2022年澳大利亚疫情中日本脑炎病毒基因4型分离株的致病特征与疫苗交叉中和评估
Wilson Nguyen, Narayan Gyawali, Romal Stewart, Bing Tang, Abigail L. Cox, Kexin Yan, Thibaut Larcher, Cameron R. Bishop, Nicholas Wood, Gregor J. Devine, Andreas Suhrbier, Daniel J. Rawle | npj Viruses 2024 | 10.1038/s44298-024-00025-5
标签: #日本脑炎病毒 #基因4型 #脑类器官 #动物模型 #疫苗中和
一、做什么 🔬
研究背景：日本脑炎病毒（JEV）是亚洲病毒性脑炎的首要病因，传统流行株为基因1型和3型。2022年澳大利亚爆发由罕见基因4型（G4）引发的疫情，造成44例确诊与7例死亡。现有疫苗（IMOJEV）基于G3型抗原设计，其对G4型毒株的交叉保护效力未知。同时，缺乏针对G4型毒株的成年小鼠神经侵袭模型，限制了致病机制解析与干预手段开发。
核心问题：
- 能否建立适用于G4型JEV成年小鼠的致死性神经侵袭模型？
- G4型分离株（JEVNSW/22）的神经侵袭性与致病力相较于历史流行株（G2/G3）有何差异？
- 现有IMOJEV疫苗诱导的人血清抗体能否有效中和新发G4型毒株？
研究模型：三种小鼠品系（C57BL/6J、Irf7−/−、Ifnar−/−）、人皮层脑类器官（hBOs）、接种IMOJEV疫苗的人血清队列。
技术路线：
- 小鼠感染动力学监测：皮下接种不同剂量JEV分离株，连续记录存活率、体重变化与血液/脑组织病毒载量。
- 脑组织病理与免疫组化：H&E染色结合4G4（NS1）、ApopTag（凋亡）、GFAP（星形胶质细胞）、Iba1（小胶质细胞）标记，量化脑部病变。
- 脑类器官感染与形态分析：CelVivo Clinostar系统培养hBOs，感染后测定病毒滴度动力学与类器官周长变化。
- 血清交叉中和试验：PRNT50法检测疫苗接种后28天至1年的人血清对不同基因型毒株的中和滴度。
二、发现什么 📊
核心发现1：G4型毒株在野生型小鼠中致病力显著弱于G2/G3型历史株
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将C57BL/6J小鼠分为三组，分别皮下接种等量JEVNSW/22（G4）、JEVFU（G2）与JEVNakayama（G3），每日记录体重与存活状态，设定>8%体重丢失为安乐死阈值。 |
| 发现什么 | JEVNSW/22组小鼠存活率显著高于G2/G3组；体重丢失<8%的个体在感染后期完全恢复，未出现致死性神经症状。 |
| 说明什么 | G4型毒株在免疫完整成年小鼠中神经侵袭能力较弱，推翻了“新发毒株必然高致病”的假设，提示宿主先天免疫（尤其I型干扰素）对G4株具有更强压制作用。 |
核心发现2：G4型感染引发明确的神经元靶向损伤与胶质细胞活化
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对安乐死小鼠脑切片进行4G4（病毒NS1）、ApopTag（细胞凋亡）、GFAP（反应性星形胶质细胞）与Iba1（小胶质细胞）免疫组化染色，结合高倍镜形态学分析。 |
| 发现什么 | 病毒抗原特异性定位于皮层与海马神经元胞体及突起；齿状回可见密集凋亡信号；GFAP与Iba1转录水平分别上调5.4倍（log2FC 2.4）与5.5倍（log2FC 2.5）。 |
| 说明什么 | 证实G4型毒株具备明确的嗜神经元特性，感染直接触发神经元凋亡与强烈的神经炎症微环境，病理特征与人类JEV脑炎尸检结果高度一致。 |
核心发现3：Irf7−/−小鼠成功复现G4型毒株的致死性神经侵袭
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 使用I型干扰素调节因子7敲除（Irf7−/−）小鼠感染JEVNSW/22，同步监测血液病毒载量、脑组织滴度与临床评分，与C57BL/6J组平行对照。 |
| 发现什么 | Irf7−/−小鼠血液病毒载量峰值较野生型显著升高；所有感染个体均突破血脑屏障，脑内病毒滴度达致死阈值，中位存活期≤10天。 |
| 说明什么 | Irf7通路缺失解除对G4株的先天免疫限制，该品系填补了G4型JEV成年致死性神经侵袭模型的空白，为抗病毒药物体内评价提供标准化平台。 |
核心发现4：Ifnar−/−小鼠呈现致死性病毒血症但无神经侵袭
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 感染I型干扰素受体敲除（Ifnar−/−）小鼠，第3天强制安乐死，采集血液与脑组织进行病毒滴度测定与NS1免疫组化定位。 |
| 发现什么 | 感染后第3天存活率降至0%；血液病毒载量极高；脑组织切片中NS1信号仅见于血管壁，神经元与胶质细胞均呈阴性。 |
| 说明什么 | 证明I型干扰素信号是阻止JEV突破血脑屏障的核心防线；该模型适用于研究致死性病毒血症机制，但不适用于神经侵袭或脑炎病理研究。 |
核心发现5：脑组织病理损伤程度与病毒载量及免疫细胞浸润正相关
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对感染小鼠脑组织进行H&E染色，按标准评分系统量化神经元变性、空泡化、血管周围套袖样浸润与微胶质增生；计算核质比评估白细胞浸润密度。 |
| 发现什么 | 达到安乐死标准的C57BL/6J与Irf7−/−小鼠脑切片均呈现广泛神经元空泡化与血管周围套袖样病变；核质比显著升高，证实大量外周白细胞浸润。 |
| 说明什么 | 明确JEV脑炎的组织学损伤由病毒直接复制与宿主过度炎症反应共同驱动；存活小鼠在感染后21-32天仍残留局灶性病变，解释人类康复后遗留神经后遗症的病理基础。 |
核心发现6：人脑类器官支持G4型毒株复制但细胞病变效应较弱
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在CelVivo Clinostar系统中培养30天龄人皮层脑类器官，接种10^5 CCID50各型JEV，于4天与11天测定上清病毒滴度，并连续测量类器官周长变化。 |
| 发现什么 | 96小时JEVNSW/22滴度显著低于JEVNakayama（p<0.001）；11天时感染组类器官周长缩小5%~15%，仅JEVNSW/22组接近统计学显著性；IMOJEV与YFV 17D感染组仅见稀疏抗原染色。 |
| 说明什么 | 人脑类器官可真实反映G4株在人类神经元中的复制动力学与细胞毒性；较低的细胞病变效应与小鼠模型中较弱的致病力相互印证，验证hBOs作为跨物种致病力评估工具的可靠性。 |
三、说明什么 💡
领域意义：该研究确立了Irf7−/−小鼠作为G4型JEV致死性神经侵袭的标准模型，纠正了“G4株必然高致病”的早期担忧。研究证实G4株对I型干扰素高度敏感，解释了其在免疫完整宿主中致病力较弱的机制。同时，通过人脑类器官与小鼠模型的交叉验证，明确了JEV神经侵袭的保守病理特征，为黄病毒科神经嗜性研究提供了可复现的体外-体内双轨评价体系。
临床/转化价值：
- IMOJEV疫苗诱导的抗体可交叉中和G4株，但中和滴度随包膜蛋白序列差异（同源性93.4%）而下降，提示现有疫苗对G4株提供基础保护但非最优，需评估加强针策略。
- Irf7−/−小鼠模型可直接用于G4株特异性抗病毒药物与单克隆抗体的体内药效评价。
- 人脑类器官感染平台可替代部分颅内注射实验，用于高通量筛选穿透血脑屏障的神经保护剂。
与我们产品的关联：论文实际使用CelVivo Clinostar系统培养人脑类器官，验证了动态微环境对类器官成熟度与感染敏感性的关键作用。后续若开展抗病毒药物筛选或电生理网络损伤评估，3Brain HD-MEA可实时量化感染导致的神经元放电异常，替代终点法形态学观察。Cellink BIO X可用于构建标准化脑类器官阵列，提升批次间一致性。SIEVEWELL适用于中和抗体与抗病毒化合物的高通量PRNT50筛选。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Celvivo | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文实际使用CelVivo Clinostar培养hBOs，提供动态灌注与气体交换，维持类器官长期存活与感染敏感性 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐ | 可实时记录JEV感染后人脑类器官的电生理网络损伤，替代传统终点法，量化神经元功能衰退动力学 |
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐ | 可用于生物打印标准化脑类器官阵列，提升感染模型批次一致性，适配高通量抗病毒药筛 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 适用于PRNT50中和试验与抗病毒化合物的高通量筛选，提升血清学评价与药物初筛通量 |
参考文献
- Nguyen W, Gyawali N, Stewart R, Tang B, Cox AL, Yan K, Larcher T, Bishop CR, Wood N, Devine GJ, Suhrbier A, Rawle DJ. Characterisation of a Japanese Encephalitis virus genotype 4 isolate from the 2022 Australian outbreak. npj Viruses. 2024. 10.1038/s44298-024-00025-5
- Solomon T, Ni H, Beasley DW, Ekkelenkamp M, Cardosa MJ, Barrett AD. Origin and evolution of Japanese encephalitis virus in southeast Asia. J Virol. 2003. 10.1128/jvi.77.5.3091-3098.2003
- Mackenzie JS, Johansen CA, Ritchie SA, van den Hurk AF, Hall RA. Japanese encephalitis virus: clinical manifestations and outcome. Lancet Neurol. 2004. 10.1016/S1474-4422(04)00730-2
- van den Hurk AF, Ritchie SA, Mackenzie JS. Ecology and geographical expansion of Japanese encephalitis virus. Annu Rev Entomol. 2009. 10.1146/annurev.ento.54.110807.090510
- Rawle DJ, Nguyen W, Gyawali N, et al. Human cortical brain organoids model flavivirus neurotropism and cytopathogenesis. Cell Rep. 2023. 10.1016/j.celrep.2023.112541
转发语：2022澳洲JEV G4型毒株致病力弱于历史株，Irf7-/-小鼠模型成功复现致死性神经侵袭；现有疫苗可交叉中和但滴度随包膜差异下降。脑类器官+新型小鼠模型为抗病毒药筛提供新平台。
联系人：李东伟
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