非洲爪蟾（Xenopus laevis）：探究人类致病菌奥秘的新兴感染模型

本文研究发现非洲爪蟾（Xenopus laevis）对人类致病菌敏感，腹腔注射会致死。它可用于评估抗菌药物疗效和鉴定毒力基因，能模拟哺乳动物败血症，为研究细菌感染机制及治疗策略提供了新的动物模型，助力传染病研究。

　　

研究背景

细菌感染严重威胁人类健康，全球约 13.6% 的死亡与细菌病原体感染相关，如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）等。传统哺乳动物动物模型存在伦理和成本问题，而体外实验等替代方法无法模拟动物体内复杂的相互作用。因此，寻找新的非哺乳动物感染模型至关重要。非洲爪蟾（Xenopus laevis）作为两栖类脊椎动物，具有与人类相似的器官、循环系统和免疫系统，其基因组已完成测序，且易于饲养和操作，有望成为理想的感染模型。

实验材料与方法

1. 实验动物：选用 3 - 4cm、约 2.5g 的非洲爪蟾幼蛙，购自日本某养殖公司。饲养在特定规格的水族箱中，水温维持在 22°C，每 2 天喂食一次，每 2 天更换一次水。
2. 细菌菌株：使用多种细菌菌株，包括金黄色葡萄球菌（如 NCTC8325 - 4、MRSA8 等）、铜绿假单胞菌（PAO1、BAA - 2114）、单核细胞增生李斯特菌（EGD），以及非致病性细菌大肠杆菌（E. coli）BW25113 和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）168。同时构建了金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌的毒力基因缺失突变株。
3. 实验方法：制备细菌溶液时，将单菌落接种培养后离心、重悬并稀释至合适浓度。抗菌溶液则将相应药物溶解在 PBS 或水中配制成 2mg/mL 的溶液。对非洲爪蟾进行腹腔注射实验，先将其麻醉，用特定规格的注射器和针头注入 50μL 细菌溶液，设置 PBS 注射组作为对照。通过计算半数致死剂量（LD₅₀）评估细菌毒性，利用发光测量和细菌计数实验研究细菌在爪蟾体内的分布情况。实验数据采用 log - rank 检验、逻辑回归等方法进行统计分析。

实验结果

1. 致病菌对非洲爪蟾的致死作用：腹腔注射金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和单核细胞增生李斯特菌可导致非洲爪蟾死亡，且死亡率呈剂量依赖性。如注射金黄色葡萄球菌 NCTC8325 - 4 的爪蟾在 24h 内死亡，且随着注射菌量增加，死亡率上升；而注射热灭活的金黄色葡萄球菌则不会导致爪蟾死亡。非致病性细菌大肠杆菌和枯草芽孢杆菌在测试浓度下对爪蟾的致死活性较低。
2. 抗菌药物疗效评估：在确定所测试的抗菌药物（如卡那霉素（KM）、苯唑西林（OX）、万古霉素（VCM）、环丙沙星（CPFX）和头孢他啶（CAZ））对爪蟾无毒性后，进行抗菌药物疗效实验。结果显示，对金黄色葡萄球菌 NCTC8325 - 4 感染的爪蟾，KM、OX 和 VCM 治疗后 120h 存活率超 50%；但对于 MRSA8 感染的爪蟾，仅 VCM 有效。对于铜绿假单胞菌感染，PAO1 感染的爪蟾用 KM、CPFX 或 CAZ 治疗后存活率大于 50%，而对多药耐药的 BAA - 2114 感染的爪蟾，这些药物效果不佳。
3. 细菌毒力基因评估：将金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌的毒力基因缺失突变株注射到非洲爪蟾体内。结果发现，金黄色葡萄球菌 NCTC8325 - 4 的 Δagr 和 ΔcvfA 突变株对爪蟾的致死能力明显减弱，LD₅₀值比野生型菌株高 10 倍以上；Δhla 和 Δhlb 突变株的 LD₅₀值也高于野生型，且 Δhla/Δhlb 双突变株的 LD₅₀值更高，表明 hla 和 hlb 在杀死爪蟾过程中起协同作用。单核细胞增生李斯特菌 EGD 的 LIPI - 1 缺失突变株对爪蟾的致死率极低，LD₅₀值远高于野生型菌株，说明 LIPI - 1 位点对其毒力至关重要。
4. 细菌在非洲爪蟾体内的传播：观察注射金黄色葡萄球菌 NCTC8325 - 4 的爪蟾内脏形态，发现其胃部变红、变形，肌肉僵硬，血液颜色变浅。通过发光测量和细菌计数实验证实，金黄色葡萄球菌在注射后可扩散到腹腔周围，7h 后在血液、腿部肌肉、心脏和肝脏等器官均能检测到，且细菌数量在 30min - 7h 内保持稳定，表明细菌可通过血液在爪蟾体内全身传播。

讨论

1. 非洲爪蟾作为感染模型的可行性：本研究首次表明非洲爪蟾可作为评估抗菌药物疗效和鉴定人类致病细菌毒力基因功能的有效动物模型。其对多种人类致病菌敏感，且感染后的症状和细菌传播模式与哺乳动物败血症相似，能较好地模拟细菌感染过程。
2. 细菌毒力机制分析：研究发现金黄色葡萄球菌的 hla、hlb 以及调控它们转录表达的 agr 和 cvfA 基因对其在非洲爪蟾体内的致死性至关重要。非洲爪蟾含有与哺乳动物类似的受 α - 溶血素和 β - 溶血素作用的靶蛋白，提示这些溶血素在非洲爪蟾和哺乳动物中的作用机制可能相似，支持利用非洲爪蟾分析细菌毒力机制。
3. 与其他模型的差异：在本研究中，金黄色葡萄球菌 srtA 缺失突变株在非洲爪蟾体内的毒力与野生型相似，而在其他动物模型（如大鼠、小鼠、蚕和蟋蟀）中，该突变株毒力减弱。这表明非洲爪蟾与其他动物在对该突变株的反应上存在宿主特异性差异，其分子机制有待进一步研究。
4. 模型的应用前景与局限：非洲爪蟾可用于评估抗生素对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌引起的败血症的疗效，且因其体型小，使用的药物剂量仅为小鼠的约十分之一。但目前仅研究了腹腔注射抗菌药物的效果，未来应评估临床常用的其他给药途径（如口服和皮下注射）的疗效，进一步挖掘该模型在传染病研究中的潜力。