卓儒浩 吳嘉敏 許夢慧 陶生祥 孟 闖 鐘 翔,*
(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,南京210095;2.江蘇高校動物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心,揚(yáng)州225009)
豬輪狀病毒(porcine rotavirus,PRV)屬于呼腸孤病毒科輪狀病毒屬,是引起60日齡內(nèi)仔豬急性腸道傳染病的主要病原體[1-2]。PRV感染仔豬可損壞腸道黏膜結(jié)構(gòu)與功能,攪亂正常新陳代謝,引起脫水性腹瀉,抑制仔豬生長,甚至導(dǎo)致高達(dá)100%的死亡率,嚴(yán)重威脅仔豬健康和豬群生產(chǎn)力[3-5]。近年來,PRV感染呈現(xiàn)全球流行趨勢,嚴(yán)重制約養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展,給全球畜牧業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。迄今為止,疫苗接種是防控PRV感染的唯一方法,但病毒的變異重組可降低疫苗的保護(hù)率[6]。因此,在研發(fā)更高效疫苗的基礎(chǔ)上,迫切需要尋求并開發(fā)新型抗病毒藥物抑制PRV感染,從而保障仔豬健康,促進(jìn)畜牧業(yè)平穩(wěn)發(fā)展。
姜黃素是從天然植物姜黃的根莖中提取的一種多酚類化合物,已被大量研究證明具有廣泛且有益的生物學(xué)特性,包括抗氧化、消炎、抗腫瘤、抑菌以及抗病毒等作用[7-8]。近年來,姜黃素被證實(shí)在人類免疫缺陷病毒(HIV)[9]、甲型流感病毒(IAV)[10]、丙型肝炎病毒(HCV)[11]、寨卡病毒(ZIKV)[12]和基孔肯雅病毒(CHIKV)[12]等多種病毒的感染過程中發(fā)揮了重要的抗病毒作用。在機(jī)制上,姜黃素可通過直接靶向病毒關(guān)鍵成分或影響細(xì)胞代謝通路來抑制病毒的吸附或復(fù)制。然而,目前有關(guān)姜黃素對PRV感染的影響尚未見報(bào)道。因此,本研究探討PRV對豬腸上皮細(xì)胞(IPEC-J2)的影響、姜黃素可否緩解PRV感染對細(xì)胞的不利影響以及姜黃素劑量與作用效果的關(guān)系等問題,從而揭示姜黃素在IPEC-J2細(xì)胞中對PRV的抗病毒作用,為今后研發(fā)防控PRV感染的相關(guān)藥物或飼料添加劑提供科學(xué)依據(jù)。
G9P7型PRV毒株NJ2012由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院獸醫(yī)研究所人獸共患病防控研究室李彬研究員惠贈;IPEC-J2細(xì)胞和非洲綠猴腎細(xì)胞(Vero)均由本實(shí)驗(yàn)室保存?zhèn)鞔谩?/p>
細(xì)胞培養(yǎng)24~48 h,長滿至單層貼壁。取適量溶于DMEM/F12中的PRV[感染復(fù)數(shù)(MOI)=0.1],加入胰蛋白酶并使其終濃度為10 μg/mL,37 ℃金屬浴30 min激活PRV。用1×PBS潤洗細(xì)胞2次,棄凈殘液,加入病毒-胰蛋白酶混合液,置于37 ℃和5% CO2條件下吸附1 h,期間每隔20 min搖動細(xì)胞培養(yǎng)瓶或培養(yǎng)板,使病毒均勻吸附。吸附結(jié)束后,再用1×PBS潤洗細(xì)胞1次,棄凈殘液,加入含1 μg/mL胰蛋白酶的適量DMEM/F12作為細(xì)胞維持液,置于37 ℃和5% CO2條件下維持細(xì)胞至出現(xiàn)85%以上細(xì)胞病變效應(yīng)(CPE)。將病變細(xì)胞置于-80 ℃反復(fù)凍融3次,隨后5 000 r/min離心10 min,去除細(xì)胞沉淀,取上清液即為擴(kuò)繁后的病毒。測定并記錄擴(kuò)繁后的病毒滴度,置于-80 ℃保存。
將提取的病毒溶于DMEM/F12中并連續(xù)作10倍梯度稀釋,從10-1稀釋至10-10。將稀釋后的病毒分別接種至96孔板的Vero細(xì)胞中,每一稀釋度接種1列8孔,每孔接種100 μL。設(shè)置2列未接種正常細(xì)胞作為陰性對照。接種病毒后24 h觀察CPE,按照Reed-Muench兩氏法[13]計(jì)算半數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)物感染量(TCID50)作為病毒滴度。計(jì)算方式如下:
病毒滴度(-lg TCID50/mL)=(高于50%的
病變率-50%)/(高于50%的病變率-低于50%的
病變率)×稀釋度對數(shù)差+高于50%病變率的
稀釋度對數(shù)。
按照CCK-8試劑說明書進(jìn)行操作,方法如下:在96孔板中接種1×104個IPEC-J2細(xì)胞,置于37 ℃和5% CO2條件下培養(yǎng)24 h。分別設(shè)置未感染組和感染組,每組4個重復(fù),分別設(shè)置空白孔和對照孔。取PRV(MOI=0.1)感染各組細(xì)胞,感染后用細(xì)胞維持液于37 ℃和5% CO2條件下分別維持細(xì)胞6、12和24 h。向每個孔中加入10 μL CCK-8試劑,置于37 ℃和5% CO2條件下孵育1~4 h,然后使用酶標(biāo)儀測量450 nm處的吸光度。
在6孔板中接種1×106個IPEC-J2細(xì)胞,置于37 ℃和5% CO2條件下培養(yǎng)24~48 h。分別設(shè)置未感染組和感染組,每組3個重復(fù)。取PRV(MOI=0.1)感染細(xì)胞,感染后用細(xì)胞維持液于37 ℃和5% CO2條件下維持細(xì)胞24 h。按照ROS檢測試劑盒說明書進(jìn)行操作,方法如下:按照1∶1 000的比例用DMEM/F12稀釋熒光探針2′,7′-二氯熒光黃雙乙酸鹽(DCFH-DA),使其終濃度為10 μmol/L。收集細(xì)胞后懸浮于稀釋好的DCFH-DA中,37 ℃孵育25 min。每隔3~5 min顛倒混勻一下,使DCFH-DA和細(xì)胞充分接觸。用1×PBS潤洗細(xì)胞3次,以充分去除未進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的DCFH-DA。通過流式細(xì)胞儀檢測裝載DCFH-DA后的各組細(xì)胞內(nèi)ROS的含量。
將姜黃素溶于DMSO中配制成100 mmol/L的貯存液,置于-20 ℃保存。按照CCK-8試劑說明書進(jìn)行操作,方法如下:在96孔板中接種1×104個IPEC-J2細(xì)胞,置于37 ℃和5% CO2條件下培養(yǎng)24 h。將姜黃素用DMSO稀釋至5、10、20、40、60、80、100 μmol/L。將不同濃度的姜黃素加入到96孔板中,每種濃度設(shè)置4個重復(fù),分別設(shè)置含DMSO的對照孔和空白孔。將96孔板置于37 ℃和5% CO2條件下繼續(xù)培養(yǎng)24 h。向每個孔中加入10 μL CCK-8試劑,置于37 ℃和5% CO2條件下孵育1~4 h,然后使用酶標(biāo)儀測量450 nm處的吸光度。
為了探究姜黃素對PRV在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的影響,分別設(shè)置低劑量(5 μmol/L)姜黃素組和高劑量(20 μmol/L)姜黃素組,每組均先添加不同濃度姜黃素預(yù)處理IPEC-J2細(xì)胞24 h,隨后PRV(MOI=0.1)與不同濃度姜黃素共同加入細(xì)胞中,感染后再用含不同濃度姜黃素的細(xì)胞維持液置于37 ℃和5% CO2條件下維持24 h,每組3個重復(fù)。設(shè)置只接種PRV的陽性對照。分別收取細(xì)胞和病毒上清液,檢測各組病毒基因組拷貝數(shù)和病毒滴度。
為了進(jìn)一步探究姜黃素抑制病毒復(fù)制的具體過程,分別在PRV(MOI=0.1)感染的不同時間段添加姜黃素(20 μmol/L)處理IPEC-J2細(xì)胞。分組設(shè)置如下:1)感染前階段(P1):在PRV感染前添加姜黃素預(yù)處理細(xì)胞24 h,1×PBS潤洗后接種PRV,置于37 ℃和5% CO2條件下維持24 h;2)病毒吸附階段(P2):姜黃素和PRV共同加入細(xì)胞中,吸附1 h,1×PBS潤洗后置于37 ℃和5% CO2條件下維持24 h;3)感染后階段(P3):PRV感染細(xì)胞后,用含姜黃素的細(xì)胞維持液在37 ℃和5% CO2條件下維持24 h;4)感染前和后2階段(P4):在PRV感染前添加姜黃素預(yù)處理細(xì)胞24 h,1×PBS潤洗后接種PRV,再用含姜黃素的細(xì)胞維持液在37 ℃和5% CO2條件下維持24 h;5)全階段(P5):感染前、病毒吸附和感染后階段,細(xì)胞培養(yǎng)液和維持液中均含有姜黃素,置于37 ℃和5% CO2條件下維持24 h。每組3個重復(fù)。設(shè)置只接種PRV的陽性對照。觀察各組CPE,分別收取細(xì)胞和病毒上清液,檢測各組病毒基因組拷貝數(shù)和病毒滴度。
將姜黃素(20 μmol/L)與溶于DMEM/F12中的PRV(MOI=0.1)直接混合,37 ℃孵育30 min,然后將混合物接種至IPEC-J2細(xì)胞中。設(shè)置不添加姜黃素的陽性對照。接種后置于37 ℃和5% CO2條件下維持24 h。觀察CPE,分別測定病毒基因組拷貝數(shù)和病毒滴度。
采用熒光定量PCR方法檢測病毒基因組拷貝數(shù)和IPEC-J2細(xì)胞免疫相關(guān)基因的表達(dá)量。按照總RNA提取試劑盒說明書提取細(xì)胞總RNA,測定濃度后取1 μg總RNA作為模板反轉(zhuǎn)錄成cDNA,加入ddH2O對cDNA進(jìn)行5倍稀釋,配制PCR體系。PCR體系如下:2×ChamQ SYBR qPCR Master Mix 5.0 μL,50×ROX Reference Dye I 0.2 μL,上、下游引物(10 μmol/L)各0.2 μL,cDNA 2.0 μL,ddH2O 2.4 μL,共10 μL。PCR反應(yīng)程序如下:95 ℃預(yù)變性30 s,95 ℃變性10 s,60 ℃退火30 s,40個循環(huán)后進(jìn)行熔解曲線分析。以甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)為內(nèi)參基因?qū)颖具M(jìn)行歸一化處理,每個樣本重復(fù)3次。采用2-ΔΔCt法計(jì)算目的基因mRNA相對表達(dá)量。本試驗(yàn)所用引物序列如表1所示。
表1 熒光定量PCR所用引物序列
續(xù)表1基因名稱Gene names引物序列Primer sequences (5'—3')GenBank登錄號GenBank accession number線粒體抗病毒信號蛋白MAVSF:CTACTGCCTCCTCCTCCACTR:CAAATGCTGAGTTGGTGGGCMK302496.1髓樣分化因子88MYD88F:GATGGTAGCGGTTGTCTCTGATR:GATGCTGGGGAACTCTTTCTTCMK302494.1Toll樣受體適配器分子TRIFF:TGACGTCACAGACCAGAAGCR:GGGGAGCTGAAGAAAGGGTCMK302497.1干擾素誘導(dǎo)蛋白44樣蛋白抗體 IFI44LF:GGCCCTATGCAGACTTGGTTR:CTATGGCCTGGCGAGTCAAAXM_021096421.1干擾素-βIFN-βF:CTTCGAGGTCCCTGAGGAGAR:TGACGGTTTCATTCCAGCCANM_001003923.1
利用SPSS 20軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素ANOVA分析和Student-t檢驗(yàn),分析各組數(shù)據(jù)之間是否具有顯著性差異。利用GraphPad(Prism 8.0)軟件對統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行圖表繪制。其中,P<0.05表示差異顯著并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;P<0.01表示差異極顯著并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
在PRV感染IPEC-J2細(xì)胞后,分別于感染后6、12和24 h利用倒置光學(xué)顯微鏡觀察CPE。結(jié)果顯示,與對照組未感染細(xì)胞相比,PRV感染后6 h細(xì)胞開始出現(xiàn)皺縮變圓,12 h出現(xiàn)聚集拉網(wǎng)并部分脫落死亡,24 h完全病變,表現(xiàn)為細(xì)胞膜融合,細(xì)胞核固縮并空泡化,同時細(xì)胞大量脫落死亡,成碎片狀漂浮于維持液中,結(jié)果如圖1所示。收取病變細(xì)胞檢測感染后病毒基因組復(fù)制水平,發(fā)現(xiàn)PRVNSP5基因拷貝數(shù)顯著升高(P<0.05),并具有時間依賴性,結(jié)果如圖2所示。通過CCK-8法對PRV感染后不同時間的細(xì)胞活力進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞存活率在病毒感染后顯著降低(P<0.05),并具有時間依賴性,結(jié)果如圖3所示。
在PRV感染IPEC-J2細(xì)胞后24 h收取病變細(xì)胞,利用流式細(xì)胞術(shù)檢測細(xì)胞內(nèi)ROS含量。結(jié)果顯示,與正常未感染細(xì)胞相比,PRV感染后細(xì)胞內(nèi)ROS含量極顯著升高(P<0.01),結(jié)果如圖4所示。
A:正常未感染;B:感染后6 h;C:感染后12 h;D:感染后24 h。
將不同濃度的姜黃素處理IPEC-J2細(xì)胞24 h,通過CCK-8法檢測不同濃度的姜黃素對細(xì)胞活力的影響。結(jié)果表明,0~20 μmol/L的姜黃素對IPEC-J2細(xì)胞的增殖沒有明顯影響,結(jié)果如圖5所示。因此,本研究選擇5和20 μmol/L作為工作濃度進(jìn)行后續(xù)姜黃素相關(guān)試驗(yàn)。
將不同濃度的姜黃素與PRV共同加入IPEC-J2細(xì)胞中,均于感染后24 h檢測病毒基因組拷貝數(shù)和病毒滴度。結(jié)果表明,姜黃素顯著抑制了PRV基因組復(fù)制,顯著降低了病毒滴度(P<0.05),抑制了病毒在細(xì)胞內(nèi)的增殖,并且抑制作用在20 μmol/L時最顯著,結(jié)果如圖6和圖7所示。
ND表示未檢出;數(shù)據(jù)柱標(biāo)注不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3、圖6、圖7、圖9、圖10、圖13同。
為了探究姜黃素在PRV感染過程中具體發(fā)揮作用的階段,本研究設(shè)置了5個不同階段的處理方式,均于感染后24 h觀察CPE并檢測病毒基因組拷貝數(shù)和病毒滴度。結(jié)果顯示,在感染前階段添加姜黃素預(yù)處理和病毒吸附階段添加姜黃素均能在一定程度上抑制PRV感染,維持細(xì)胞形態(tài),并顯著降低病毒滴度,尤其是在吸附階段抑制作用最為顯著,而在感染后病毒復(fù)制階段添加姜黃素對PRV復(fù)制無明顯影響,結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。
圖3 PRV感染后IPEC-J2細(xì)胞活力
NC:正常未感染;PRV:感染后24 h;**表示差異極顯著(P<0.01)。圖12同。
圖5 姜黃素對IPEC-J2細(xì)胞活力的影響
PC:陽性對照。
圖7 姜黃素抑制PRV增殖呈劑量依賴性
為了進(jìn)一步明確姜黃素對PRV感染性的影響,將姜黃素與PRV在37 ℃條件下孵育30 min,然后感染IPEC-J2細(xì)胞。結(jié)果顯示,與僅接種PRV的陽性對照相比,姜黃素處理后PRV的復(fù)制沒有受到明顯影響,但病毒滴度顯著下降(P<0.05),提示姜黃素在一定程度上能直接影響病毒的感染性,結(jié)果如圖11和圖12所示。
PC:陽性對照;P1:感染前階段;P2:病毒吸附階段;P3:感染后階段;P4:感染前和后2階段;P5:全階段。圖9和圖10同。
圖9 不同階段添加姜黃素對PRV基因組復(fù)制的影響
圖10 不同階段添加姜黃素對PRV滴度的影響
PC:陽性對照;CUR:姜黃素處理。圖12同。
本研究通過熒光定量PCR檢測了添加姜黃素對感染PRV后IPEC-J2細(xì)胞內(nèi)免疫相關(guān)因子表達(dá)的影響。結(jié)果表明,與正常未感染細(xì)胞相比,感染PRV后細(xì)胞內(nèi)模式識別受體黑色素瘤分化相關(guān)基因5(MDA5)、干擾素誘導(dǎo)因子干擾素誘導(dǎo)蛋白44樣蛋白抗體(IFI44L)和干擾素-β(IFN-β)的mRNA相對表達(dá)量顯著升高(P<0.05),但細(xì)胞內(nèi)干擾素調(diào)節(jié)因子Toll樣受體適配器分子1(TRIF)、抗病毒因子線粒體抗病毒信號蛋白(MAVS)和炎癥因子髓樣分化因子88(MYD88)的mRNA相對表達(dá)量顯著降低(P<0.05)。與此相反的是,添加姜黃素后這些因PRV感染導(dǎo)致顯著上調(diào)或下調(diào)的免疫相關(guān)因子的mRNA表達(dá)水平得到了顯著恢復(fù),結(jié)果如圖13所示。該研究結(jié)果表明,PRV感染后,宿主通過識別病毒基因組激活干擾素信號通路抵抗病毒入侵,而姜黃素在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮了抗病毒作用,緩解了因病毒感染導(dǎo)致的宿主免疫與炎癥相關(guān)因子表達(dá)的失調(diào)。
圖12 姜黃素直接影響PRV的感染性
PRV感染導(dǎo)致的仔豬病毒性腹瀉已成為阻礙全球養(yǎng)豬業(yè)健康發(fā)展的主要因素之一。研究表明,空腸和回腸的上皮細(xì)胞胞漿是PRV的主要感染和復(fù)制場所,可導(dǎo)致細(xì)胞變性死亡、腸絨毛萎縮和變短、阻礙水分吸收及電解質(zhì)功能障礙等病理變化,從而造成仔豬脫水性死亡[14]。本研究發(fā)現(xiàn)PRV感染后顯著破壞IPEC-J2細(xì)胞形態(tài),進(jìn)一步抑制了細(xì)胞的增殖,導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡。同時,隨著感染后時間的增加,PRVNSP5基因組拷貝數(shù)顯著升高,證實(shí)病毒在細(xì)胞內(nèi)大量復(fù)制。此外,病毒感染誘導(dǎo)的宿主氧化應(yīng)激已在HIV[15]、IAV[16]、乙型肝炎病毒(HBV)[17]、HCV[18]和呼吸道合胞體病毒(RSV)[19]等的研究中被報(bào)道。類似的,本研究發(fā)現(xiàn)PRV感染可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS含量顯著升高,而過量的ROS已被證實(shí)是細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的誘因之一[20],因此我們推測PRV感染通過上調(diào)ROS含量誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激,進(jìn)一步導(dǎo)致了細(xì)胞的裂解死亡,提示ROS可能參與病毒復(fù)制與細(xì)胞反應(yīng),從而促進(jìn)病毒的感染。
NC:正常未感染;PC:陽性對照;CUR:姜黃素處理。
既往研究表明,源自植物的天然化合物可成為新型抗病毒藥物研發(fā)的重要來源[8]。值得注意的是,作為源自姜科植物姜黃的一種天然化合物,姜黃素近年來被廣泛報(bào)道具有抵御不同病毒科的病毒感染的強(qiáng)大抗病毒作用。大量研究證實(shí)姜黃素能影響病毒整合酶、蛋白酶和反式轉(zhuǎn)錄激活因子蛋白等多種病毒蛋白的功能,從而抑制HIV的復(fù)制[21-23]。Dutta等[24]研究指出姜黃素通過失調(diào)的泛素蛋白酶體系統(tǒng)和泛素化蛋白的積累抑制乙型腦炎病毒的復(fù)制。有趣的是,姜黃素被發(fā)現(xiàn)可通過抑制囊膜病毒與細(xì)胞表面的吸附從而抑制ZIKV、HCV和CHIKV的復(fù)制[11-12]。本研究結(jié)果表明,姜黃素能夠抑制PRV在IPEC-J2細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制與增殖,并具有劑量依賴性。通過分析姜黃素對病毒生命周期的影響,本研究發(fā)現(xiàn)姜黃素主要在PRV吸附和穿透細(xì)胞階段發(fā)揮抑制作用,但并未影響感染后期病毒的復(fù)制,這與最近報(bào)道的姜黃素對豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV)[25]和馬立克氏病病毒(MDV)[26]的抑制作用類似,提示姜黃素或許可以作為一種預(yù)防初始感染的有效手段,但對控制已發(fā)生的感染無效。此外,Du等[27]研究報(bào)道姜黃素與豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)直接孵育后可防止Marc-145細(xì)胞被感染,而本研究結(jié)果表明姜黃素與PRV直接孵育也具有一定的抗感染效果。
越來越多的證據(jù)顯示姜黃素通過調(diào)控宿主的抗病毒信號通路及免疫相關(guān)因子發(fā)揮抗病毒作用。馮春等[26]研究顯示姜黃素顯著影響了感染MDV后細(xì)胞內(nèi)IFN-β、ISG12-2、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)等免疫和炎癥因子的mRNA表達(dá)。本研究結(jié)果表明,PRV感染后刺激了細(xì)胞內(nèi)MDA5、IFI44L和IFN-β的mRNA高度表達(dá),同時抑制了部分抗病毒和炎癥因子的mRNA表達(dá),但姜黃素能顯著緩解上述因子表達(dá)的失調(diào),提示姜黃素可能通過影響MDA5-IFN信號通路的激活在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮了特定的抗病毒作用,在一定程度上抵御了病毒對細(xì)胞的侵襲。然而,鑒于PRV的感染及傳播機(jī)制尚不明晰,因此姜黃素在病毒與宿主細(xì)胞的互作中發(fā)揮作用的具體機(jī)制還有待今后進(jìn)一步研究。
本研究結(jié)果表明,PRV感染導(dǎo)致豬腸上皮細(xì)胞出現(xiàn)明顯病變,誘導(dǎo)細(xì)胞ROS含量升高并造成細(xì)胞大量死亡,首次證實(shí)姜黃素具有顯著抑制PRV感染豬腸上皮細(xì)胞的抗病毒作用,顯著緩解了PRV感染對豬腸上皮細(xì)胞活力和免疫相關(guān)因子的不利影響,有望開發(fā)成新型抗病毒藥物或新型飼料添加劑,為我國養(yǎng)豬生產(chǎn)提供重要的保障。