STTT 综述 | 王佑春/范昌发团队系统总结新冠COVID-19动物模型研究进展、不足及未来的模型研究趋势

作者︱范昌发，王佑春，吴勇

责编︱王思珍

编辑︱杨   婵

2019年末，突如其来的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）爆发，一直持续至今，已有3个年头，在世界范围内造成深远的影响。新冠病毒的感染会引起发热、呼吸道感染、肺炎等临床病症，严重者死亡，给全球人民带来严重的生命威胁和巨大经济损失。

新冠疫情爆发后，全球学者对其从病毒学、免疫学、病理学等角度开展深入研究，形成了很多宝贵的研究成果。在对新冠病毒的研究中，不可或缺的是易感、性能稳定、经济且易于获取的动物模型。动物模型可以很好的模拟病毒传播和复制的过程，重现病毒感染机制，帮助疫苗和抗病毒药物研发，为人类更好的抗击新冠病毒发挥了重要作用。

中国食品药品检定研究院在新冠病毒爆发伊始，紧急扩繁自主研制的hACE2-KI人源化小鼠模型，并向社会紧急提供，支持我国新冠疫苗的研发。

经过2年多持续关注和分析全球新冠动物模型研究进展，中国食品药品检定研究院王佑春/范昌发研究员团队综合分析了全球最新的文献资料，并结合自身研究成果，撰写了新型冠状病毒动物模型综述论文“Animal models for COVID-19, advances, gaps and perspectives”，于2022年7月发表在Signal Transduction and Targeted Therapy（STTT）。本综述系统地介绍了新冠患者的临床症状，不同人员的感染特点；介绍了新冠病毒相关受体分子以及这些受体分子在构建新型动物模型中的潜在用途。系统梳理了用于新冠病毒研究的天然易感模型，如非人灵长类动物模型、叙利亚仓鼠模型、雪貂及水貂模型、家禽家畜模型，鼠适应株建立的小鼠模型，以及通过遗传修饰的多种小鼠模型，如ACE2人源化小鼠模型、AAV/腺病毒载体致敏的小鼠模型等。分别讲述了这些模型的构建方法及特点，优势与不足。在综合分析现有模型不足的基础上，对构建下一代模型的研究方向、构建方法、拟针对的重点问题进行了分析。作者强调，疫情发生具有突发性，不可预知，而动物模型构建需要较长时间，所以迫切需要提前储备动物模型资源，防患于未然。

第一部分

新冠病毒感染引起的临床症状

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

新冠病毒感染的最常见临床症状比较多，常见的是发热并伴有干咳、胸痛、喉咙痛、气短等呼吸道感染的临床症状，同时还有恶心、腹泻、疲劳、头痛、肌肉疼痛等[1]。作者综合分析了自2019年底新冠病毒爆发以来常见的临床症状，并对其发病情况进行排序。

老年人、孕妇、儿童和幼儿通常被认为是传染病中的易感人群，这些病人在发病初期，大多数是以发热和干咳为主要临床症状。在新冠病毒爆发初期，约80%的老年人感染新冠病毒后，发展成重症并进入ICU进行气管插管治疗，其治疗时间也普遍较长。早期的死亡病例中，有超过70%的病例是65岁以上的老年人。孕妇在感染新冠病毒并治愈后，所生下的婴儿尚未发现有新冠病毒感染。在早期新冠感染病例中了，约有15%的患者为儿童，儿童患者一般不会发展成为重症，但是由于儿童治疗用药的限制，对儿童的防护同样不能忽视。

约有30%的新冠病毒病人患有基础疾病，包括免疫缺陷、心脑血管疾病、糖尿病、肝炎、肾病等，对于有基础病的新冠病毒感染者，通常治疗期更长，且更容易发展成重症。

新冠病毒感染后，除了有呼吸道的临床症状外[2]，还会有神经系统、消化系统、血液循环系统的症状。有临床研究发现新冠病毒可以感染中枢神经系统，有少部分患者导致出现妄想、幻觉以及思维混乱，而超80%的患者出现的嗅觉和味觉丧失则成为新冠病毒感染后的常见临床症状。新冠病毒同样会影响消化系统，临床数据统计，超过80%的新冠感染者有一种或多种消化道症状，如腹泻、腹痛等，而在部分患者中，这些症状则是感染新冠病毒的首发症状甚至是唯一症状。而消化道感染临床症状是新冠病毒感染的一个重要的预后因素。病毒感染后，通常会影响血液生理生化，80%左右的患者出现淋巴细胞减少，而30%以上的患者则出现血小板减少，在患者治愈后，血小板逐渐上升至正常水平。

第二部分

介导新冠病毒感染的受体和细胞蛋白酶

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

细胞受体介导病毒的附着和病毒包膜与宿主的融合。目前报道的新冠病毒感染受体包括经典的人血管紧张素转换酶2（hACE2）受体[3]，以及后来逐渐发现的其他受体，如细胞外基质金属蛋白酶诱导剂（EMMPRIN或CD147）、去唾液酸糖蛋白受体1（ASGR1）、跨膜蛋白1（KREMEN1）、神经肽-1（Nrp1）、二肽基肽酶4（DPP4/CD26）、丙氨酰氨基肽酶（ANPEP/CD13）、血管紧张素II受体2型（AGTR2）和谷氨酰氨基肽酶（ENPEP）等几种潜在的受体。目前对这几种受体的研究，主要以hACE2为主，该受体是SARS-CoV-2最广泛被认可的受体，目前对该受体的研究，已经从细胞到体内，部分应用到临床研究，该受体基因也应用于动物模型试验。对于其它几种受体也分别有从细胞水平到动物水平的研究，取得了一些进展。

介导SARS-CoV-2病毒进入的蛋白酶主要有跨膜丝氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）、溶酶体蛋白酶组织蛋白酶B和L、内源性丝氨酸蛋白酶furin和丝氨酸内肽酶胰蛋白酶，这其中TMPRSS2研究比较多，相关研究也进行了动物实验，表明TMPRSS2在SARS-CoV-2感染和细胞进入中起关键作用。

第三部分

新冠病毒易感动物模型

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

研究者们开发出多种动物模型用于抗击新冠病毒、研究病毒的传播机制、开发疫苗和抗病毒药物[图1]。非人灵长类动物在生理特性和免疫调节等方面与人类相似，已经有大量新冠相关研究使用了非人灵长类疾病动物模型。主要有恒河猴、食蟹猴、非洲绿猴、狒狒和狨猴，而目前研究最多的是恒河猴和食蟹猴。恒河猴和食蟹猴在感染新冠病毒后，能够出现轻微的临床疾病，如发热、体重减轻、血小板计数减少等，并支持高水平的病毒复制，同时也能够观察到肺脏的病理改变。其它几种非人灵长类模型受到动物来源的因素，使用和研究较少，但是也能在感染后展示如发热、肺水肿、血小板减少等新冠病毒感染症状。

图1 用于COVID-19疾病模型建立的动物。 从左至右: 鸡、狗、雪貂、野生鼠、转基因鼠、叙利亚仓鼠、非人灵长类动物、猫、猪、鸭、羊。 这幅漫画名为“携手护家园”。 动物们手持盾牌站立，充满警惕。 他们正在抗击新型冠状病毒，捍卫地球家园的和平。 本图的蓝天、白云、白鸽象征人类一定能战胜疫情，回归正常生活。 漫画创作于2020年7月，以此纪念为人类健康而牺牲的动物们。 

（图源：王佑春/范昌发实验室）

小鼠模型是比较常见的动物模型，由于新冠临床毒株可以有效的结合人ACE2（hACE2）受体，而并非小鼠的ACE2（mACE2）受体，所以普通近交系小鼠对新冠病毒临床毒株不易感（某些变异株除外）。由几种由特定启动子驱动并通过精确敲入或随机转基因技术建立的转基因hACE2小鼠模型已经被应用于SARS-CoV-2的研究，这些小鼠模型可以在多个器官表达hACE2。大多数小鼠都采用滴鼻等方式攻毒，攻毒后，小鼠体重减轻则是最明显和最主要的临床症状，某些小鼠能够观察到肺功能受损。通过腺病毒载体转导，构建表达hACE2的小鼠模型也是获得新冠易感模型一种方式，与稳定遗传的转基因小鼠不同，这类小鼠模型仅在呼吸道，特别是肺部表达hACE2，其表达模式与转基因小鼠和人类有差别，该类模型的突出优点是快速获得基于各种毒株的易感动物模型，以满足紧急需求，但此类疾病模型模拟较有限的SARS-CoV-2生理感染特征[4]。

在改造小鼠的同时，也有研究对SARS-CoV-2病毒进行改造，通过将病毒在小鼠的脑组织中连续传代或者通过精准反向遗传学构建小鼠适应的毒株，小鼠在感染突变株后，能够表现出更明显的临床症状，如体重下降、肺炎，部分小鼠甚至出现死亡。部分研究在对病毒进行改造的过程中，也发现了病毒致病的关键基因位点。

由于人ACE2基因与仓鼠之间的序列相似，有研究用仓鼠作为新冠病毒的易感动物模型，仓鼠在感染后，能够出现体重减轻并且在呼吸道中检测到病毒RNA的存在，同时在肺脏中能够发现炎症细胞浸润等病理改变。也有研究使用叙利亚仓鼠做了密切接触传播模型，证明密切接触能够传播新冠病毒。

雪貂及水貂天生对人类呼吸道病毒病原体敏感，雪貂在感染新冠病毒后，表现出发热和轻微的呼吸道临床症状，同时也能够在呼吸道检测到病毒RNA的存在，同样也有研究用雪貂做了直接接触和间接接触的新冠病毒传播研究，表明雪貂能够通过接触传播病毒。

由于家禽和家畜的数量巨大，对人类生活至关重要，并且与人类有密切的关系，也有报道研究其易感性。其中猫、狗、鸡、鸭、猪和绵羊都用来测试新冠病毒的易感性，其中猫在攻毒后，能够在呼吸道中检测到病毒的RNA，但是没有相关临床症状的报道，而绵羊能够通过被感染，但是仅支持有限的病毒复制。

第四部分

现有模型的不足和未来新冠模型构建展望

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

SARS-CoV-2感染的动物模型在传染机制、传播、免疫作用的研究中发挥了至关重要的作用，动物模型对新冠病毒的传播机制、疫苗和抗病毒药物的开发起到了关键的作用。每种动物模型都有其自身的特点和局限性，而随着新冠病毒的变种不断出现，新的疫苗和抗病毒药物开发需求增强，需要建立更加易感的动物模型。

现有模型的不足主要有具有：

（1）现有新冠动物模型感染后临床症状普遍较轻，包括非人灵长类模型。有的遗传修饰小鼠模型症状较重，如K18-hACE2转基因小鼠，能引起死亡，但小鼠死亡症状可能与脑炎症状有关。

（2）需要能支持长时间感染的动物模型，已有的动物模型普遍感染时间较短，病毒清除较快。

（3）需要能模拟新冠感染并发症的动物模型。

（4）老人感染后症状普遍较重，故需要建立能模拟老人感染和免疫反应的动物模型。（5）特别需要能模拟新冠临床症状发生发展过程的动物模型。

（6）需要建立对各种VOCs变异株易感动物模型。

（7）需要建立不同遗传背景的新冠易感小鼠模型，如BALB/c背景。

（8）很有必要发展双基因或多基因靶点的易感小鼠模型，以提高模型的易感性。

针对上述不足，本综述提出了未来新冠动物模型的发展策略。

此外，由于新发传染病具有突然性，而动物模型的构建、动物生产和繁殖都需要很长的时间。故作者强烈呼吁，有必要提现维持一定规模的自然易感的动物模型种群，并提早布局，为缺乏易感动物模型的病原体建立基因修饰的小鼠模型，以应对可能发生的新突发传染病。作者指出，鉴于维持转基因小鼠模型种群需要较高的成本和劳动力，而胚胎和精子的冷冻保存成本较低，建立体外受精技术（IVF）和胚胎冷冻技术是很有必要的。2020年上半年，为了应对突发的新冠病毒，本实验室在两个月内成功生产了超过1000只hACE2-KI小鼠，这种快速繁殖系统（图2）在新冠病毒疾病大流行初期的紧迫情况下，发挥了关键作用。

图2 体外受精(IVF)技术快速培育hACE2-KI模型小鼠 。（A）体外受精的主要步骤；（ B）1只人源化hACE2- KI小鼠和100只C57BL/6野生型小鼠通过体外受精技术单轮可产生638只后代，其中通过PCR筛选hACE2阳性小鼠296只。 这种快速繁殖技术大大加快了人源化hACE2-KI小鼠的生产。 

（图源：Fan CF et al., STTT, 2022）

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从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35798699/

中国食品药品检定研究院范昌发研究员为本文的第一作者，王佑春研究员为本文通讯作者，吴勇为本文共同第一作者。

通讯作者王佑春（左），第一作者范昌发（右）

（照片提供自：中国食品药品检定研究院王佑春/范昌发研究员团队）

通讯作者简介：（上下滑动阅读）  

王佑春，中国食品药品检定研究院疫苗检定首席专家，于原北京医科大学获流行病学专业医学博士学位，于英国伦敦大学学院（UCL）获病毒学专业哲学博士学位。长期从事医学病毒学的流行病学、分子生物学以及相关产品的质量控制方法研究。近年来，主要集中于新突发病毒性传染病的病原研究以及相关制品评价方法的研究。

以第一或通讯作者发表论文310余篇，其中发表在Cell (3篇), Science（1篇), Nature (3篇), Cell Research, STTT, Cell Discovery, Cell Host & Microbes, J Hepatol, Nature Microbiology, National Science Review, Nature Communication, EMI, Nature Protocols等SCI杂志上100余篇。以第一完成人获：国家科技进步二等奖1项；中华医学科技一等奖、北京市科学技术一等奖和中华预防医学会一等奖各1项。获共青团中央第五届中国优秀青年科技创新奖，第二届以岭生物医药创新奖，第十八届吴杨药学奖,中国药学发展奖食品药品质量检测技术奖特别贡献奖，全国科技系统抗击新冠肺炎疫情先进个人。

中华医学会病毒学专业委员会前任主任委员，现为WHO生物制品标准化委员会委员，中华医学会微生物和免疫学委员会副主任委员，药典委员会疫苗专业委员会主任委员。

范昌发，男，博士学历，研究员，博士研究生导师，模式动物研究室主任。从头组建中检院“遗传修饰动物模型制作平台”，构建全球首个人源化新冠小鼠模型hACE2-KI，自主建立致癌性模型KI.C57-ras V2.0等代表性小鼠模型，并广泛用于我国新冠疫苗，及新药临床前致癌性评价中。发表论文近100篇，包括Science (2篇)、Nature、Cell Host & Microbe、STTT (3篇)、National Science Review、EMI (3篇)等杂志；申请专利12项，授权6项；承担或组织申请国自然基金、国家重大新药创制专项、国家传染病重大专项、国家病原学专项课题等17项；自主研制遗传修饰大、小鼠模型50余种。研究工作被英国The Economist、美国Cell Press、中国科学网专题报道。本工作获得国家重点研发计划(No. 2021YFC2301700)支持。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Wang, Z., et al. (2020) Clinical characteristics and therapeutic procedure for four cases with 2019 novel coronavirus pneumonia receiving combined Chinese and Western medicine treatment. Bioscience trends. 14, 64-68

[2] Zhu, N., et al. (2020) A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019. New England Journal of Medicine. 382, 1708-1720

[3] Patel, V. B., et al. (2016) Role of the ACE2/Angiotensin 1-7 Axis of the Renin-Angiotensin System in Heart Failure. Circ Res 118, 1313-1326

[4] Bao, L. et al. (2020) The pathogenicity of SARS-CoV-2 in hACE2 transgenic mice. Nature. 583, 830-833.

本文完