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      共表達(dá)豬IL-2與融合抗菌肽重組質(zhì)粒的構(gòu)建及其小鼠免疫效應(yīng)研究

      2018-04-24 10:33:04熊泰特萬小平陳建林肖永樂陳義輝李江呂學(xué)斌王澤洲
      畜牧獸醫(yī)科技信息 2018年3期
      關(guān)鍵詞:抗菌肽介素殼聚糖

      熊泰特 ,萬小平 ,陳建林 ,肖永樂 ,陳義輝 ,熊 旗 ,李江,呂學(xué)斌 ★★,王澤洲 ,高 榮 ★

      (1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川省生物資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川省動(dòng)物疫病預(yù)防與食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610064;2.四川省畜牧科學(xué)研究院,四川 成都 610066;3.四川省動(dòng)物疫病控制中心,四川 成都 610035)

      細(xì)胞因子是由機(jī)體多種細(xì)胞分泌的小分子蛋白質(zhì),通過結(jié)合細(xì)胞表面的相應(yīng)受體發(fā)揮生物學(xué)作用。它可使細(xì)胞間的各種信使分子連成一動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò),借以發(fā)揮其激活和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的多種功能,以便對(duì)外來的病原體感染或抗原性異物迅速作出免疫應(yīng)答和其他生理反應(yīng)(Smolen et al.,2005)。白細(xì)胞介素是一類研究最多、最深入的細(xì)胞因子,它們?cè)诿庖呒?xì)胞的成熟、活化、增殖和調(diào)節(jié)等一系列過程中均發(fā)揮重要作用,此外它們還參與機(jī)體的多種生理及病理反應(yīng)(Magyari et al.,2014)。IL-2(TCGF),主要由 T細(xì)胞產(chǎn)生,以自分泌和旁分泌方式發(fā)揮效應(yīng)。其重要的作用是誘導(dǎo)T淋巴細(xì)胞增殖和分化(Lu et al.,1994),增強(qiáng) CTL的細(xì)胞毒活性,增強(qiáng)細(xì)胞間的接觸和誘導(dǎo)細(xì)胞分泌細(xì)胞因子(IFN-γ、IL-4、TNF和CSF 等)。

      哺乳動(dòng)物抗菌肽是生物體免疫防衛(wèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的一類對(duì)抗外源性病原體致病作用的防御性陽離子多肽活性物質(zhì),是生物體先天免疫的重要組成成分(Kuzina L V et al.,2006)??咕淖鳛楣逃忻庖叩闹匾肿?,IL-2作為免疫調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因子,二者各自的免疫生物效應(yīng)不同;在體內(nèi)是否具有免疫協(xié)同效應(yīng)?聯(lián)合應(yīng)用能否獲得能產(chǎn)生哪些調(diào)節(jié)效果,目前尚未見研究報(bào)道。

      鑒于目前細(xì)菌耐藥性日益嚴(yán)重,嚴(yán)重威脅人和動(dòng)物的健康;動(dòng)物因病原感染、應(yīng)激等出現(xiàn)的免疫抑制十分普遍,給動(dòng)物疫病的防治帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),目前迫切需要研發(fā)新型安全高效的抗感染制劑,全面增強(qiáng)動(dòng)物的抗感染先天免疫和獲得性細(xì)胞和體液免疫水平,本實(shí)驗(yàn)開展了新型融合抗菌肽基因CAMPS與豬白細(xì)胞介素基因2重組質(zhì)粒構(gòu)建及其共表達(dá)的生物活性及對(duì)小鼠免疫調(diào)節(jié)的研究,為我國動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)替代抗生素和增強(qiáng)免疫抗病力開拓新的途徑、提供新技術(shù)支持。

      1 材料和方法

      1.1 材料

      宿主菌∶E.coliDH5α本實(shí)驗(yàn)室保存。

      載體∶pVAX1,購自Life technologies公司。

      CAMPS:融合抗菌肽基因,由本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建并保存。

      藏豬IL-2重組質(zhì)粒:本實(shí)驗(yàn)克隆保存。

      人胚腎上皮細(xì)胞(HEK 293細(xì)胞)∶由四川大學(xué)國家生物材料工程研究中心王剛老師惠贈(zèng)。

      殼聚糖( CS)∶MW15kD,脫乙酰度95%以上,購自Sigma-Aldrich公司。

      21日齡昆明雌性小鼠:購自成都達(dá)碩生物科技有限公司。

      1.2 共表達(dá)重組質(zhì)粒的構(gòu)建

      利用IN-fusion克隆技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室已構(gòu)建好的CAMPS和IL-2分別進(jìn)行修飾和重組,構(gòu)建出CAMPS-IL2重組片段:IL2+2A+TPA+CAMPS。

      將重組片段連入pVAX1表達(dá)載體,連接后轉(zhuǎn)入大腸桿菌Mach1-T1 Phage Resistant感受態(tài)細(xì)胞,通過PCR篩選陽性克隆并測(cè)序,重組質(zhì)粒記作VAP2。

      1.3 CS-DNA納米顆粒的制備

      用離子交聯(lián)法制備CS-DNA納米顆粒。將CS溶解于pH5.5的醋酸溶液中,制備成濃度為2.4mg/mL的殼聚糖溶液,在55℃水浴磁力攪拌50rpm下過夜,徹底溶解后用濾膜(0.22μm孔徑)無菌操作臺(tái)過濾除菌。然后將其與質(zhì)粒按照質(zhì)量比30∶1的比例,在50~55℃水浴磁力攪拌情況下將質(zhì)粒緩慢滴加至殼聚糖溶液中,混合均勻,恒溫10min,最終得到包裹的納米顆粒。用Zetasizer3000 HS/IHPL納米粒度分析儀測(cè)定其粒徑、分散度及Zeta電位。

      1.4 體外轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞

      將HEK293細(xì)胞置于含10%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基中,在37℃,5%CO2條件下進(jìn)行培養(yǎng),待細(xì)胞密度達(dá)到80%以上。用培養(yǎng)液調(diào)整細(xì)胞數(shù)至3×105個(gè)/mL,然后分配到6孔板中培養(yǎng)24h,至第2天細(xì)胞在孔板上達(dá)到90%左右的匯合度為準(zhǔn)。分別于轉(zhuǎn)錄后的24h、48h以及72h收集細(xì)胞,提取總RNA,通過實(shí)時(shí)PCR檢測(cè)重組真核表達(dá)質(zhì)粒pVAX1、VAP、VAP2的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平。同時(shí)利用轉(zhuǎn)染HEK293后48h的細(xì)胞上清液刺激豬外周血淋巴細(xì)胞,通過CCK8檢測(cè)VAP2、VAP、pVAX1的表達(dá)水平以及表達(dá)產(chǎn)物的生物學(xué)活性。

      1.5 小鼠實(shí)驗(yàn)

      取30只體重位于20~25g左右的4周齡雌性昆明小鼠,隨機(jī)分成3組(標(biāo)記為A,B,C組),每組10只。于0d時(shí)A組小鼠注射含有100μg質(zhì)粒的VAP2/CS納米顆粒,B組小鼠注射同等劑量的VAP/CS納米顆粒,C組小鼠注射PVAX1/CS作為陰性對(duì)照。于 0d,7d,14d,21d,28d 采集各組小鼠尾靜脈血500μL左右,用于體內(nèi)重組質(zhì)粒的生物學(xué)分析。

      1.5.1 免疫小鼠外周血免疫細(xì)胞數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化

      每組各取50μL外周血用于血常規(guī)檢測(cè),分析小鼠外周血中白細(xì)胞、紅細(xì)胞、血小板及血紅蛋白等的變化情況。

      1.5.2 CD4+和CD8+細(xì)胞亞群的檢測(cè)

      取新鮮抗凝小鼠尾靜脈血50μL,加入30μL生理鹽水(白細(xì)胞數(shù)量約為 105~107個(gè));然后吸取 1μLantimouseCD8-PE和 0.4μL antimouse CD4-FITC至 1.5mLEP管中,混勻,孵育20min;在流式細(xì)胞儀專用試管中加入0.2mL10倍裂解液,再加入1.8mL水,將孵育好的血液加入裂解液中,裂解5~10min;400~500g離心5min,棄上清。加入2mLPBS,吹打混勻,懸浮細(xì)胞;400~500g離心 5min,棄上清,留約100μL PBS輕輕吹打混勻,共洗滌1~2次;最后用100μL PBS吹打混勻細(xì)胞待檢測(cè)。

      1.5.3 血清中IgG、IgG1、IgG2a的測(cè)定

      200 μL外周血低速離心后分離血清,用以檢測(cè)體液免疫反應(yīng)。參照ELISA試劑盒說明書進(jìn)行。

      1.5.4 熒光定量檢測(cè)免疫相關(guān)基因表達(dá)水平

      根據(jù)根據(jù)GenBank中報(bào)道的小鼠相關(guān)基因:β-actin,TLR1,TLR4,TLR9,IL-2,IL-4,IL-23,以及IFN-γ基因的cDNA序列,設(shè)計(jì)合成了8對(duì)擴(kuò)增引物。以β-actin作為內(nèi)參基因,利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR(IQ5 Real Time PCR cycler,Bio-Rad)分析上述基因的表達(dá)情況。

      表1 熒光定量PCR設(shè)計(jì)引物

      1.5.5 小鼠體重監(jiān)測(cè)

      每周于固定時(shí)間測(cè)量每只小鼠體重,并做好記錄,用于小鼠生長情況分析。

      1.5.6 攻毒實(shí)驗(yàn)

      免疫接種28d后,3組小鼠隨機(jī)各選5只注射0.2mL OD=1的高耐藥金黃色葡萄球菌液,剩余小鼠則注射同等劑量的大腸桿菌液,飼養(yǎng)1周后觀察各組小鼠發(fā)病率和存活率。

      2 結(jié)果

      2.1 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的鑒定

      經(jīng)質(zhì)粒PCR以及HindⅢ、XbalⅠ酶切鑒定,測(cè)序驗(yàn)證,豬白細(xì)胞介素2與抗菌肽融合基因CAMPS成功構(gòu)建。VAP和VAP2融合基因克隆成功。VAP2 cDNA全長1150bp,編碼341個(gè)氨基酸。

      2.2 包裹納米顆粒的粒徑、分散度和Zeta電位

      通過0.7%瓊脂糖凝膠電泳,發(fā)現(xiàn)樣品凝膠孔中三種納米顆粒被阻滯,孔外未檢測(cè)到質(zhì)粒分子。證明CS已成功包裹所有質(zhì)粒分子形成納米顆粒。Zeta-sizer 3000 HS/IHPL檢測(cè)納米顆粒的粒徑、分散度以及Zeta電位。檢測(cè)結(jié)果表明,所有的納米顆粒大小在250~350nm之間,均帶有正電荷,滿足轉(zhuǎn)染細(xì)胞要求。

      表2 三種納米顆粒的粒徑和表面電位

      2.3 CS/VAP、VAP2納米顆粒的體外生物學(xué)活性

      首先,我們將CS包裹的VAP、VAP2納米顆粒轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞,經(jīng)過24h、48h觀察,細(xì)胞均生長良好,說明此包裹材料具有較低的細(xì)胞毒性,轉(zhuǎn)染成功。隨后通過RT-PCR驗(yàn)證納米顆粒的轉(zhuǎn)染和基因表達(dá)效率。結(jié)果表明,轉(zhuǎn)染VAP和VAP2的HEK293細(xì)胞中提取的總RNA出現(xiàn)了目的條帶,大小約125bp,然而對(duì)照組卻沒出現(xiàn)特征條帶。通過PCR產(chǎn)物與定量分析在轉(zhuǎn)染量達(dá)到最高,因此我們后續(xù)就采用48h上清進(jìn)行淋巴細(xì)胞刺激實(shí)驗(yàn),CCK8檢測(cè)顯示VAP和VAP2上清增殖明顯高于對(duì)照組。

      圖1 淋巴細(xì)胞刺激試驗(yàn)

      2.4 CS/VAP、VAP2納米顆粒的體內(nèi)生物學(xué)活性

      圖2 免疫小鼠血清IgG、IgG1、IgG2a含量的變化

      2.4.1 小鼠體重變化

      注射后0~28d各組小鼠體重均曾上升趨勢(shì)。兩實(shí)驗(yàn)組小鼠生長速度均高于對(duì)照組(P<0.05)。VAP、VAP2兩組小鼠生長并無明顯差異(P>0.05)。

      2.4.2 免疫小鼠血清中IgG、IgG1、IgG2a含量測(cè)定

      如圖2所示,實(shí)驗(yàn)組小鼠血清中IgG、IgG1、IgG2a水平均均明顯高于對(duì)照組(P<0.05)。IgG1與IgG2a的比值較對(duì)照組呈下降趨勢(shì),說明納米顆粒更傾向于誘導(dǎo)小鼠的細(xì)胞免疫。A.IgG含量,B.IgG1含量,C.IgG2a含量,D.IgG1與IgG2a比值

      2.4.3 CD4+和CD8+T淋巴細(xì)胞亞群的檢測(cè)

      如圖3所示,實(shí)驗(yàn)組CD4+和CD8+T淋巴細(xì)胞含量均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),且較對(duì)照組CD4+/CD8+比值均有不同程度的上升,最后趨近于2。說明免疫接種后細(xì)胞調(diào)節(jié)和細(xì)胞免疫機(jī)能顯著提高。

      圖 3 接種小鼠血液中CD4+和CD8+T細(xì)胞的變化

      2.4.4 TLRs基因的表達(dá)情況

      如圖4所示,在接種后7~28d,與對(duì)照組相比較,VAP和VAP2免疫小鼠TLR1,TLR4以及TLR9表達(dá)水平顯著升高(P<0.05),且 VAP2組顯著高于 VAP組(P<0.05)。免疫接種小鼠TLRs基因表達(dá)量的上升說明VAP和VAP2納米顆粒有利于機(jī)體有效識(shí)別感染病原分子,促進(jìn)先天免疫快速應(yīng)答反應(yīng)。

      2.4.5 免疫前后細(xì)胞因子相關(guān)基因的表達(dá)情況

      如圖5所示,在接種后7~28d,與對(duì)照組相比較,VAP、VAP2免疫小鼠IL-2,IL-4,IL-23,IFN-r基因的表達(dá)水平顯著升高,VAP2組顯著高于VAP組(P<0.05)。說明說明VAP、VAP2納米顆粒能夠促進(jìn)免疫細(xì)胞的活化,促進(jìn)多種細(xì)胞因子的表達(dá),且新型抗菌肽基因和白細(xì)胞介素2融合表達(dá)載體的免疫調(diào)節(jié)療效果更為明顯。

      圖4 接種小鼠血液免疫細(xì)胞的 TLRs基因表達(dá)變化

      圖5 接種小鼠血液免疫細(xì)胞中IL-2,IL-4,IL-23和IFN-r基因表達(dá)變化

      2.4.6 小鼠攻毒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      圖 6 小鼠攻毒后存活率

      如圖6所示,用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌攻毒后,注射VAP和VAP2納米顆粒的兩組小鼠均存活且沒有出現(xiàn)細(xì)菌感染所引起的任何損害或癥狀。然而,對(duì)照組呈現(xiàn)了嚴(yán)重的細(xì)菌感染,80%的小鼠死于感染和損傷。對(duì)死亡小鼠進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)有明顯的腸系膜毛細(xì)血管腫大、充血、發(fā)黑,脾臟、肝臟發(fā)黑。取腹腔積液涂平板,革蘭氏染色發(fā)現(xiàn)致死菌是金黃色葡萄球菌以及大腸桿菌。

      3 討論

      白細(xì)胞介素2是白介素家族中重要的一員,主要由TH細(xì)胞和NK細(xì)胞分泌產(chǎn)生。IL-2與其特異性受體相結(jié)合激活下游信號(hào)通路,能夠誘導(dǎo)NK細(xì)胞、單核細(xì)胞的增殖以及CTL的活化。此外,IL-2可刺激遲發(fā)型超敏反應(yīng),介導(dǎo)細(xì)胞免疫反應(yīng)。有研究表明,IL-2作為一種新的免疫佐劑,既能避免常規(guī)佐劑的不良反應(yīng),又能增強(qiáng)病毒、細(xì)菌和寄生蟲疫苗的免疫效果,提高抗體的均勻性,延長疫苗的保護(hù)時(shí)間,減少某些疫苗的副作用(Hossein et al.,2008)。

      抗菌肽具有分子量小、水溶性好、熱穩(wěn)定性好、抗菌譜廣等特點(diǎn)(Kamysz et al.,2005)。 抗菌肽的作用機(jī)制與阻斷大分子生物合成的抗生素完全不同,它是通過作用于細(xì)菌細(xì)胞膜和DNA而導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔,內(nèi)容物漏出,破壞細(xì)胞代謝途徑,并聯(lián)合DNA來抑制細(xì)胞復(fù)制和分裂,具有直接殺菌活性(Lohner K et al.,2005)。此外,抗菌肽具有多種免疫活性,能趨化中性粒細(xì)胞等免疫反應(yīng)細(xì)胞,誘導(dǎo)多種白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子以及生長因子的表達(dá)(Pieter S et al.2016)。

      迄今為止,已發(fā)現(xiàn)豬體內(nèi)有30多種抗菌肽(You-Ting et al.2016),研究表明,它們不僅具有廣譜抗菌活性和免疫調(diào)節(jié)功能,而且對(duì)真核細(xì)胞具有獨(dú)特的作用機(jī)制以及低毒性(Xu et al.2015)。 因此作為一種新的、安全的抗菌免疫調(diào)節(jié)劑,是一種理想的抗生素替代品。

      殼聚糖是一種含有天然生物多糖甲殼素的脫乙酰基衍生物,具有良好的生物相容性(Prodpran et al.2007)。 它可被多種酶降解并且降解產(chǎn)物安全無毒,可被機(jī)體完全吸收(Zamani et al.2007)。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有研究結(jié)果表明,它作為緩釋材料具有不可估量的潛力(Baek et al.2008)。近年來,殼聚糖作為一種非病毒基因載體已被許多研究小組廣泛研究。含有治療基因或siRNA的殼聚糖/脫氧核糖核酸(CS/DNA)微粒被用于體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)染哺乳動(dòng)物細(xì)胞(Mao et al.2010;Techaarpornkul et al.2010;Klausner et al.2010)。經(jīng)過大量研究表明,殼聚糖可以包裹DNA形成小尺寸的納米顆粒,能有效地?cái)y帶基因進(jìn)入靶細(xì)胞(Caifeng et al.2016)。

      本實(shí)驗(yàn)將CAMPS以及豬白細(xì)胞介素2融合用于構(gòu)建CAMPS-2A-IL2(VAP2)。隨后將重組質(zhì)粒用殼聚糖包裹并轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞,同時(shí)利用轉(zhuǎn)染HEK293后48h的細(xì)胞上清液刺激豬外周血淋巴細(xì)胞,進(jìn)行淋巴細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)。接著將納米顆粒注入4周齡昆明小鼠體內(nèi)通過采集尾靜脈血檢測(cè)目的基因的生物學(xué)活性。

      體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照組pVAX1相比較,兩實(shí)驗(yàn)組均能顯著促進(jìn)豬淋巴母細(xì)胞增殖(P<0.05)。流式以及酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明兩實(shí)驗(yàn)組小鼠血清中CD4+,CD8+以及 IgG,IgG1,IgG2a的水平都要明顯高于對(duì)照組(P<0.05),并且兩實(shí)驗(yàn)組相比較,注射VAP2的A組要高于注射VAP的B組(p<0.05),這表明接種VAP2質(zhì)粒的小鼠體液免疫功能有顯著提高。此外,IgG1/IgG2a比值的下降表明接種VAP2質(zhì)粒的小鼠更易誘導(dǎo)細(xì)胞免疫反應(yīng)。

      同樣的,定量結(jié)果表明兩實(shí)驗(yàn)組TLR1,TLR4,TLR9,IL-2,IL-4,IL-23和IFN-r基因的表達(dá)水平要明顯高于對(duì)照組(P<0.05),同時(shí)VAP2組明顯高于VAP組(p<0.05)。這表明VAP以及VAP2重組質(zhì)粒納米顆粒能夠提高小鼠的先天免疫和免疫調(diào)節(jié)水平,增強(qiáng)機(jī)體的防御能力,并且與VAP相比,VAP2更為有效。通過用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌攻毒后發(fā)現(xiàn),注射VAP和VAP2納米顆粒的兩組小鼠均存活且沒有出現(xiàn)細(xì)菌感染所引起的任何損害或癥狀。然而,對(duì)照組出現(xiàn)了嚴(yán)重的細(xì)菌感染,大部分小鼠死于感染和損傷。

      這些研究結(jié)果表明融合抗菌肽基因與白細(xì)胞介素2共表達(dá)可誘導(dǎo)動(dòng)物產(chǎn)生更好的先天性免疫和適應(yīng)性免疫。從而增強(qiáng)機(jī)體對(duì)病原體感染的協(xié)同免疫防御作用,為今后開發(fā)和應(yīng)用新型的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的免疫調(diào)節(jié)劑來控制和預(yù)防動(dòng)物疾病提供了新的思路。

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