严重,有时甚至可能致命6,7,8,9,10,11,12,13,14,15

α-半乳糖(α-Gal)存在于所有哺乳动物中,但旧世界猴、猿类和人类除外,后三者缺乏合成 α-Gal 的能力13然而,某些病原体(如细菌和原生动物)在其表面表达这种聚糖,可诱导机体产生大量抗α-Gal IgM/IgG抗体,这可能是一种针对这些病原体的保护性机制16,17然而,抗α-半乳糖抗体的产生会增加发生IgE介导的抗α-半乳糖过敏的风险7,13人类体内产生的天然抗α-半乳糖抗体(主要为IgM/IgG亚型)可能与肠道微生物群中细菌所含的这种修饰有关16. AGS 是一种具有挑战性的临床诊断,因为目前主要的诊断方法依赖于临床病史中出现的延迟性过敏反应,尤其是与食物过敏相关的症状(如瘙痒、局部荨麻疹或反复发生的血管性水肿,直至过敏性休克、荨麻疹及胃肠道症状),以及 IgE 抗-α-Gal 抗体水平的检测9目前的研究结果表明,蜱虫叮咬是导致α-半乳糖综合征(AGS)出现的主要风险之一。18,19蜱叮咬后,α-半乳糖(α-Gal)特异性IgE水平升高20倍或以上19α-半乳糖综合征(AGS)患者中蜱虫叮咬史20,21,22AGS 患者体内存在针对蜱虫抗原的反应性抗体19,且抗α-Gal IgE与抗蜱IgE水平密切相关19,23 但需要进一步研究以确定实际参与的生物分子。

此外,另一种可能的情况是,某些患者对蜱叮咬表现出强烈的过敏反应,并且体内抗α-半乳糖(α-Gal)IgE抗体水平较高,但却能够耐受哺乳动物肉类的摄入12。因此,哺乳动物肉类过敏可能是蜱叮咬相关过敏的一种特殊类型。与α-半乳糖综合征(AGS)相关的主要蜱种包括Amblyomma americanum(美国)、Amblyomma sculptum(巴西)、Amblyomma testudinariumHaemaphysalis longicornis(日本)、Ixodes holocyclus(澳大利亚),以及Ixodes ricinus(欧洲莱姆病螺旋体病的主要传播媒介)11,24

目前唯一用于评估与蜱虫叮咬相关的IgE产生的模型是α−1,3-半乳糖基转移酶基因敲除的转基因小鼠模型(α-Gal KO小鼠)25,26,因为与其他哺乳动物一样,小鼠也在蛋白质和脂质上表达α-Gal,且不会产生针对α-Gal的IgE。然而,斑马鱼(Danio rerio)是适用于哺乳动物的生物医学研究的有用模型,因其与哺乳动物具有许多解剖学上的相似性,并且与人类一样,也无法合成α-Gal。由于斑马鱼本身不天然产生α-Gal,因此该模型成本较低、易于操作,并可实现较大的样本量,适用于α-Gal相关过敏反应的研究。

本研究采用斑马鱼作为模式生物,用于表征和描述局部过敏反应、行为模式以及与经皮致敏蜱唾液26,27及随后摄入哺乳动物肉类相关的分子机制。为此,通过皮内注射使斑马鱼暴露于蜱唾液,随后喂食含有适于动物使用的哺乳动物肉类衍生产品的狗粮,该狗粮含有α-Gal27,然后评估可能相关的过敏反应。该方法可应用于其他与过敏过程相关的生物分子的研究,尤其是与α-半乳糖综合征(AGS)相关的研究。

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方案

本研究所述所有方法均已获得卡斯蒂利亚-拉曼查大学动物实验伦理委员会批准,研究编号为 "斑马鱼模型中灭活 M. bovis 疫苗免疫应答及 M. marinum 攻毒试验评估,编号 PR-2017-05-12"。

蜱虫取自实验室种群,该种群中的代表性蜱虫样本通过PCR检测常见的蜱传病原体,以确认无病原体存在,并饲养于捷克科学院生物中心寄生虫研究所(IP BC CAS),捷克共和国。所有动物实验均依照捷克共和国第246/1992号动物保护法(伦理批准编号34/2018)进行。

1. 斑马鱼处理

注意:本试验旨在评估斑马鱼在摄入哺乳动物肉类后,对蜱虫唾液处理所引发的过敏反应及免疫应答。

  1. 用蜱虫唾液处理鱼类(如第4节所述),使用商品化的Gala1-3Gal-BSA 3(α-Gal)(见材料表)作为阳性对照,以磷酸盐缓冲液(PBS)作为阴性对照。成年斑马鱼被随机分为三个性别均衡的组(图1)。
    注意:任何其他与AGS相关的化合物均可通过此模型进行评估。

2. ​ Ixodes ricinus 蜱虫唾液提取

  1. 使用在豚鼠身上吸血6-7天的半饱血、无病原体的雌性蜱虫。
  2. 用50 µL注射器(配0.33 mm针头)将5 µL浓度为2% (wt/vol) 的盐酸匹鲁卡品PBS溶液(pH 7.4)注入蜱虫血腔(参见材料表),以诱导蜱虫分泌唾液,方法如前所述28
    注意:使用镊子操作蜱虫时应小心,避免夹持时用力过大。
  3. 使用装在移液器上的10 µL吸头收集唾液。
    1. 小心将吸头插入蜱虫的口下片内。
    2. 将收集的唾液置于冰上的1.5 mL离心管中,合并样本后于-80 °C保存,方法如前所述27
  4. 采用BCA蛋白检测试剂盒(参见材料表),按照制造商说明测定唾液中的蛋白浓度,以确定参照既往研究27注入鱼类的蛋白量。

3. 斑马鱼的维护

  1. 将斑马鱼饲养于循环水系统中,水温维持在 27 °C,光照周期为 14 小时光照/10 小时黑暗(图 2)。
  2. 每天于上午 9:30 和下午 1:30 两次投喂干鱼饲料(每尾鱼 50–70 μg),持续至第 2 天。
  3. 自处理注射后的第 2 天起,直至实验结束,每天于上午 9:30 和下午 1:30 两次投喂干狗粮(每尾鱼 50–70 μg)。

4. 斑马鱼显微注射

  1. 每组选取10条鱼,雌雄比例相近,体重相似。
    注意:第1组为注射PBS的鱼,第2组为注射蜱唾液的鱼,第3组为注射α-Gal的鱼。
  2. 将鱼短暂浸入0.02%三卡因甲磺酸盐(MS-222)中进行麻醉(视频 1).
    注意:正确麻醉的鱼应表现出正常的呼吸且无游泳行为,可能位于水箱底部或漂浮于水中。每条鱼必须单独进行麻醉,以避免可能的生理损伤。
  3. 使用渔网捕获麻醉后的鱼。
  4. 用镊子或手小心地将鱼置于湿润的海绵上,使其侧卧,尾鳍朝向右侧,以便沿同一方向注射化合物,从而控制病灶位置。
  5. 按照之前的研究方法,对鱼群进行皮内注射26,在距尾鳍5 mm处的肌肉中,与鱼体成45°角视频 2)。按照之前所述,在第0、3和8天使用相应的处理方法27 使用装有1 cm、29 G针头的100 µL注射器,加入1 µL(含9 µg/µL蛋白)的样品 I. ricinus PBS(磷酸盐缓冲液)10 µL 中的唾液(蜱虫唾液)、PBS 10 µL 中的 5 µg α-半乳糖(α-Gal)27, 和 10 µL 的 PBS(图3).
    注意:操作必须迅速且小心,以避免对动物造成任何物理损伤。
    蜱唾液中的其他生物分子可依据本方案进行评估。
  6. 将处理后的鱼放回不含麻醉剂的淡水水族箱中进行恢复。
    ​注意:同一组的所有鱼可置于同一水族箱中进行恢复。

5. 斑马鱼喂养

  1. 用研钵和研杵将狗粮捣碎。
  2. 每天上午9:30和下午1:30,每条鱼喂食50–70 μg干鱼饲料,每日两次,持续至第2天。
  3. 从处理注射后的第2天起,每天上午9:30和下午1:30,每条鱼喂食50–70 μg捣碎的狗粮,每日两次,直至第8天实验结束。
    ​注意:若需评估不同接种期间对处理或饲料所引起的α-Gal或IgE抗体的免疫标志物或抗体滴度,则喂食需持续至实验结束。

6. 斑马鱼过敏反应、病变及行为的评估

  1. 使用放大镜或体视显微镜准确观察出血型过敏反应(皮肤发红、变色和出血),并根据表1中的分类标注其在鱼体上的出现位置(图4A)。
    注意:在注射蜱唾液并摄入含红肉饲料后,图4中所示的过敏反应出现。因此,所描述的反应类型与α-半乳糖综合征(AGS)相关的反应一致,因为在临床环境中也会出现类似的反应。
    1. 在每天两次投喂期间,观察鱼类在水箱中是否在处理后出现任何反应。
  2. 通过评估游泳模式的变化27(活动性、速度、静止于水箱底部、之字形游泳)来检查鱼类行为,并依据表1中的分类进行判断。
  3. 评估累积死亡率,记录死亡鱼的数量及死亡时间/日期(图4B)。
    注意:所有参数均在处理后或更换饲料后立即开始评估,并每日持续观察,直至第8天实验结束,期间对定性变量进行分类(表1)。建议由具备斑马鱼相关知识的专业人员进行此项评估,以便基于其背景和使用该动物模型的经验来判断行为变化。
  4. 统计每组每天出现过敏反应、异常行为和摄食改变的斑马鱼数量,并采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行组间比较。

7. 样品采集

  1. 在第8天将鱼浸入0.04% MS-222中实施安乐死。
    注意:试验期间因过敏反应死亡的鱼也需采集样本。
  2. 用针将鱼固定在石蜡板上。
  3. 安乐死后立即从鱼的鳃部血管29采集血清,此时鳃仍处于血液灌注状态,使用配备1 cm、29 G针头的0.5 mL注射器进行采集。将血清储存于1.5 mL离心管中,置于-20 °C保存至使用(视频3)。
  4. 使用手术刀片沿矢状面切开鱼体,检查内部病变(出血性病变或肉芽肿)27,30 (如出现)。
    注意:病变不一定出现,但若存在则必须记录。
  5. 按照先前描述的方法31,分别将每条鱼的肠道(视频4)和肾脏(视频5)采集至独立的空1.5 mL离心管中,并储存于-80 °C(图4C)。
  6. 使用RNA纯化试剂盒(见材料表)从斑马鱼肠道和肾脏样本中提取总RNA。
  7. 按照先前描述的方法30,32分析斑马鱼中与免疫应答相关基因的表达(引物序列见表2),采用逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR),使用适用于RT-qPCR的逆转录混合液(见材料表),依照制造商说明进行操作。以D. rerio GAPDH作为内参对mRNA的cT值进行标准化,并采用方差不等的Student t检验比较各组间差异(唾液处理组、α-Gal处理组与PBS处理组)。
  8. 采用ELISA法测定斑马鱼血清样本中识别α-Gal的IgM抗体滴度,方法如前所述27,30。使用酶标仪记录450 nm处的吸光度(O.D.450 nm )值,并采用方差不等的Student t检验比较各组间差异(唾液处理组、α-Gal处理组与PBS处理组)。
    注意:IgM抗体滴度测定和基因表达分析为可选步骤,仅在需要免疫学信息时进行。RT-qPCR混合液是用于实时定量PCR基因表达分析的cDNA第一链合成试剂盒。

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结果

本文所述方案基于先前发表的多项实验2730以及本实验室的研究结果,其中斑马鱼模型已建立并验证可用于研究α-半乳糖综合征(AGS)及对α-半乳糖(α-Gal)的免疫反应,因为人类和斑马鱼均不合成该分子13。该模型可用于表征和评估多种过敏反应,这些反应源于宿主对蜱虫唾液的应答(图4),并涉及AGS的发病机制。此外,在接受蜱虫唾液处理的鱼类中观察到行为改变,例如游动缓慢(视频6)、侧卧于水箱底部(视频7)、不进食、震颤或呈之字形运动(视频8),而对照组鱼类未见此类现象;这些现象在第2天给予犬粮后尤为显著。此时,鱼类已通过α-Gal和蜱虫唾液致敏,并开始通过饲料摄入红肉。最终,在接受蜱虫唾液处理的鱼类中观察到显著的过敏反应发生率(图4A、B

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讨论

斑马鱼是一种经济实惠且易于操作的模式生物,同时也是研究免疫反应分子机制、病原体疾病、新药测试以及疫苗接种和抗感染保护的可行工具33,34,35。对斑马鱼行为的研究具有重要意义,因为先前的研究发现,某些鱼类在受到应激时会在水箱底部保持静止不动,从而影响其摄食行为,导致进食减少;此外,鱼类在游动时出现的之字形运动也可能与应激和焦虑有关36,37。通过评估斑马鱼这些参数所获得的信息,将有助于深入理解蜱-宿主之间的分子相互作用以及宿主对α-Gal免疫反应的相关机制,进而揭示α-半乳糖综合征(AGS)的发生机制,包括对哺乳动物肉类摄入产生过敏反应的机理。

为避免对注射分子产生假阳性反应,进行皮内注射时应避免过深,需与斑马鱼体表平行,并在注射时评估鱼类是否受损。因操作或针头穿刺造成损伤的个体不...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢SaBio研究团队在实验设计以及鱼类实验设施技术协助方面的合作,感谢Juan Galcerán Sáez(IN-CSIC-UMH,西班牙)提供斑马鱼。本研究由西班牙科学与创新部/国家研究机构MCIN/AEI/10.13039/501100011033以及欧盟区域发展基金(EU-FEDER)资助(项目号BIOGAL PID2020-116761GB-I00)。Marinela Contreras由西班牙科学、创新与大学部资助(项目号IJC2020-042710-I)。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1.5 mL 离心管VWR525-0990
All Prep DNA/RNA 试剂盒Qiagen80284
水生生物设施
BCA 蛋白检测试剂盒 Thermo Fisher Scientific23225
解剖工具组VWR631-1279
狗粮 - Red ClassicAcana
ELISA 板 - 96 孔Thermo Fisher Scientific10547781
Gala1-3Gal-BSA 3 (α-Gal) DextraNGP0203
iScript 逆转录超级混合液Supermix1708840
微升注射器Hamilton7638-01
酶标仪any
磷酸盐缓冲液SigmaP4417-50TAB
pilocarpine hydrochloride SigmaP6503
移液器吸头 P10 VWR613-0364
移液器吸头 P1000VWR613-0359
高级热带鱼粮DAPC
海绵动物固定架 由废弃泡沫制成
体视显微镜any
实时荧光定量 PCR 仪any
三卡因甲磺酸盐(MS-222)SigmaE10521

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标签

PCR IgM