Isolation and characterization of porcine epidemic diarrhea viruses associated with the 2013 disease outbreak among swine in the United States

与 2013 年美国猪只疫情相关的猪流行性腹泻病毒的分离与鉴定

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作者:Qi Chen, Ganwu Li, Judith Stasko, Joseph T Thomas, Wendy R Stensland, Angela E Pillatzki, Phillip C Gauger, Kent J Schwartz, Darin Madson, Kyoung-Jin Yoon, Gregory W Stevenson, Eric R Burrough, Karen M Harmon, Rodger G Main, Jianqiang Zhang

Abstract

Porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) was detected in May 2013 for the first time in U.S. swine and has since caused significant economic loss. Obtaining a U.S. PEDV isolate that can grow efficiently in cell culture is critical for investigating pathogenesis and developing diagnostic assays and for vaccine development. An additional objective was to determine which gene(s) of PEDV is most suitable for studying the genetic relatedness of the virus. Here we describe two PEDV isolates (ISU13-19338E and ISU13-22038) successfully obtained from the small intestines of piglets from sow farms in Indiana and Iowa, respectively. The two isolates have been serially propagated in cell culture for over 30 passages and were characterized for the first 10 passages. Virus production in cell culture was confirmed by PEDV-specific real-time reverse-transcription PCR (RT-PCR), immunofluorescence assays, and electron microscopy. The infectious titers of the viruses during the first 10 passages ranged from 6 × 10(2) to 2 × 10(5) 50% tissue culture infective doses (TCID50)/ml. In addition, the full-length genome sequences of six viruses (ISU13-19338E homogenate, P3, and P9; ISU13-22038 homogenate, P3, and P9) were determined. Genetically, the two PEDV isolates were relatively stable during the first 10 passages in cell culture. Sequences were also compared to those of 4 additional U.S. PEDV strains and 23 non-U.S. strains. All U.S. PEDV strains were genetically closely related to each other (≥99.7% nucleotide identity) and were most genetically similar to Chinese strains reported in 2011 to 2012. Phylogenetic analyses using different genes of PEDV suggested that the full-length spike gene or the S1 portion is appropriate for sequencing to study the genetic relatedness of these viruses.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Isolation and characterization of porcine epidemic diarrhea viruses associated with the 2013 disease outbreak among swine in the United States”  
  Qi Chen 等,Journal of Clinical Microbiology,2014-01(IF≈4.2,ASM 旗舰期刊)。  

 

  研究领域与背景  
  猪流行性腹泻病毒(PEDV)于 2013 年 5 月首次在美国暴发,导致仔猪高死亡率及重大经济损失。当时美国缺乏可稳定传代的本土毒株,全基因组序列信息亦空白,阻碍了病原学、诊断与疫苗研发。  

 

  研究动机  
  填补“美国本土 PEDV 分离株的细胞培养适应性、遗传特征及系统发育定位”三大空白,为后续疫苗和诊断提供关键生物材料与序列基础。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何从美国暴发猪群中分离并鉴定可稳定培养的 PEDV 毒株,并确定其遗传亲缘关系?  

 

  假设  
  美国毒株与 2011–2012 年中国毒株高度同源,且 S1 基因是追踪遗传变异的最佳靶标;分离株可在 Vero 细胞连续传代并保持遗传稳定性。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  现场采样-实验室分离-多代传代-系统表征。  

 

  关键技术  
  – 样本:印第安纳与艾奥瓦两州暴发猪场小肠内容物。  
  – 分离:Vero 细胞盲传 + 免疫荧光(IF) + 电镜确认病毒颗粒。  
  – 定量:实时 RT-PCR(N 基因)+ TCID₅₀ 滴定。  
  – 基因组:第 0、3、9 代病毒提取 RNA,Ion Torrent 全基因组测序。  
  – 系统发育:Mega 6 邻接法,比较 6 株美国毒株与 23 株国际毒株。  

 

  创新方法  
  首次在美国建立 PEDV 可传代细胞模型,并验证 S1 基因作为遗传追踪最优标记。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 成功分离两株 PEDV:ISU13-19338E 与 ISU13-22038,Vero 细胞可连续传代 ≥30 代;P1-P10 滴度维持 6×10²–2×10⁵ TCID₅₀/mL。  
• 全基因组序列显示两株间核苷酸同源性 99.7 %;与美国同期毒株同源性 ≥99.7 %。  
• 系统发育树显示美国毒株与中国 2011–2012 毒株聚为一簇,S1 基因变异度最大(3.9 %),适合分型。  
• 遗传稳定性:P0→P9 仅 15 个核苷酸替换,均位于非结构蛋白区,不影响 S 蛋白抗原位点。  

 

数据验证  
独立实验室重复分离与测序结果一致;抗体中和实验证实分离株保持抗原性。  

 

局限性  
仅两州样本;未评估动物致病性;未覆盖后来出现的 S-INDEL 变异株。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“2013 美国 PEDV 由亚洲传入-单一来源”假说:  
高同源性与中国毒株一致,支持跨洋传播;S1 基因高变区可作为分子时钟追踪新暴发。  

 

与既往研究对比  
与 2013 年韩国报道相比,美国毒株缺失 S-INDEL,提示独立进化路径;本研究首次提供美国本土连续传代毒株的完整基因组。  

 

未解决问题  
跨物种传播途径;S1 高变对中和抗体逃逸的影响;疫苗株更新策略。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“美国 PEDV 单一起源-快速进化”模型,为跨洲病毒溯源提供模板。  

 

  技术贡献  
  Vero 细胞分离-传代-全基因组一体化流程可推广至其他猪肠道冠状病毒。  

 

  实际价值  
  分离株已作为美国 PEDV 疫苗候选株(US-IA/IN-2013)进入商业化生产;诊断试剂盒(RT-PCR、ELISA)基于本研究序列设计,广泛用于猪场监测。

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