成都生物所在黑斑蛙歪頭病病理機制研究方面獲進展

文章来源:成都生物所 发表时间:2020-07-28

  近二十年来,随着蛙类人工养殖业的兴盛,一种传染性蛙类疾病在养殖场中频繁爆发。病蛙表现出歪头、运动平衡丧失、眼部晶状体混浊或充血、畏光、身体水肿等症状,继而发生爆发性地死亡。这种传染性疾病俗称为蛙“脑膜炎”、“白内障”或“歪头病”。从九十年代开始,歪头病的爆发从福建、海南等沿海地区逐渐向内陆地区扩散,受危害的养殖蛙类包括牛蛙(Lithobates catebianus)、虎纹蛙(Hoplobatrachus chinensis)、黑斑蛙(Pelophylax nigromaculatus)、棘胸蛙(Quasaipaa spinosa)和棘腹蛙(Quasipaa boulengeri)等重要的经济物种,在对养殖户造成巨大经济损失的同时,也带来新的食品安全问题。 

  已有的研究表明,蛙类歪头病的致病因子为细菌,目前已经从各类病蛙中鉴定出十几株病原菌,包括:米尔伊丽莎白菌(Elizabethkingia miricola)、脑膜脓毒性伊丽莎白菌(E. meningoseptica)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)、醋酸钙不动杆菌(Acinetohacter calcoaceticus)等,并以伊丽莎白菌属最为常见。这些菌株多为多重耐药菌,其中一些菌株(如米尔伊丽莎白菌)与人类临床分离株(可引起新生儿脑膜炎)具有较高的亲缘关系。当前,虽然对于歪头病致病因子的鉴定工作取得了一定进展,但其病理机制却极少有研究,且我们对于健康蛙类所携带的本底病原菌的丰度及其潜在感染途径等均不了解,这些研究的空缺使得养殖蛙类歪头病的防治工作遲遲無法取得進展。 

  爲此,中國科學院成都生物研究所江建平研究團隊的朱未、常利明和趙春霖調查了四川境內養殖黑斑蛙(俗稱青蛙)的歪頭病爆發情況。發現疾病爆發的蛙場內至少存在兩種類型的病蛙:其中一種僅表現出歪頭的症狀,其運動平衡喪失,大量溺死;另一種同時表現出歪頭、白內障和浮腫等症狀,繼而于陰暗處病死(圖1)。通過比較無症狀個體、歪頭個體和“歪頭+白內障”個體的腦、眼球和消化道菌群發現,米爾伊麗莎白菌是這些病蛙的致病因子,其在兩種病蛙的腦中均具有很高的豐度,而僅在“歪頭+白內障”個體的眼球中具有高豐度。所有個體的消化道菌群中米爾伊麗莎白菌的豐度極低,說明其從消化道感染黑斑蛙的可能性較低。值得注意的是,多種其他類型的歪頭病致病菌亦存在于養殖黑斑蛙的體表或腸道中,雖然其不是此次疾病爆發的致病因子,但是卻有引起歪頭病爆發的潛在可能。 

   

  图1 不同症状的病蛙和微生物组成分析

  组织病理学分析发现,歪头个体表现出明显的脑膜血管充血,而“歪头+白内障”个体还额外表现出明显的软脑膜淋巴细胞渗透以及中枢神经系统损伤;两种病蛙均出现肝脏脂肪储备降低的现象。病蛙与无症状个体的主要基因表达差异存在于脑组织中,且这些差异基因主参与免疫反应,病蛙表现出免疫识别(NOD-like receptor signaling pathway and Toll-like receptor signaling pathway)、发炎反应(TNF signaling pathway and Cytokine-cytokine interaction)和适应性免疫应答(B cell receptor signaling pathway)的全面激活。两类病蛙的基因表达在脑组织和肝脏中存在明显差异。在脑组织中,“歪头+白内障”个体表现出强烈的天然免疫和炎症应答,且急性期蛋白的转录水平显著升高;在肝脏中,“歪头+白内障”个体同样表现出更显著的急性期蛋白表达上调和能量代谢基因下调。这些结果共同提示两种病蛙处于脑部感染的不同病理阶段。结合人细菌性脑膜炎的病程,我们推测歪头个体处于软脑膜侵入和感染的早期,还未引发脑膜炎;由于未发现歪头个体的肌肉存在明显的病理和基因转录变化,因此我们推测歪头症状和运动失衡可能是源于神经系统感染。而在“歪头+白内障”个体中,感染已经引起脑膜炎,其所伴随的系统性发炎可导致“血眼屏障”的突破(眼部感染)和组织水肿,进而解释了为何“白内障”症状的出现可以预测脑膜炎的发生(图2)。 

   

  图2 典型症状的病理机制

  基于這些結果,我們爲歪頭病的預防提出以下幾點建議: 

  1.出現歪頭症狀時病原菌已入侵腦膜,抗生素治療所導致的細菌裂解可能促進炎症反應,加速病蛙的死亡,因此該疾病應以預防爲主; 

  2.由于多種致病菌被黑斑蛙正常攜帶,監測黑斑蛙體表及養殖環境的微生物組成和豐度或可預測歪頭病暴發的風險; 

  3.有研究表明兩棲動物在暴露于某些滅活的病原物之後仍可獲得免疫記憶,而伊麗莎白菌感染可激活黑斑蛙的適應性免疫,我們或可嘗試使用滅活病原菌暴露的方式提前激活黑斑蛙對該病原菌的的免疫能力。 

  该研究得到了中国科学院战略先导研究项目(XDA19050201), 国家自然科学基金项目(31900327), 中国科学院西部之光人才培养项目(2016XBZG_XBQNXZ_B_008), 以及四川省科技厅基础条件平台建设项目(2019JDPT0020)的支助。近日,这项工作以常利明为第一作者,题为 “Microbiomic and transcriptomic insight into the pathogenesis of meningitis-like disease in cultured Pelophylax nigromaculatus”发表于水产领域经典期刊Aquaculture。

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