《Microbiology Spectrum》：MRI of Syrian hamsters reveals SARS-CoV-2 variant-specific neuroinflammation
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本研究通过多模态磁共振成像（MRI）与组织病理学分析，首次在叙利亚仓鼠模型中系统揭示了SARS-CoV-2不同变异株（WH-09、XBB.1、BA.1、BF.7）在原发感染及再感染后呈现显著差异的神经侵袭能力。研究发现，免疫逃逸能力强的XBB.1变异株可引起持续性嗅缘区（如海马体）损伤，并导致白质微结构改变（FA值降低、RD值升高），而Omicron亚株神经侵袭性较弱。该研究为评估新冠病毒变异株的神经致病机制提供了优化的动物模型和成像策略。
叙利亚仓鼠脑图谱与MRI模板
由于脑组织含水量略高，仓鼠在相同磁场强度（如7.0 T MRI）下可能表现出较低的灰白质对比度。因此，研究采用T2加权结构MRI来勾勒和标注主要脑结构，并参考叙利亚仓鼠的组织化学脑图谱进行注释。研究人员利用八只健康仓鼠的T2图像构建了MRI模板，为基于MRI的仓鼠神经及精神疾病模型研究提供了解剖学参考框架。与C57BL/6小鼠相比，仓鼠具有更大的脑体积和下丘脑核团（如视交叉上核）增强发育，这赋予了其更强的昼夜节律和季节性行为调节能力。此外，仓鼠的嗅球比例更大（约占总体脑体积的5%，而小鼠为2%–3%），反映了其依赖嗅觉的行为生态学特征。这一神经解剖学特点进一步凸显了其在呼吸道传染病研究中的模型效用。
SARS-CoV-2感染仓鼠脑部的T2和T2* MRI成像
由于生物安全三级（BSL-3）实验室无法容纳高场小动物MRI系统，研究对SARS-CoV-2感染仓鼠的脑组织进行了离体（ex vivo）MRI扫描。为比较不同毒株的致病性，叙利亚仓鼠分别经鼻接种WH-09、BA.1、BF.7或XBB.1，并于感染后21天（dpi）处死。此外，在初次感染WH-09毒株6个月后，仓鼠再次接受四种变异株的攻击，并于再感染后21天（dpr）收集组织。
T2加权成像显示，在初次感染WH-09和XBB变异株21天后，仓鼠海马旁回出现显著高信号，提示水肿或炎症改变。这种现象可能归因于SARS-CoV-2感染激活了小胶质细胞和星形胶质细胞，触发促炎细胞因子（如IL-6、TNF-α）释放，从而导致神经炎症。与WH-09相比，XBB.1变异株因其更强的免疫逃逸能力，表现出增强的神经侵袭性，促进了血脑屏障（BBB）穿透和病毒持续积累，导致慢性神经退行性改变，在T2加权图像上表现为广泛的双侧海马区高信号。值得注意的是，WH-09感染仓鼠受病毒侵袭的海马区域明显小于XBB.1感染组。
同时，病毒介导的血管内皮损伤和血脑屏障通透性增加导致微出血（直径50–200 μm），在WH-09和XBB感染仓鼠的T2加权成像中可检测到。这些微出血主要分布在皮质下白质和丘脑区域，与COVID-19临床病例的神经影像学发现一致。在初次感染WH-09的仓鼠进行二次感染（无论是WH-09还是XBB）后，嗅球和海马的T2和T2加权图像均未观察到显著信号异常。神经损伤程度明显低于初次感染，表明初次感染产生的免疫保护可以抑制二次感染引起的神经炎症反应。与临床报告一致，Omicron亚变体（BA.1/BF.7）在神经病理学上主要引起局部代谢紊乱——这一结论在仓鼠模型中得到验证。BA.1/BF.7感染后，T2或T2*加权序列均未观察到显著的成像异常。
SARS-CoV-2感染仓鼠脑部的弥散张量成像（DTI）分析
DTI分析显示，在初次感染WH-09后21天，叙利亚仓鼠模型的胼胝体各向异性分数（FA）显著降低（-24.3%），海马体FA也显著降低（-37.3%），提示轴突损伤。同时，海马体径向扩散系数（RD）大幅增加（+93.7%），平均扩散系数（MD）也显著增加（+52.2%），表明存在与病毒直接侵袭少突胶质细胞相关的脱髓鞘改变。这些变化与血脑屏障破坏导致血管内液体外渗到细胞外间隙一致，并与T2加权成像上海马区显著的炎症表现相关。在二次感染WH-09后，海马体和胼胝体的FA降低减弱（分别为-17.2%和-19.6%），MD或RD值无显著变化。
值得注意的是，初次XBB.1感染比WH-09引起更明显的神经侵袭性，DTI指标证明了这一点：在初次感染和二次XBB.1感染组中，海马体FA均显著降低（分别为-60.8%和-57.5%）。这种现象归因于XBB.1强大的免疫逃逸能力，促进了病毒在脑内的持续存在，可能诱发慢性炎症性脱髓鞘。初次XBB.1感染导致海马体RD和MD急剧升高（分别+128.5%和+205.6%），而二次感染引起的变化可忽略不计。与WH-09感染不同，XBB.1感染仓鼠的嗅球显示出显著的DTI改变，FA降低分别为-35.7%（初次感染）和-34.9%（二次感染）。同时，内嗅皮层和梨状皮层的FA降低暗示嗅觉通路中断，表明XBB.1在仓鼠中诱导了嗅觉减退。
相比之下，BF.7/BA.1在主要白质束（包括嗅球、胼胝体和海马体）中未显示显著的FA或MD变化，这与它们较低的神经侵袭潜力一致。
SARS-CoV-2感染仓鼠脑部的组织学特征
苏木精-伊红（H&E）染色切片的组织病理学分析显示，在初次感染WH-09后21天，叙利亚仓鼠海马区存在广泛的神经元损伤。观察到胶质增生性水肿和血管周围间隙增宽，表明WH-09诱导了脑血管炎症和血脑屏障破坏。在海马区观察到杆状小胶质细胞，这是病毒感染导致小胶质细胞病理性伸长或增殖的指标。相比之下，初次XBB.1感染导致严重的脑室扩大，伴有明显的脑室扩张。与WH-09感染组相比，XBB.1感染仓鼠的海马区胶质血管增生和白质空泡化明显更严重，提示脱髓鞘进程加速。XBB.1增强的神经侵袭性与人类尸检证据一致，后者证明病毒核衣壳在神经组织中持续存在。
在初次感染WH-09后进行二次感染（无论是WH-09还是XBB），与单独初次感染相比，神经元和胶质细胞损伤显著减弱。值得注意的是，BF.7/BA.1在原发感染和二次感染模型中均表现出最小的组织病理学改变。未检测到显著的神经元变性，炎症反应保持 subdued，这与它们降低的神经侵袭潜力一致。
讨论
临床证据表明，SARS-CoV-2感染可伴随明显的神经系统改变，包括脑部MRI可检测的异常。COVID-19患者的报告发现包括脑实质或脑膜的炎症变化（可能反映病毒触发的免疫反应）、以及罕见的脑血管并发症（如梗死或出血）。这些神经影像学发现提示，SARS-CoV-2可通过直接神经侵袭或免疫介导的机制诱导神经损伤，导致神经元损伤和炎症。值得注意的是，嗅觉和味觉功能障碍是亚急性期高度普遍的神经精神特征，研究报道高达86%的患者出现嗅觉功能障碍（嗅觉减退或丧失），86%出现味觉功能障碍（味觉减退）。Qin开发的hACE2转基因模型证明了感染后嗅球和脑干区域存在病毒抗原，表明病毒沿嗅觉通路进行跨突触传播，最终到达脑干呼吸中枢。这一发现为解释患者嗅觉减退和呼吸衰竭的神经机制提供了直接证据。
叙利亚仓鼠模型通过自然的ACE2受体兼容性克服了小鼠模型的局限性，能够实现真实的感染。它独特地证明了SARS-CoV-2在病毒血症之前通过外周神经进行早期神经侵袭，并模拟了长期神经系统后遗症，如神经炎症和蛋白质病变，为研究COVID-19对神经系统的急性和持久影响提供了一个关键系统。本研究将叙利亚仓鼠确立为用于SARS-CoV-2神经致病机制研究的神经解剖学优化模型，利用了其比例增大的嗅球（约占脑体积的5%，而小鼠为2%–3%）和肥大的下丘脑核团，以克服啮齿类动物模型的局限性。通过采用在7.0 T下解决固有灰白质对比度挑战的T2加权MRI方案，我们生成了叙利亚仓鼠的注释脑图谱——这是呼吸道病毒研究的关键基础。至关重要的是，多模态成像揭示了WH-09和XBB.1变异株之间不同的神经致病机制。WH-09和XBB.1主要诱导显著的神经炎症，T2加权像上海马旁回的高信号证明了这一点，这表明了由小胶质细胞/星形胶质细胞激活和IL-6/TNF-α释放引起的水肿。此外，T2成像在皮质下白质和丘脑检测到相关的微出血（50–200 μm）。XBB.1表现出更强的神经侵袭性，双侧海马病变面积是WH-09的2.3倍。这归因于其免疫逃逸能力促进了血脑屏障穿透和病毒持续复制。组织病理学验证揭示了XBB.1变异株存在严重的脑室扩大和胶质血管增生，与WH-09中观察到的神经元核固缩和血管周围水肿明显不同。
DTI指标进一步量化了变异株依赖的白质脆弱性：WH-09初次感染导致轴突损伤（胼胝体FA↓24.3%，海马FA↓37.3%）和脱髓鞘（海马RD↑93.7%），二次感染后减弱（FA↓17.2%–19.6%），表明存在部分免疫保护。相反，XBB.1导致持续性海马变性（初次感染FA↓57.5%–60.8%；RD↑128.5%）和严重的嗅觉通路中断（嗅球FA↓35.7%，内嗅/梨状皮层FA↓），为XBB.1诱导的嗅觉减退提供了微观结构证据，并与组织病理学空泡化相关。这些变化与人类尸检中神经组织内持续存在病毒核衣壳的证据一致，证实了经嗅觉传播是主要的神经侵袭途径。值得注意的是，Omicron BA.1/BF.7未显示显著的T2/T2*/DTI异常，且组织病理学改变（神经元丢失）极小，证实了临床报道的神经嗜性减弱。
成像与组织病理学的结合阐明了三个原则。首先，免疫逃逸能力决定了神经毒力的进展。例如，XBB.1的抗体抵抗性导致慢性脱髓鞘和脑室扩大。其次，临床症状如嗅觉减退（源于嗅球FA降低35.7%）和认知缺陷（源于海马RD增加205.6%）源于嗅缘区的易损性。最后，二次感染的结果因变异株而异，免疫记忆能减弱WH-09的损伤，但无法对抗XBB.1的持续性。尽管本研究限于急性/亚急性期和雄性队列，但该方法为未来研究工作绘制长期后遗症图谱和评估针对免疫逃逸变异株的嗅觉靶向干预措施奠定了基础。最关键的是，XBB引起的未解决的神经损伤凸显了不断进化的SARS-CoV-2谱系带来的持续神经学威胁，而BA.1和BF.7的毒力减弱则为毒力调节提供了机制性见解。
无法在BSL-3实验室内进行活体仓鼠的连续MRI观察限制了本研究对神经炎症病变动态进展的描述。然而，离体MRI扫描仍然有效地揭示了不同SARS-CoV-2变异株诱导的神经炎症反应的差异。
材料与方法
病毒与细胞系
本研究使用的SARS-CoV-2 WH-09毒株、Omicron BA.1变异株、Omicron BF.7变异株和Omicron XBB.1变异株均来源于中国医学科学院医学实验动物研究所。所有病毒均在Vero E6细胞系中增殖并随后进行滴定。采用Reed-Muench法计算病毒滴度（TCID50）。
动物实验
本研究使用6至8周龄的无特定病原体（SPF）叙利亚仓鼠。仓鼠经鼻接种四种SARS-CoV-2毒株，剂量均为每只1 × 105TCID50。为评估毒株间致病性差异，每组6只仓鼠（雌雄各半）在感染后21天处死。此外，初次感染WH-09毒株的仓鼠在6个月后再次接受四种病毒株的攻击，并于再感染后21天处死。取出的仓鼠头部（脑组织原位保留在颅骨内）经多聚甲醛固定后，用于离体MRI成像。
离体MRI采集
所有神经成像均在7.0 T动物MRI系统上使用20 mm体积线圈进行。成像前，脑组织浸入磁化率匹配的全氟聚醚中以消除空气-组织界面。3D T2加权图像采用快速自旋回波序列采集。3D T2*加权图像采用梯度回波序列采集。DTI图像采用自旋回波扩散准备序列采集，包含30个扩散方向。
MRI数据处理与分析
T2加权结构图像的后处理使用ANTs软件进行，包括去除非脑组织、强度不均匀性校正。使用T2*加权图像通过刚性和非线性配准方法构建平均模板，并参考组织化学脑图谱进行解剖标注。使用ITK-SNAP对嗅球、海马体等区域进行手动分割和体积分析，并计算T2信号强度。DTI数据使用DSI Studio进行预处理和张量拟合，从定义的感兴趣区域提取FA、MD等指标平均值。采用双尾非配对t检验进行组间比较，P < 0.05认为有统计学意义。
H&E研究
福尔马林固定的仓鼠脑组织制备成5 μm厚冠状切片，经乙醇梯度脱水、二甲苯透明、石蜡包埋后，进行H&E染色。在光学显微镜下观察皮层和海马结构，并使用集成数字成像系统捕获图像。
致谢
本研究由中国医学科学院医学与健康科技创新工程、北京市自然科学基金和国家自然科学基金等项目资助。
