IP-10作为牛结核病诊断标志物的初步探究

高新桃，贾红，杨宏军，朱良全，郭晓宇，侯邵华，袁维峰， 朱鸿飞，鑫婷，丁家波*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2. 中国兽医药品监察所，北京 100081；3. 山东省农业科学院奶牛研究中心，济南 250183)

牛结核病(Bovine Tuberculosis)是一种主要由结核分枝杆菌复合群(Mycobacterium tuberculosis comples, MTBC)成员—牛分枝杆菌(Mycobacteriumbovis，M.bovis)感染引起的一种人兽共患慢性传染病[1-2]。目前世界范围内的牛结核病疫情形势严峻，约有 5000 万头牛感染了结核病，造成的经济损失每年达 30 多亿美元，野生动物带菌状况更是无法精确统计[3]，我国牛结核病流行数据主要来自于零星报道：2009～2014年青海23个县市奶牛结核病平均阳性率0.06%，耗牛阳性率为0.05%[4]；山东省2010～2012年牛结核病阳性率分别为29.34%、27.96%和14.93%[5]；个别奶牛场结核病的阳性率为10.18%[6]，牛结核病给畜牧业带来巨大经济损失和贸易限制。该病能传染给人，严重威胁人类健康。据调查，2003 年结核病患者中约有3.4%是由牛分枝杆菌感染引起的，2011 年则上升至 5.4%，在墨西哥，有38%的结核病患儿是由牛分枝杆菌感染引起[7]。因此，牛结核病的有效检测和防控直接关系着公共卫生安全。目前，世界上对牛结核病的诊断主要依赖于结核菌素皮试试验，新西兰、美国、澳大利亚等发达国家也将IFN-γ释放试验推荐作为牛结核病的诊断方法。科研工作者仍在不断开发新的诊断方法和诊断试剂盒，以期进一步提高牛结核病诊断方法的灵敏度和特异性，降低检测成本，简化检测步骤，建立更加符合基层和检疫部门不同需求的牛结核病诊断方法。

在人结核病诊断方法的研究中发现，IP-10、IL-12和TNF-α等细胞因子与结核病的感染相关，并有作为结核病分子标志物的潜力，本研究主要通过采集并分离田间筛选的结核病阳性牛、阴性牛和牛分枝杆菌人工感染牛的外周血淋巴细胞，利用PPDB、CE、MPT63等抗原刺激后，Real-Time PCR检测IL-12p40、IP-10、IFN-γ和TNF-α的转录水平，初步评价上述细胞因子与牛结核病的相关性，并用建立的real-time PCR检测方法检测14头结核病阳性牛，初步评价其对牛结核病的检出效果，从而为进一步筛选牛结核病诊断标识提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料 牛分枝杆菌强毒参考株68002(CVCC68002)来自国家兽医微生物菌种保藏中心。M-LV，Oligo dT(15)购自Promega公司；TRIZOL购于Invitrogen公司；dNTP、RI购自TAKARA公司； RPMI1640培养基购自GIBCO公司；48孔细胞培养板购自Corning公司；牛淋巴细胞分离液购自天津灏洋生物公司；Taqman荧光定量试剂盒购自ABI公司；IFN-γ 释放试验用PPDA(Prionics AG)、PPDB(Prionics AG)和BovigamTM购自北京测迪公司；皮试用PPDB、PPDA购买自哈尔滨第六生物制品厂；重组蛋白CFP-10/ESAT-6/TB10.4(CET，0.5 mg/mL)、pET-32a载体标签蛋白PET(20 μg/mL)、CFP-10-ESAT-6(CE，20 μg/mL)和MPT63(20 μg/mL)由实验室制备并保存。

1.2 方法

1.2.1 皮试试验 结核菌素皮试试验(Tuberculin Skin Test, TST)根据国家标准《动物结核病诊断技术》(GB/T 18645-2002)进行操作其判定标准为：PPD-B为检测原时，局部有炎性反应，皮厚差≥4 mm为阳性反应；无炎性反应，皮厚差<2 mm为阴性反应；局部炎性反应不明显，2≤皮厚差<4 mm需在检测结束后两个月后进行复检，第二次检测皮厚差≥2 mm，则判定为结核病阳性。

基于重组蛋白CFP-10/ESAT-6/TB10.4的皮试试验(CFP-10/ESAT-6/TB10.4-based skin test, CET-based ST)为实验室建立。该方法操作步骤为在牛颈部一侧皮内注射0.1 mL，分别在注射前和注射后72 h由同一操作人员，用游标卡尺测量注射部位皮肤厚度，其判定标准为：皮厚差≥1.1 mm为结核病阳性，皮厚差<1.1 mm为结核病阴性。

1.2.2 IFN-γ释放试验 采集实验动物全血置于10 mL肝素锂抗凝采血管中，分装至48孔细胞培养板中(750 μL/孔，5孔/份样品)，无菌条件下分别加入50 μL的PPD-B、PPD-A、PBS、CE、MPT63和PET，轻轻混匀后于37 ℃培养24 h。6000 r/min离心，收集上清，按照BovigamTM试剂盒说明书进行检测，不同刺激原的OD450nm值分别记作ODPPDB、ODPPDA、ODPBS、ODCE、ODMPT63和ODPET。结果判定：PPDB/PPDA作为刺激原时(Interferon Gama Release Assay, IGRA)，ODPPDB-ODPPDA<0.1，或ODPPDB-ODPBS<0.1，判为阴性；ODPPDB-ODPPDA≥0.1且ODPPDB-ODPBS≥0.1判定为牛结核病阳性。重组蛋白CE作为刺激原时(CE-based IGRA)， ODCE-ODPBS≥0.1判定为阳性；ODCE-ODPBS<0.1，判为阴性。ODCE-ODPBS≥0.1判断为阳性。

1.2.3 牛外周血淋巴细胞的分离及刺激 经颈静脉采集全血放于肝素锂抗凝采血管中，参照灏洋生物公司牛淋巴细胞分离液说明书操作，分离外周血淋巴细胞(PBLC)，加入1 mL红细胞裂解液，轻轻吹悬后，静置3 min，加入10 mL 含10%胎牛血清的RPMI1640培养基终止反应，1000 r/min离心5 min，倾去培养基，再用PBS洗涤2次细胞。用2 mL含10%胎牛血清的 RPMI1640培养基重悬PBLC，以2×106cell/mL浓度铺于48孔细胞培养板中(200 μL/孔，6孔/份样品)。分别向各个孔中加入50 μL的PPDB、PPDA、PBS、CE、M6PT63和 PET，37 ℃ CO2培养箱中孵育6 h，每孔分别加入750 μL TRIZOL，冻存于-80℃备用。

1.2.4 Real-Time PCR 按照TRIZOL说明书提取细胞总RNA。提取后用50 μL DEPC水60 ℃溶解10 min；加入RNA酶抑制剂(RI，1 uL/管)，分光光度计定量后，参照TAKARA反转录试剂盒说明书，合成cDNA,保存于-20 ℃备用。

以cDNA为模板，β-actin基因为内参，使用TaqMan Real-Time PCR Master Mix(ABI)试剂盒检测牛PBLC中IFN-γ、IL-12p40、IP-10和TNF-α的mRNA转录水平。每头牛PBS刺激孔样品为空白参照，每个样品作3个重复孔，用ΔΔCT法分析试验数据。

1.2.5 田间筛选结核病阳性牛和结核病阴性牛 通过TST、IGRA、CET-based ST 和CE-based IGRA从结核病流行牛场筛选10头结核病阳性牛，从连续五年没有检测到结核病的牛场中筛选5头结核病阴性牛，分别采集外周血，放于肝素锂抗凝采血管，无菌分离PBLC分装于48孔细胞培养板，并用PPDB、PET、CE、MPT63和PBS刺激6 h，收获细胞后，提取总RNA，Real-Time PCR检测IFN-γ、IL-12p40、IP-10和TNF-α的mRNA转录水平，以初步评价细胞因子转录水平与牛结核病的相关性，并筛选有潜力用于牛结核病诊断的细胞因子。

1.2.6 人工感染牛验证分子标识

1.2.6.1M.bovis68002的复苏及制备 将强毒株M.bovis68002冻干粉充分溶解于2 mL无菌水中，取100 μL接种到7H10固体培养基斜面，4 w后，挑取单菌落，转接7H9液体培养基，37 ℃，180 r/min连续培养14～21 d。收获菌液，3000 r/min离心15 min，收集菌体沉淀并称重，用7H9培养液重悬至浓度为400 mg/mL，混匀后置于4 ℃保存备用。

1.2.6.2 人工攻毒 在连续五年没有检测到结核病的牛场，用TST、IGRA、CET-based ST 和CE-based IGRA筛选6头1～2月龄结核病阴性犊公牛。将6头牛随机分成两组，其中3头牛静脉注射2 mLM.bovis68002菌液，另外3头静脉注射2 mL PBS生理盐水作为空白对照。于感染后20 w利用IGRA、CE-based IGRA检测动物的感染情况。分别于感染前和感染后30 w，采集全血，置于肝素锂抗凝采血管，无菌分离PBLC分装于48孔细胞培养板，并用PPDB、PET、CE和PBS刺激6 h，收获细胞后，提取总RNA，Real-Time PCR检测IFN-γ和IP-10 mRNA转录水平，以进一步确认IFN-γ和IP-10 mRNA转录水平与牛分枝杆菌感染之间的相关性。

1.2.7 牛结核病IFN-γ和IP-10 Real-Time PCR检测方法在临床上的初步应用 通过TST、IGRA、CET-based ST 和CE-based IGRA从结核病流行牛场筛选10头结核病阳性牛，从连续五年没有检测到结核病的牛场中筛选6头结核病阴性牛，分别采集外周血，放于肝素锂抗凝采血管，提取PBLC分装于48孔细胞培养板，分别用PPDB、CE和PBS刺激6 h，收获细胞并提取总RNA，利用建立的牛结核病IFN-γ和IP-10 Real-Time PCR检测方法进行检测，初步评价其对牛结核病检出效果。

1.2.8 统计学分析 将1.6.1数据利用GraphPad Prism 6软件作ROC分析，获得各细胞因子检测方法的cutoff值；用ANOVA Kruskal-Wallis检验分析组间差异；用Spearman检验分析组间相关性；P<0.05时，判定为差异显著。

2 结果与分析

2.1 皮试试验和IFN-γ释放试验筛选结核病阳性牛和结核病阴性牛 通过TST、IGRA、CET-based ST 和CE-based IGRA筛选结核病阳性牛10头和结核病阴性牛5头(图1)。结果表明以PPDB、PPDA、PET、PBS、CE和MPT63分别为刺激原刺激全血时，结核病阴性牛全血经上述抗原刺激后，其IFN-γ水平保持稳定，而结核病阳性牛全血经PPDB、PPDA、CE刺激后，其IFN-γ水平显著高于PET、PBS和MPT63刺激，且显著高于结核病阴性牛。因此，MPT63可能并不适于作为牛结核病IFN-γ释放试验的刺激原。

A：结核菌素皮试试验及基于重组蛋白CET的皮试试验；B：IFN-γ释放试验图1 皮试试验及IFN-γ释放试验检测结果Fig 1 Results of skin test and Interferon gamma release assay

2.2 牛结核病细胞因子诊断标识的初步筛选 以PPDB、PPDA、PBS、PET、CE和MPT63分别对牛PBLC进行刺激，以β-actin基因为内参，进行Real-Time PCR，检测IFN-γ、IL-12p40、IP-10和TNF-α mRNA转录水平。以每头牛的PBS刺激孔样品为参照，用ΔΔCT法分析试验数据，检测结果如图2。结果显示PET不能刺激阳性牛PBLC中IFN-γ、IL-12p40、IP-10和TNF-α mRNA转录水平提高，所以重组蛋白CE和MPT63中标签蛋白的作用可以忽略不计。MPT63刺激后，结核病阳性牛和阴性牛的IFN-γ、IL-12p40、IP-10和TNF-α mRNA转录水平并无显著性差异，这也与2.1中的结果吻合。因此，MPT63不适于作为刺激原。

图2 细胞因子mRNA转录水平Fig 2 The mRNA transcription levels of Cytokines

PPDB、PPDA和CE作为刺激原时，其诱导结核病阳性牛PBLC产生的IFN-γ、IP-10和TNF-α显著高于结核病阴性牛，由于致病性分枝杆菌和环境分枝杆菌存在交叉抗原，因此以PPDB作为刺激原检测细胞因子时，需要同时以PPDA作为对照。CE仅存在于致病性分枝杆菌群中，能够特异性地刺激结核病阳性牛PBLC产生IFN-γ、IP-10、TNF-α，因此选择CE刺激后牛PBLC样品用Spearman检验分析细胞因子mRNA转录水平之间相关性。结果显示在CE刺激PBLC后， IFN-γ与IL-12p40、IP-10和TNF-α的mRNA转录水平之间的相关系数分别为0.47、0.65和0.88，虽然TNF-α与IFN-γ的mRNA转录水平之间相关性最好，但TNF-α在结核病阳性牛和阴性牛的转录水平差异较小，作为分子标识可能会发生漏检。因此，TNF-α并不适合作为牛结核病的分子标识。IL-12p40与IFN-γ、IP-10和TNF-αmRNA转录水平之间的相关系数分别为0.47、0.15和0.45，且结核病阳性牛和阴性牛的PBLC经CE刺激后，IL-12p40转录水平无显著性差异，因此IL-12p40不适合作为牛结核病的分子标识。结核病阳性牛PBLC经CE刺激后，IP-10的mRNA转录水平显著高于结核病阴性牛，且其转录水平与IFN-γ呈正相关(Spearman r=0.65)，有作为牛结核病诊断标识的潜力。

为了获得基于IFN-γ、IP-10和TNF-α mRNA转录水平的荧光定量PCR检测方法的cutoff值和其相对的检测灵敏度和特异性，比较IFN-γ、TNF-α和IP-10作为牛结核病分子标识的潜力，ROC方法分析10头结核病阳性牛和5头阴性健康牛的CE刺激后PBLC中各细胞因子的mRNA转录水平，分析结果如表2。结果显示以IFN-γ、TNF-α和IP-10的mRNA转录水平建立的Real-Time PCR检测方法的曲线下面积(AUC)均大于0.9，表明该方法能够较为真实地反应牛分枝杆菌的感染情况。由于用于ROC分析的样本量少，在筛选cutoff值时，只能从60%、80%和100%的特异性中进行选择，考虑到本次试验中我们选择的阳性牛个体细胞免疫反应均很强，细胞因子的相对表达量也高于文献报道，如果选择特异性100%作为指标，获得的cutoff值很可能会偏大，会造成漏检，因此，选择特异性为80%，则IFN-γ、TNF-α和IP-10的cutoff值分别为10.45、6.762和1.403，其检测灵敏度均可达90%以上。

表1 细胞因子荧光定量PCR检测方法的ROC分析Tab 1 ROC analysis of Cytokines-based Real-Time PCR diagnostic methods

2.3 牛结核病细胞因子诊断标识的验证 感染后20 w，利用IGRA、CE-based IGRA检测6头试验牛，结果显示3头M.bovis68002感染牛呈牛结核病阳性，3头PBS注射牛呈牛结核病阴性(数据未显示)。分别于感染前和感染后30 w采集全血，无菌分离PBLC经CE和PBS刺激后，Real-Time PCR检测IFN-γ和IP-10 mRNA转录水平。结果显示M.bovis68002感染牛的PBLC经CE刺激后，其IFN-γ和IP-10 mRNA转录水平显著高于感染PBS对照牛，因此CE诱导的IP-10的转录水平与牛分枝杆菌感染相关，有作为牛结核病分子标识的潜力。

2.4 临床检测结果 利用建立的牛结核病Real-Time PCR检测方法，检测临床筛选的14头结核病阳性牛，基于IFN-γ和IP-10 mRNA Real-Time PCR方法检出率分别为71.4%(10/14)和78.57%(11/14)。

图3 CE诱导的IFN-γ和IP10 mRNA转录水平Fig 3 The mRNA transcription levels of CE induced IFN-γ and IP10

3 讨 论

细胞因子在结核病发病进程中起重要作用，探讨细胞因子的表达水平与牛结核病之间的关系，筛选能够作为结核病诊断用的新型分子标识也是目前结核病研究领域的热点之一。IFN-γ是重要的免疫调节因子，具有抗病毒和细胞毒的活性，还能够激活巨噬细胞, 促进细胞因子的释放, 增强巨噬细胞的吞噬作用，是目前用于检测人和动物结核病的细胞因子[8-9]。其原理是：在体外培养条件下，外周血淋巴细胞(PBLC)再次接触分枝杆菌特异抗原后被活化，表达并释放大量的IFN-γ，通过Real-Time PCR检测IFN-γ的mRNA的转录水平，或利用ELISA蛋白表达水平，或利用ELISPOT技术检测分泌IFN-γ的淋巴细胞进行数来判断人或动物是否感染结核病。但是该方法并不能区分结核病的感染期，因此，科研工作者不断寻找新的细胞因子作为检测靶标，以适应不同的检测需求[10-11]。

研究人员用CE、PPDB或TB10.4刺激人外周血淋巴细胞，对比细胞因子TNF-α、IFN-γ、IL-10、IL-12p40、IL-13、IL-17和IL-18的表达水平发现，TNF-α、IL-12p40能够用于区分人结核病的开放期和潜伏期感染[12]；IP-10是IFN-γ趋化因子10(monocyte-derived chemokine IFN-γ-induced protein 10，亦名为CXCL10)，是最新发现的人结核病分子标识，有作为治疗监测和人结核病进程分子标识的潜力[11, 13-15]。为了研究细胞因子与牛结核病之间的相关性，筛选新的牛结核病分子标识，本研究首先利用Real-Time PCR检测了不同抗原刺激后的田间筛选的结核病阳性牛和阴性牛的PBLC的IL-12 p40、IP-10、IFN-γ和TNF-α的转录水平，发现结核病阳性牛CE诱导IP-10和IFN-γ显著高于结核病阴性牛，且CE诱导的IP-10和IFN-γ转录水平具有良好的相关性；其次发现M.bovis68002感染牛的PBLC经CE刺激后，IP-10和IFN-γ转录水平显著高于PBS对照牛，证实CE诱导的IP-10与牛分枝杆菌感染相关；最后用建立的Real-Time PCR方法检测14头田间筛选的结核病阳性牛，IP-10 Real-Time PCR检测出11头阳性，IFN-γ Real-Time PCR检测出10头阳性牛，从而进一步证实CE诱导的IP-10 mRNA转录水平有作为牛结核病分子标识的潜力。

然而，研究的局限之处在于田间样本量较少，难以获得IP-10 Real-Time PCR检测方法准确的cutoff值，此外，也未能检测IP-10的蛋白质表达水平，未能证实CE诱导的血浆中IP-10是否可以作为牛结核病分子标识，有待进一步研究。

4 小 结

研究发现IP-10的mRNA转录水平与牛分枝杆菌感染相关，结核病阳性牛的外周血淋巴细胞经牛分枝杆菌特异性抗原CE刺激后，其IP-10的mRNA转录水平与IFN-γ呈正相关，且均显著高于结核病阴性牛，建立的IP-10 Real-Time PCR方法对14头结核病阳性牛的检出率可达78.57%。因此，CE诱导的IP-10 mRNA转录水平有作为牛结核病分子标识的潜力，但其蛋白表达水平是否可以作为牛结核病分子标识则有待进一步探究。

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