科学家们正在争分夺秒地了解新型冠状病毒 SARS-CoV-2 如何引起疾病，并竞相开发治疗方法，以及至关重要的疫苗。这项工作在很大程度上依赖于一个鲜为人知的角色：实验动物。关于 SARS-CoV-2 最不寻常的事情之一是它在人类中引起的疾病严重程度范围很广——从轻微或无症状感染到致命感染。创建能够反映这种临床多样性的动物模型将非常重要，尽管这很困难。从不起眼的实验小鼠到仓鼠和狒狒，各种生物都参与其中。我们尚不清楚哪种动物最有用；不同的物种可能最适合回答不同的问题。
再现严重疾病尤其棘手，但对引起严重急性呼吸综合征 (SARS) 和中东呼吸综合征 (MERS) 的冠状病毒的研究奠定了重要的基础。首选的医学研究动物是小鼠：它们可以快速繁殖且成本低廉，并且研究人员已经拥有许多用于研究它们的工具。不幸的是，这些啮齿动物——虽然并非对感染免疫——但似乎并未受到新型病毒的任何不良影响。SARS 也是如此，但两种策略被证明有效：使小鼠适应病毒或使病毒适应小鼠。
基因工程小鼠
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2007 年，爱荷华大学的微生物学家斯坦利·珀尔曼和他的同事对小鼠进行了基因工程改造，使其产生人类版本的血管紧张素转化酶 2 (ACE2) 受体，原始 SARS 病毒利用该受体附着到细胞上。这种疾病对这些“hACE2”小鼠是致命的。珀尔曼说，SARS-CoV-2 使用相同的受体，因此 hACE2 小鼠也应该容易感染新型病毒。他已将冷冻小鼠精子样本发送到杰克逊实验室，该实验室正在繁殖这些动物，并准备将其分发给世界各地的其他实验室。“到六月中旬，我们应该有足够的数量供科学界进行实验，”杰克逊实验室的小鼠库主任、神经科学家凯特·卢茨说，该实验室是美国最大的小鼠库之一。
时任美国国家过敏和传染病研究所病毒学家的坎塔·苏巴拉奥和她的同事采取了另一条途径：他们创建了一种对普通小鼠具有致命性的 SARS 病毒株。研究人员采用了一种称为连续传代的技术，该技术涉及从受感染小鼠的肺部提取病毒，用其接种另一只小鼠，然后在更多小鼠中重复该过程。经过 15 个周期后，他们创造了一种对小鼠 100% 致命的 SARS 毒株。研究涉及的基因突变也使他们能够了解病毒如何引起疾病。尽管 hACE2 小鼠很可能容易感染新型冠状病毒，但它们可能表现出比 SARS 轻微得多的疾病。“预计 SARS-CoV-2 将需要在 hACE2 小鼠中通过[连续]传代进行适应，”苏巴拉奥说，她现在在澳大利亚的彼得·多尔蒂感染与免疫研究所工作。研究人员还有更朴实的工具可供使用。“我们可能会操纵[病毒]剂量和给药途径，以获得一系列严重程度，”卢茨说。
珀尔曼并没有坐等观察他的 hACE2 小鼠品系对 SARS-CoV-2 的反应。他使用一种不相关的病毒作为“载体”，将人类ACE2基因携带到成年小鼠细胞中，使其暂时容易感染新型冠状病毒——这是他在研究 MERS 时首创的方法。这种方法比涉及改变精子或卵细胞的方法更快。该技术可用于测试在动物感染前后给予的治疗药物。但这不利于“发病机制”研究，即试图帮助科学家了解病毒如何进入细胞并复制或病毒攻击哪些细胞。珀尔曼还在使用基因编辑来改变小鼠 ACE2 受体，以便 SARS-CoV-2 可以识别它。其他人正在编辑病毒的基因组，使其能够附着到小鼠受体上。“他们很可能能够使用任何小鼠品系”来研究 COVID-19，珀尔曼说。“这将是向前迈出的一大步。”
仓鼠、雪貂和猫
研究人员还在小鼠之外寻找其他动物。苏巴拉奥和她的同事发现仓鼠对于研究 SARS 很有用，因此一些研究人员再次使用它们来研究 COVID-19。香港大学的一个团队表明，SARS-CoV-2 在仓鼠体内复制，产生了一些在人类身上看到的肺损伤。没有动物死亡，但有疾病迹象，包括体重减轻。仓鼠产生了抗体。从康复动物身上提取的血清在感染前给予其他动物后，降低了病毒水平，但并未显着减轻肺部病变。
科学家经常研究雪貂的呼吸道疾病，因为它们的肺生理学与人类相似。韩国的一个团队发现，感染 SARS-CoV-2 的雪貂体温升高并患有轻度肺病。然而，几天后发表的一篇论文表明，该病毒仅在雪貂的上呼吸道而非下呼吸道中有效复制，这不能反映人类的严重疾病。那项研究还发现，病毒在相邻笼子中的猫之间传播——表明通过呼吸道飞沫传播。因此，猫可能有助于研究病毒如何传播。然而，有些动物比其他动物更难操作。“我们在小鼠身上研究免疫系统的许多工具对于雪貂或仓鼠来说远没有那么完善，”威斯康星大学麦迪逊分校的病理学家大卫·奥康纳说，他正在研究非人灵长类动物，作为使用各种方法并将所有数据放入名为CoVen的在线门户网站的大型合作研究的一部分。“对猫的研究甚至更少，因此工具也更少。”有些动物也更难获得或照顾，或者成本更高，但研究人员需要更多信息才能排除任何物种。“在像这样的紧急情况下，我们没有时间奢侈，我们必须让生物学引导我们，”奥康纳说。“事实证明，这些非常规模型可能是最好的方法，在这种情况下，我们将不得不开发研究它们的专业知识。”
猴子
荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心的病毒学家巴里·罗克斯说，非人灵长类动物是“测试疫苗和治疗方法的黄金标准”。中国医学科学院和北京协和医学院的病毒学家秦川和她的同事在 3 月份在网上发布的一篇预印本论文中发现，该病毒在恒河猴的鼻子、肺和肠道中复制。这些动物也体重减轻并出现肺炎迹象。该研究引起了关注，因为研究人员表明，康复的猴子不会被再次感染。“这提供了一个好消息：自然感染可以引发保护性免疫反应，”奥康纳说，“尽管持久性仍有待确定。”一个美国团队也在一项预印本研究中证明，给予抗病毒药物瑞德西韦（最近已获准紧急用于治疗 COVID-19 患者）的感染恒河猴具有更轻微的症状和肺部病变。
食蟹猴也被研究作为 COVID-19 的可能模型。图片来源：Hendra Su Getty Images
影响人类 COVID-19 严重程度的主要因素之一是个体年龄，因此一些研究人员正在研究不同年龄段的动物。罗克斯领导了最近的一项研究，使用了幼年和老年食蟹猴——它们都没有表现出明显的症状。“没有临床症状，但你在肺部确实看到了病变，”他说。罗克斯补充说，这种动物模型可能有助于测试药物是否会减少疾病的传播或产生不良影响。他和他的同事在老年猴子身上检测到更多病毒，并且病毒持续存在的时间更长，但这些动物的疾病并不更严重。与此同时，德克萨斯生物医学研究所（Texas Biomed）的研究人员正在同时研究恒河猴、狒狒和狨猴。“我们正在比较多种非人灵长类动物物种，看看我们是否可以重现人类中观察到的[疾病范围]，”德克萨斯生物医学研究所西南国家灵长类动物研究中心主任迪帕克·考沙尔说。他的团队也没有看到年龄对严重程度的显着影响。
但请记住，只有一小部分 COVID-19 患者病情危重。这些研究使用了相对较少数量的猴子。这些注意事项说明了非人灵长类动物的一个缺点：由于伦理和实践方面的考虑，不可能研究足够多的数量以揭示疾病的所有方面——甚至无法计算有意义的统计数据。但这样做不是主要目标。奥康纳的研究涉及将病毒注射到食蟹猴肺部深处，以引发可测量的疾病。“我们有可量化的肺部疾病，这意味着我们可以测量其减少量，作为医疗对策的读数，”他说。严重疾病的问题变得“学术化”，他补充说，“因为如果你不能持续获得相同的读数，你就没有一个好的系统来测试疫苗和药物。”然而，非人灵长类动物的研究受到最高的伦理标准约束，因此它们的使用非常谨慎。
最终目标
动物研究的一个关键优势是控制。“对于人类，你不知道他们何时被感染，究竟发生了什么，”珀尔曼说。“你可以在实验感染的动物中更好地了解疾病，因为你可以操纵参数”，例如暴露途径、剂量和感染时间。同样的原理适用于生成有效性和安全性数据。“你永远不会在临床试验中获得这种控制，”奥康纳说。“这就是动物模型至关重要的地方。”
现有的疫苗策略——部分基于为 SARS 开发的策略——已导致一些 COVID-19 疫苗候选物跳过动物测试阶段。“在 COVID-19 时代，这具有挑战性，因为人们不想等待，”珀尔曼说。“对于药物来说，跳过动物步骤不是一个好主意。但对于疫苗来说，它们确实被跳过或最小化了。”迫切的需求、缺乏完善的动物模型以及之前在某些疫苗平台上的经验都加快了时间表。疫苗策略已在人类身上进行过测试，即使是针对不同的病原体，这也为安全性提供了一些保证，但之前的动物研究也提出了一个幽灵：疫苗有时会增强疾病，包括通过一种称为抗体依赖性增强的现象。如果 COVID-19 疫苗出现这个问题，“你会想知道这一点，”德克萨斯生物医学研究所所长拉里·施莱辛格说。科学家还需要了解免疫反应。来自中国的最新数据表明，并非所有感染该病毒的人都会产生足够的保护性或“中和性”抗体来获得免疫力。而且SARS-CoV-2 出现的时间还不够长，我们无法知道可能受到保护的人能够保持保护多久。“这对疫苗的外观具有重要意义，”奥康纳说。
就在上周的科学杂志上，秦和她的同事发表了一项研究结果，该研究针对一种灭活的 SARS-CoV-2 病毒疫苗候选物，该疫苗产生的中和抗体与病毒的“刺突”蛋白结合，从而使其进入细胞。研究人员表明，这种名为 PiCoVacc 的疫苗产生了免疫反应，可以保护小鼠、大鼠和恒河猴免受多种病毒株的侵害。令人欣慰的是，他们没有看到抗体依赖性增强的迹象。预计人体试验将于今年晚些时候开始。然而，如果这些初步尝试均未成功，基础研究可能会变得至关重要。可能需要更好的理解才能寻求更复杂的策略。要了解病毒，研究人员需要在活生物体中研究它。“每个人都希望我们已经测试过的通用方法将取得巨大的成功，”奥康纳说。开发疫苗“可能很简单，但我们必须让人们为可能不成功做好准备。”
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