2021年2月
第31卷㊀第2期
中国比较医学杂志
CHINESE JOURNAL OF COMPARATIVE MEDICINE
February,2021Vol.31㊀No.2
周小青，唐成程，邹庆剑.SARS-CoV-2易感实验动物研究进展[J].中国比较医学杂志,2021,31(2):128-134.Zhou XQ,Tang CC,Zou QJ.Research progress of SARS-CoV-2-susceptible laboratory animals [J].Chin J Comp Med,2021,31(2):128-134. doi:10.3969/j.issn.1671-7856.2021.02.020
[作者简介]周小青(1988 )，女，博士，讲师，研究方向：大动物模型和基因㊂E-mail:wyuchemzxq@126 [通信作者]邹庆剑(1982 )，男，博士，副教授，研究方向：大动物模型与干细胞㊂E-mail:wyuchemzqj@126
SARS-CoV-2易感实验动物研究进展
周小青1,2，唐成程1,2，邹庆剑1,2∗
(1.五邑大学生物科技与大健康学院，广东江门㊀529020;2.江门市大健康国际创新研究院，广东江门㊀529000)
㊀㊀ʌ摘要ɔ㊀由SARS-CoV-2导致的COVID -19从2020年开始在全球蔓延，虽然各国采取了广泛措施以应对疫
情，仍然造成了全球大流行，引发了严重的国际公共卫生问题㊂目前虽然SARS-CoV-2病毒的源头和中间宿主尚不清楚，但是在动物模型的基础上，我国的新冠疫苗研发处于世界领先地位，获得了多种有效疫苗㊂合适的实验动物对SARS-CoV-2和COVID -19的基础研究和药物研发都具有重要意义，本文就疫情爆发以来各种SARS-CoV-2易感实验动物的感染情况和病理特征进行归纳总结，分析了不同实验动物的应用范围，为选择合适的易感实验动物以开发COVID -19疫苗和药物提供一定的参考依据㊂ ʌ关键词ɔ㊀SARS-CoV-2;COVID -19；易感实验动物
ʌ中图分类号ɔR -33㊀㊀ʌ文献标识码ɔA㊀㊀ʌ文章编号ɔ1671-7856(2021)02-0128-07
Research progress of SARS-CoV-2-susceptible laboratory animals
ZHOU Xiaoqing 1,2,TANG Chengcheng 1,2,ZOU Qingjian 1,2∗
(1.School of Biotechnology and Health Science,Wuyi University,Jiangmen 529020,China.
2.International Healthcare Innovation Institute,Jiangmen 529000)㊀㊀ʌAbstract ɔ㊀COVID -19(Coronavirus disease 2019)caused by SARS-CoV-2(severe acute respiratory syndrome-coronavirus 2)began to spread globally in 2020.Although all countries took extensive measures to fight the epidemic,it still caused a global pandemic and posed serious international public health concerns.At present,the source and intermediate host of SARS-CoV-2are not yet known,but vaccine research and development in our country are in a leading position globally,and a variety of effective vaccines have been obtained.Appropriate experimental animal models are of great significance to basic research and drug development for SARS-CoV-2and COVID -19.This article summarized the
infection and pathological characteristics of various SARS-CoV-2-susceptible animal models developed since the outbreak of the epidemic and analyzed the potential applications of different experimental animals.It aimed to provide a reference for selecting appropriate experimental animals for the development of novel COVID -19vaccines and drugs.
ʌKeywords ɔ㊀SARS-CoV-2;COVID-19;susceptible laboratory animal
㊀㊀由新型冠状病毒SARS-CoV-2导致的新冠肺炎(COVID -19)目前正在全球蔓延，波及范围达全球
200多个国家和地区㊂截止2020年12月25日，全
球累计确诊7977多万例，死亡人数超174万例㊂疫情爆发后，全世界的科学家们快速报道了一系列针对SARS-CoV-2和COVID -19的研究，包括SARS-
CoV-2病毒基因组序列[1-2],COVID-19临床症状[3-4]，动物模型[5]，方案[6]和疫苗研发[7]等㊂我们与SARS-CoV-2病毒的战斗还在继续，其源头和宿主㊁传播途径㊁致病机理和危害性等一系列复杂问题还有待进一步的深入研究，更为重要的是相应药物以及抗体和疫苗的开发㊂虽然目前全世界范围内正在进行多项临床试验，但是与此同时，开展有关SARS-CoV-2和COVID-19的基础研究也至关重要㊂对不同的模式生物体进行临床前研究，可以帮助人们更好地了解SARS-CoV-2病毒并测试药物的安全性和有效性㊂有效的新冠肺炎动物模型，不仅能帮助我们了解新冠肺炎的发病机制和病理特征，同时也有助于针对新冠肺炎的药物及疫苗的研发㊂本文就疫情爆发以来各种SARS-CoV-2易感实验动物的感染情况和病理特征进行归纳总结，分析了不同实验动物的应用范围，为选择合适的易感实验动物以开发COVID-19疫苗和药物提供一定的参考依据㊂
各个物种根据对SARS-CoV-2的敏感性，可分为易感实验动物和不易感实验动物㊂目前已经确定的易感实验动物有hACE2人源化小鼠，仓鼠，雪貂，猫和非人灵长类等，不易感的实验动物有野生型小鼠， 兔子，猪，犬等㊂
1㊀小鼠
小鼠作为经典的模式生物，一直是临床前研究的首选实验动物㊂不过前期研究表明，野生型小鼠(C57BL/6或BALA/c等)对SARS-CoV-2不易感，而对SARS病毒(SARS-CoV)易感的hACE2遗传修饰人源化小鼠在感染SARS-CoV-2后，表现出不同程度的新冠肺炎临床症状[8-18]㊂目前使用的hACE2遗传修饰人源化小鼠主要有以下几种:
1.1㊀hACE2转基因小鼠
Bao等[14]构建了由小鼠ACE2(mACE2)启动子启动表达人ACE2(hACE2)基因的表达载体，然后通过显微注射的方法获得了hACE2转基因小鼠㊂将SARS-CoV-2病毒接种到hACE2转基因小鼠后，可观察到小鼠明显的体重下降以及间质性肺炎，可见巨噬细胞聚集在肺泡腔内，且大量巨噬细胞和淋巴细胞浸润肺泡间质㊂检测接种了SARS-CoV-2病毒小鼠的多个组织器官，发现小鼠的肺部有高水平的病毒载量，且支气管上皮细胞㊁巨噬细胞和肺泡上皮中均可观察到病毒抗原㊂1.2㊀hACE2基因敲入小鼠
Sun等[15]利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，在野生型小鼠中敲入人的ACE2基因，制备了表达人ACE2的基因敲入小鼠㊂与野生型C57BL/6小鼠相比，幼龄和老龄的hACE2敲入小鼠在鼻内感染SARS-
CoV-2后，肺㊁气管和大脑中均保持高病毒载量㊂虽然未观察到死亡病例，但在感染SARS-CoV-2的hACE2敲入小鼠中可观察到间质性肺炎和细胞因子升高㊂
1.3㊀非转基因小鼠
Sun等[16]利用鼻吸的方法将腺病毒介导的Ad5 -hACE2转导至野生型小鼠(C57BL/6或BALA/c 小鼠)和相关基因敲除小鼠(I型干扰素受体缺陷小鼠或干扰素通路关键基因STAT1敲除小鼠)，建立了肺部表达hACE2基因的小鼠㊂无独有偶,Hassan 等[17]也通过鼻吸的方法将编码人类ACE2的腺病毒载体转导到BALB/c小鼠中，成功的在小鼠肺组织中表达了hACE2㊂此类非转基因小鼠在感染SARS-CoV-2后出现肺炎，肺部保持高滴度的病毒复制，且出现体重减轻和严重肺病理等现象㊂此方法不需要转基因或者基因敲入技术，可以缩短动物模型建模时间，同时规避传统基因修饰技术的影响㊂以上三种小鼠(表1)皆能在不同程度上感染SARS-CoV-2，且表现出体重下降和肺病理等类人性的临床症状，不过鉴于这些小鼠都是经过hACE2人源化修饰，且啮齿类动物和哺乳类动物天然存在某些差异，因此小鼠更适合SARS-CoV-2病毒的致病机制和机理等基础研究㊂
2㊀仓鼠
Chan等[19]首次使用叙利亚仓鼠进行COVID-19研究，结果发现感染SARS-CoV-2后，这些仓鼠表现出呼吸急促㊁体重减轻和肺泡损伤并伴有广泛的细胞凋亡，与人类的临床症状相比，较为符合人类轻度
至中度疾病的发展过程㊂Sia等[20]的研究工作也表明叙利亚仓鼠可以感染SARS-CoV-2，并出现相似的症状㊂比较有趣的是，研究还发现SARS-CoV-2可通过直接接触和气溶胶的方式从已感染的仓鼠传播到幼年仓鼠，而通过污染物传播的效率反而较低㊂Imai等[21]的研究工作表明SARS-CoV-2分离株可以在仓鼠肺中有效复制，在鼻内感染后引起严重的病理性肺损伤，且肺损伤与受SARS-CoV-2感染的人肺具有共同的特征，包括严重的双肺多发磨玻璃影以及浸润影，甚至严重时期的肺实变㊂
仓鼠感染SARS-CoV-2后，表现出轻度至中度肺炎的临床症状，且感染的仓鼠可通过直接接触和气溶胶的方式传播给幼年仓鼠；另外仓鼠相对其他大动物模型来说成本比较低，可大规模饲养㊂因此仓鼠可用于SARS-CoV-2传播和感染途径的研究㊂3㊀雪貂
由于呼吸系统的组织结构和解剖结构与人相似，雪貂早已被应用于模拟人类呼吸道疾病和呼吸道病毒传播的研究，包括流感病毒㊁呼吸道合胞病毒㊁禽流感病毒和SARS-CoV等[22-32]㊂Shi等[25]在接种了SARS-CoV-2的雪貂上呼吸道和下呼吸道器
官中观察到SARS-CoV-2的有效复制，并在气管和肾脏中检测到病毒RNA㊂不过感染SARS-CoV-2后的雪貂除了体温略有升高之外，并没有出现更明显的临床症状，更没有出现严重疾病或者死亡的现象㊂Kim等[26]的研究工作同样表明，受SARS-CoV-2感染的雪貂表现出体温升高和病毒复制，但没有出现死亡个例㊂Park等[27]在雪貂感染模型中评估了不同种抗病毒药物对SARS-CoV-2感染的抗病毒作
用，结果发现尽管大多数药物均能稍微减轻感染雪貂的临床症状，但除了恩曲他滨-替诺福韦能稍微降低病毒滴度外，其余几种药物并未起到降低病毒滴度的作用㊂此外，用硫唑嘌呤处理的免疫抑制的雪貂表现出延迟的病毒清除和较低的血清中和滴度，导致感染时间延长㊂
雪貂虽然能感染SARS-CoV-2，但没有明显的临床症状，且雪貂也不是常规的模式生物，不过雪貂可以填补SARS-CoV-2感染小型哺乳类动物的这一空白领域，有望开发更多易感动物模型㊂
4㊀猫
先前有关SARS病毒的研究工作表明，家猫可以感染SARS-CoV并将病毒传播给其他猫[32]，因此猫也被用来研究对SARS-CoV-2的易感性㊂Shi 等[25]对猫接种了SARS-CoV-2并分别在感染后第3天和第6天进行检测，发现可以在猫的不同组织中检测到病毒RNA，并且感染后的猫组织病理学显示在鼻㊁气管黏膜上皮和肺部都出现了大量病变㊂这表明SARS-CoV-2可以在猫体内有效复制，并且年幼的猫比年老的猫更容易受到感染㊂值得注意的是，同另一项类似研究[33]一致的是，与接种猫同笼的未接种猫也感染了SARS-CoV-2，表明该病毒可以通过空气传播途径在猫之间进行传播㊂
猫和雪貂类似，仅出现SARS-CoV-2感染却没有明显临床症状，不过同一笼猫出现了SARS-CoV-2的空气传播，这为家养动物也感染和传播新冠病毒提供了警醒㊂
5㊀非人灵长类:
非人灵长类(non-human primates,NHP)动物一直被认为是临床前实验的金标准，因为其在亲缘关系上与人类非常接近，且无论是生理结构还是解剖病理结构等都与人十分类似㊂在此之前,NHP动物已被广泛应用于SARS病毒和MERS病毒的研究工作，结果显示恒河猴㊁食蟹猴和非洲绿猴等均能在不同程度上表现出病毒感染后的临床症状，包括发热，腹泻和肺炎等[34-39]㊂目前NHP动物在SARS-CoV-2病毒的研究工作中同样占据了重要位置㊂5.1㊀恒河猴
Yu等[40]首次在正式刊物上报道了恒河猴感染SARS-CoV-2的研究工作，青年恒河猴和老年恒河猴同时通过气管感染SARS-CoV-2病毒,14d后检测发现，老年恒河猴的鼻咽拭子，肛门拭子和肺的病毒复制明显比青年恒河猴更为活跃，且能在肺泡上皮细胞和巨噬细胞中检测到病毒抗原㊂感染后的恒河猴都表现出典型的间质性肺炎，可观察到肺泡间隔增厚，以及炎症和水肿；尤其是老年恒河猴还出现了弥漫性严重的间质性肺炎，与人肺的病理特征相似㊂这说明SARS-CoV-2引起的老年恒河猴的间质性肺炎比青年恒河猴更为严重，揭示SARS-CoV-2病毒感染后肺疾病的严重程度可能和年龄有关㊂Deng等[41]研究工作也证实了同样的结果；同时还发现SARS-CoV-2感染后康复的恒河猴再次暴露在SARS-CoV-2病毒环境中并不易再次感染，这一结果同样得到了另一项SARS-CoV-2感染恒河猴的研究工作的证实[42]㊂Munster等[43]在SARS-CoV-2感染的恒河猴中发现所有恒河猴的鼻子和喉咙以及支气管肺泡灌洗液中可检测到高病毒载量，同时大多数恒河猴表现出肺部浸润，水肿，肺泡充血和透明膜等，都是大多数人类COVID-19病例中观察到的典型中度疾病特征㊂
5.2㊀食蟹猴
Rockx等[44]对感染了SARS-CoV-2的食蟹猴进行检测发现，尽管所有感染的食蟹猴都产生了SARS-CoV-2特异性抗体，但均没有表现出明显的临
㊀㊀㊀㊀表1㊀SARS-CoV-2易感实验动物比较
Table1㊀Comparison of SARS-CoV-2susceptible laboratory animal
实验动物
Laboratory animal症状
Symptoms病毒检出部位
Virus detection site优点
Advantage缺点
Disadvantage参考文献
References
hACE2转基因小鼠hACE2 transgenic mouse 体重下降，间质性肺炎
Weight loss,
interstitial pneumonia
支气管上皮细胞，巨噬
细胞，肺部组织
Bronchial epithelial
cells,macrophages,
lung tissue
成本相对较低，人源化
ACE2受体
Relatively low cost,
humanized
ACE2receptor
临床症状不明显，无重
症或死亡症状
No obvious clinical
symptoms,no symptoms
of severe illness or death
[14]
hACE2基因敲入小鼠
hACE2knock-in mouse 间质性肺炎，细胞因子许三多是谁
升高
Interstitial pneumonia,
elevated cytokines
肺，气管，大脑
Lungs,trachea,brain
成本相对较低，人源化
ACE2受体
Relatively low cost,
humanized
ACE2receptor
临床症状不明显，无重
症或死亡症状
No obvious clinical
symptoms,no symptoms
of severe illness or death
[15]
非转基因小鼠Non-transgenic mouse 体重减轻，严重肺病理
Weight loss,severe
lung pathology
肺部
Lungs
成本相对较低，人源化
ACE2受体
epad
Relatively low cost,
humanized
ACE2receptor
临床症状不明显，无重
症或死亡症状
No obvious clinical
symptoms,no symptoms
of severe illness or death
[16-17]
仓鼠Hamster 呼吸急促，体重减轻,
肺泡损伤，伴有广泛的
沧州市第二实验小学
细胞凋亡
Shortness of breath,
细胞球
weight loss,alveolar
damage,
extensive apoptosis
肺部
Lungs
成本低，较好的临床
症状
Low cost,good
clinical symptoms
无重症或死亡症状
No symptoms of severe
illness or death
[19-21]
雪貂Ferret 体温升高车头时距
Increased
body temperature
上呼吸道，下呼吸道,
气管，肾网络大学
Upper respiratory tract,
lower respiratory tract,
trachea,kidney
体型较大,
易感染
Larger body,easy to
be infected
无临床症状，不是常规
模式生物
No clinical symptoms,
not a routine
model organism
[25-27]
猫Cat 鼻㊁气管黏膜上皮和肺
部出现大量病变
A large number of
lesions in the nose,
tracheal mucosal
epithelium and lungs
鼻甲骨，软腭，扁桃体,
气管，肺，小肠
Turbinates,soft palate,
tonsils,trachea,lungs,
small intestine
体型较大，易感染
Larger body,easy to
be infected
无临床症状，不是常规
模式生物
No clinical symptoms,
not a routine
model organism
[25][33]
恒河猴Rhesus monkey 间质性肺炎，肺部浸
润，水肿，肺泡充血，透
明膜
Interstitial pneumonia,
lung infiltration,
edema,alveolar
congestion,
hyaline membrane
鼻子，喉咙，支气管肺
泡上皮细胞，肛门,
血液
Nose,throat,
bronchoalveolar
epithelial cells,
anus,blood
与人亲缘关系近，有一
定的临床症状
Close relationship with
people,have certain
clinical symptoms
成本高，操作难，无重
症或死亡症状
High cost,difficult
operation,no symptoms
of severe illness or death
[40-43][45]
食蟹猴Cynomolgus monkey 肺泡水肿，透明膜，白
细胞浸润
Alveolar edema,hyaline
membrane,
leukocyte infiltration
鼻子，喉咙，直肠，肛
门，血液
Nose,throat,rectum,
anus,blood
与人亲缘关系近，有一
定的临床症状
Close relationship with
people,have certain
clinical symptoms
成本高，操作难，无重
症或死亡症状
High cost,difficult
operation,no symptoms
of severe illness or death
[44-45]
狨猴Marmoset 无明显症状
No obviously
clinical symptoms
鼻子，喉咙，肛门，血液
Nose,throat,
Anus,blood
与人亲缘关系近
Close relationship
with people
临床症状不明显
No obviously
clinical symptoms
[45]
床症状，不过解剖发现，一半以上的食蟹猴有肺泡水肿，透明膜和白细胞浸润等症状㊂通过RT-qPCR 和鼻拭子㊁喉拭子以及直肠拭子检测发现,SARS-
CoV-2RNA在幼年食蟹猴感染后的第2天达到峰值，而老年食蟹猴则在第4天达到峰值，个别食蟹猴在感染21d后还能检测到病毒RNA，且部分感染的食蟹猴病毒排出现象和人类无症状感染者情况类似㊂该研究还比较了SARS-CoV㊁MERS-CoV和SARS-CoV-2三种冠状病毒对食蟹猴的感染情况，发现MERS-CoV主要感染食蟹猴的II型肺细胞，而SARS-CoV和SARS-CoV-2则同时感染I型和II型肺细胞，而I型肺细胞的损伤可以导致肺水肿和透明膜的形成㊂
5.3㊀狨猴
相比于恒河猴和食蟹猴，狨猴用作病毒感染实验的比较少，这可能和其易感程度比较低有关㊂Lu 等[45]选择了非人灵长类动物的3个常用品种(恒河猴㊁食蟹猴和狨猴)进行SARS-CoV-2的感染实验，结果发现，恒河猴对SARS-CoV-2感染最为敏感，无论是病毒的组织分布，肺部影像变化，还是排毒现象以及各种细胞因子水平和抗体水平变化等，皆和人临床感染的情况类似㊂其次是食蟹猴，而狨猴对SARS-CoV-2感染的敏感性是3个品种中最低的㊂5.4㊀非人灵长类用于疫苗开发:
除了SARS-CoV-2感染实验，恒河猴和食蟹猴还被应用于针对COVID-19的疫苗和药物开发㊂Gao等[46]使用一种纯化的灭活SARS-CoV-2病毒候选疫苗--PiCoVacc，分别在不同天数给恒河猴接种疫苗后再接种SARS-CoV-2病毒㊂后期检测发现，接种PiCoVacc的恒河猴均未出现发热和体重下降现象；血液生化检测显示接种组与对照组的淋巴细胞亚和关键细胞因子等指标并无明显差别；心㊁肝㊁脾㊁肺㊁肾㊁脑等各器官的组织病理学评估显示没有引起明显的病理变化㊂这表明PiCoVacc疫苗在恒河猴中起到了一定的保护作用的㊂Wang等[47]开发了一种新型灭活候选疫苗BBIBP-CorV，此疫苗可诱导包括食蟹猴和恒河猴在内的多种动物模型产生高水平的中和抗体，以提供对SARS-CoV-2病毒的保护作用㊂Yu等[48]开发了一种表达S蛋白的DNA候选疫苗，并在35只食蟹猴中进行了评估，结果发现接种疫苗的食蟹猴都产生了体液免疫和细胞免疫应答；且在后续接种SARS-CoV-2后，食蟹猴支气管肺泡灌洗液和鼻黏膜中的病毒载量与对照组相比明显减少㊂这表明该疫苗在食蟹猴中具有针对SARS-CoV-2攻击的免疫原性和保护作用㊂
Van等[49]五月初在bioRxiv上发表了编码SARS-CoV-2突触蛋白的腺病毒载体疫苗ChAdOx1nCoV-19在食蟹猴中的研究工作，研究称，与对照动物相比，疫苗接种的食蟹猴支气管肺泡灌洗液和呼吸道组织中的病毒载量显著降低，并且未观察到肺炎㊂不过随后没多久有报道称接种ChAdOx1nCoV-19疫苗的食蟹猴在接触SARS-CoV-2病毒后全部感染并出现了明显症状，说明ChAdOx1nCoV-19疫苗并没有起到该有的保护作用㊂
5.5㊀非人灵长类用于药物开发
除了疫苗，食蟹猴还被用来测试抗病毒药物㊂Williamson等[50]在感染SARS-CoV-2病毒并出现下呼吸道疾病的食蟹猴身上静脉注射雷姆昔韦，定期检测发现，经雷姆昔韦的食蟹猴没有显示出呼吸道疾病的迹象，并且肺部浸润减少㊂首次后12h，可发现食蟹猴支气管肺泡灌洗液中的病毒滴度出现了显著降低的现象㊂接种后第7天进行尸检时，雷姆昔韦的食蟹猴肺部病毒载量显著降低，并且肺组织的损害明显减少㊂这意味着瑞姆昔韦对早期感染SARS-CoV-2的食蟹猴具有明显的临床效果㊂
与前面几种实验动物相比，非人灵长类动物因其与人类亲缘关系相近而备受青睐，几乎所有的疫苗和药物在真正应用之前都会经过非人灵长类动物的临床前试验㊂多项研究表明，恒河猴和食蟹猴不仅可以感染SARS-CoV-2，还能表现出与人类相似的临床症状，且在疫苗试验中可以产生中和抗体，因此非人灵长类动物非常适合SARS-CoV-2疫苗和药物的开发试验㊂
6㊀总结与展望
目前研究的实验动物虽然能在一定的程度上模拟人感染SARS-CoV-2病毒后的症状，但是还没有办法完全复制人类临床症状，或多或少存在一定的缺陷(表1)㊂有的实验动物能感染SARS-CoV-2病毒，可以检测出病毒滴度或者抗体，但是没有表现出临床症状，比如雪貂和猫；有的实验动物感染SARS-Co
V-2病毒后，只出现了部分临床症状，比如小鼠；有的实验动物感染SARS-CoV-2病毒后，不同组织的病毒复制和病毒滴度不一样，比如非人灵长类动物㊂因此可以根据实验目的和研究对象的不
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