Tổng quan nghiên cứu

Hội chứng rối loạn hô hấp và sinh sản ở lợn (PRRS), thường gọi là bệnh tai xanh, là một trong những bệnh truyền nhiễm nguy hiểm hàng đầu gây thiệt hại kinh tế đặc biệt nghiêm trọng cho ngành chăn nuôi lợn toàn cầu. Theo các báo cáo kinh tế dịch tễ, căn bệnh này ước tính tiêu tốn của ngành công nghiệp chăn nuôi lợn tại Mỹ khoảng 560 triệu USD mỗi năm. Tại Việt Nam, kể từ khi xuất hiện các ổ dịch lớn từ năm 2007, dịch bệnh đã bùng phát dữ dội tại nhiều địa phương; điển hình như đợt dịch năm 2010 đã ghi nhận hơn 717.830 con lợn mắc bệnh với 413.000 con bị tiêu hủy. Sự đa dạng di truyền và tốc độ đột biến nhanh của virus PRRS (PRRSV) khiến các loại vắc-xin hiện hành đôi khi không mang lại hiệu quả bảo hộ tuyệt đối, dẫn đến hiện tượng dịch tái bùng phát liên tục.

Trước bối cảnh cấp thiết đó, đề tài tập trung nghiên cứu toàn diện một số đặc tính sinh học và sinh học phân tử của 02 chủng virus PRRS thực địa bao gồm KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02. Mục tiêu cụ thể của công trình là xác định khả năng nhân lên, đánh giá hiệu giá gây nhiễm tế bào, phân tích tính sinh miễn dịch trên động vật thí nghiệm, đồng thời giải mã trình tự các đoạn gene cấu trúc quan trọng (ORF5 và ORF7) để xác định phả hệ tiến hóa. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên 02 chủng virus phân lập từ phổi và hạch phổi của lợn nái mang thai mắc bệnh tại tỉnh Thái Bình và Nghệ An vào năm 2013. Toàn bộ các nội dung thực nghiệm được triển khai từ tháng 9/2016 đến tháng 5/2017 tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ sinh học Thú y thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Kết quả của luận văn mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp nguồn dữ liệu gene quý giá phục vụ công tác giám sát dịch tễ, đồng thời tạo tiền đề tuyển chọn chủng giống chuẩn để sản xuất vắc-xin và chế phẩm sinh học đạt hiệu quả bảo hộ cao tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng thuyết tiến hóa phân tử và hệ thống phân loại virus học hiện đại đối với giống Arterivirus, họ Arteriviridae, bộ Nidovirales. Hệ gene của PRRSV là một phân tử RNA sợi đơn dương có kích thước xấp xỉ 15 kilobase (kb), bao gồm 9 khung đọc mở (ORF). Về mặt phát sinh loài, virus PRRS trên thế giới được chia thành hai kiểu gene chính: Type 1 (dòng Châu Âu, đại diện là chủng Lelystad) và Type 2 (dòng Bắc Mỹ, đại diện là chủng VR-2332). Mức độ tương đồng giữa hai kiểu gene này tương đối thấp, chỉ đạt khoảng 55% đến 70% về trình tự nucleotide và từ 50% đến 80% về trình tự amino acid.

Trong cấu trúc của virion, gene ORF5 mã hóa cho Glycoprotein 5 (GP5 có khối lượng 25 kDa), đóng vai trò then chốt trong quá trình nhận diện thụ thể tế bào chủ và chứa các epitope quan trọng kích thích sinh kháng thể trung hòa. Bên cạnh đó, gene ORF7 mã hóa cho protein màng nhân Nucleocapsid (protein N có khối lượng 15 kDa), chiếm từ 20% đến 40% tổng hàm lượng protein của hạt virus và mang tính kháng nguyên bảo tồn cao, thường được dùng trong chẩn đoán huyết thanh học. Mô hình nghiên cứu vận dụng lý thuyết tương tác kháng nguyên - thụ thể trên dòng tế bào cảm thụ Marc-145 và động học sinh miễn dịch dịch thể trên mô hình động vật thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu là 02 chủng virus PRRS thực địa (KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02). Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng để lấy mẫu từ các cá thể lợn nái mang thai biểu hiện bệnh tích tai xanh điển hình tại hai vùng chăn nuôi trọng điểm là Thái Bình và Nghệ An. Đối với thử nghiệm khả năng sinh kháng thể, cỡ mẫu động vật bao gồm 25 cá thể chuột lang (chia thành 2 lô thí nghiệm mỗi lô 10 con và 1 lô đối chứng 5 con) cùng 20 cá thể thỏ khỏe mạnh (chia thành 2 lô thí nghiệm mỗi lô 8 con và 1 lô đối chứng 4 con) không mang kháng thể PRRS trước đó.

Dòng tế bào thận khỉ Marc-145 được lựa chọn làm hệ thống nuôi cấy chính do tính ổn định cao và độ nhạy cảm tối ưu đối với các chủng PRRSV dòng Bắc Mỹ lưu hành tại Việt Nam. Tế bào được gây nhiễm ở tỷ lệ MOI = 0,1 để theo dõi bệnh tích tế bào (CPE). Hiệu giá virus được chuẩn độ theo phương pháp vi pha loãng trên đĩa 96 giếng và tính toán chỉ số TCID50 bằng công thức chuẩn Spearman-Karber. Kỹ thuật RT-PCR được thực hiện với cặp mồi đặc hiệu để khuếch đại phân đoạn ORF5 (720 bp) và ORF7 (372 bp). Trình tự nucleotide được giải mã tự động bằng hệ thống Beckman Coulter CEQ 8000 theo nguyên lý Sanger. Cây phát sinh chủng loại được xây dựng bằng phần mềm MEGA6 theo phương pháp Neighbor-Joining với hệ số lặp lại bootstrap 1000 đơn vị, đảm bảo tính chuẩn xác và tin cậy cao của kết quả phân tích phả hệ. Đáp ứng miễn dịch của thỏ và chuột lang được đánh giá thông qua phản ứng miễn dịch gắn men trên tế bào một lớp (IPMA) sau các mũi tiêm kháng nguyên tinh chế 20 µg.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học mang tính đột phá về đặc tính sinh học và sinh học phân tử của 02 chủng virus khảo sát:

Thứ nhất, về khả năng gây bệnh tích tế bào (CPE) trên dòng Marc-145, cả hai chủng virus đều biểu hiện sự hủy hoại tế bào rất sớm, bắt đầu quan sát thấy từ 36 giờ sau gây nhiễm với mức độ 10% bề mặt. Tế bào bị nhiễm co cụm tròn lại và chồi lên khỏi đáy bình nuôi cấy. Chủng KTY-PRRS-02 có tốc độ hủy hoại tế bào nhanh hơn, đạt 100% CPE ở thời điểm 72 giờ, trong khi chủng KTY-PRRS-01 đạt 100% CPE tại thời điểm 84 giờ sau gây nhiễm.

Thứ hai, hiệu giá lây nhiễm của virus đạt mức rất cao. Hiệu giá của chủng KTY-PRRS-01 đạt 1,74 x 10^6 TCID50/25µl, trong khi chủng KTY-PRRS-02 đạt tới 3,16 x 10^6 TCID50/25µl (cao hơn khoảng 81,6% so với chủng KTY-PRRS-01). Động học nhân lên cho thấy hàm lượng virus tự do giải phóng ra ngoài môi trường luôn cao hơn lượng virus tồn tại bên trong tế bào; đỉnh sao chép mạnh nhất tập trung trong khoảng từ 60 giờ đến 84 giờ sau gây nhiễm.

Thứ ba, phân tích sinh học phân tử xác định đoạn gene ORF5 có độ dài 603 bp mã hóa cho 200 amino acid của protein GP5; đoạn gene ORF7 có độ dài 372 bp mã hóa cho 123 amino acid của protein N. Mức độ tương đồng về trình tự nucleotide giữa hai chủng KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02 đạt tỷ lệ rất cao: 98,03% đối với ORF5 và 98,58% đối với ORF7; mức độ tương đồng amino acid tương ứng lần lượt là 95,04% và 96,32%.

Thứ tư, khi so sánh với các chủng tham chiếu quốc tế, độ tương đồng nucleotide của 02 chủng nghiên cứu đạt từ 85,12% đến 99,42% ở gene ORF5 và từ 92,93% đến 99,65% ở gene ORF7. Phân tích cây sinh học phân tử khẳng định cả hai chủng KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02 đều thuộc kiểu gene Type 2 (dòng Bắc Mỹ) và nằm cùng phân nhóm với các chủng virus PRRS độc lực cao có nguồn gốc từ Trung Quốc (như JXA1 và GD).

Thảo luận kết quả

Đặc tính gây bệnh tích tế bào nhanh và hiệu giá TCID50 đạt trên ngưỡng 10^6 cho thấy hai chủng phân lập có khả năng thích ứng và nhân lên tuyệt vời trên môi trường nuôi cấy nhân tạo. Hiện tượng hàm lượng virus ngoài môi trường cao hơn nội bào chứng minh cơ chế nảy chồi và giải phóng hạt virus diễn ra mạnh mẽ trước khi tế bào chủ bị ly giải hoàn toàn.

Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ đường cong sinh trưởng thể hiện sự biến thiên logarit TCID50 theo các mốc thời gian từ 12 đến 96 giờ, kết hợp cùng bảng ma trận đối sánh tỷ lệ tương đồng nucleotide và amino acid. Khi đối chiếu với các công trình nghiên cứu dịch tễ tại Việt Nam trong giai đoạn 2011-2016, kết quả này hoàn toàn nhất quán với nhận định rằng các chủng PRRSV độc lực cao dòng Bắc Mỹ vẫn đang là tác nhân gây bệnh chiếm ưu thế tại các tỉnh phía Bắc. Mức độ sai khác từ 0,58% đến 14,88% ở phân đoạn ORF5 so với các chủng vắc-xin cổ điển giải thích nguyên nhân vì sao việc tiêm phòng các loại vắc-xin nhập khẩu đôi khi không tạo được miễn dịch đồng nhất, củng cố tầm quan trọng của việc phát triển vắc-xin đặc hiệu từ chủng bản địa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm chuẩn xác, luận văn đưa ra bốn nhóm khuyến nghị hành động thiết thực:

  1. Chuẩn hóa quy trình nuôi cấy và bảo tồn nguồn giống virus: Giao Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ sinh học Thú y chủ trì tối ưu hóa các thông số nhân nuôi chủng KTY-PRRS-02 trên tế bào Marc-145 nhằm duy trì hiệu giá đạt tối thiểu 3,0 x 10^6 TCID50/25µl, hoàn thành lưu trữ nguồn giống chuẩn vào ngân hàng gene quốc gia trong thời gian 6 tháng.
  2. Nghiên cứu phát triển vắc-xin thế hệ mới: Khuyến nghị các viện nghiên cứu thú y phối hợp cùng các doanh nghiệp sản xuất sinh dược sử dụng chủng KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02 làm chủng hạt giống hoặc chủng công cường độc để đánh giá hiệu lực bảo hộ của vắc-xin nhược độc và vô hoạt nội địa, hướng tới mục tiêu đạt tỷ lệ bảo hộ thực địa trên 85% trong lộ trình 2 đến 3 năm tới.
  3. Mở rộng giám sát dịch tễ học phân tử định kỳ: Đề nghị Cục Thú y và Chi cục Chăn nuôi Thú y các địa phương thực hiện lấy mẫu định kỳ tại các ổ dịch mới, áp dụng quy trình RT-PCR giải trình tự gene ORF5 trên tối thiểu 80% các ca bệnh nghi ngờ để kịp thời phát hiện các biến chủng trôi dạt di truyền.
  4. Ứng dụng chế phẩm kháng nguyên trong chẩn đoán nhanh: Triển khai sản xuất bộ sinh phẩm chẩn đoán kháng thể kháng PRRSV bằng kỹ thuật IPMA chuẩn hóa từ nguồn kháng nguyên tinh chế của đề tài, rút ngắn thời gian xét nghiệm xuống dưới 4 giờ với độ nhạy đạt trên 95% trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng chính:

  • Giảng viên, nghiên cứu viên chuyên ngành Thú y và Công nghệ sinh học: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thao tác chuẩn trên tế bào Marc-145, kỹ thuật tinh chế kháng nguyên bằng siêu ly tâm thang nồng độ sucrose, và phân tích tin sinh học phả hệ virus.
  • Chuyên gia nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các công ty sản xuất vắc-xin thú y: Khai thác các dữ liệu về độc lực, thời gian đạt đỉnh sao chép (60-84 giờ), và đặc tính sinh miễn dịch để thiết kế quy trình sản xuất vắc-xin tương thích với chủng virus thực địa lưu hành tại Việt Nam.
  • Cán bộ quản lý dịch tễ và bác sĩ thú y thực địa: Nắm bắt sâu sắc về nguồn gốc phân tử, mức độ tương đồng di truyền của các chủng virus tai xanh Bắc Mỹ độc lực cao, từ đó xây dựng các kịch bản kiểm soát an toàn sinh học và khoanh vùng dập dịch hiệu quả.
  • Học viên cao học và sinh viên đại học khối ngành Nông nghiệp: Học hỏi phương pháp luận nghiên cứu khoa học bài bản, từ khâu thiết kế thí nghiệm in vitro, chuẩn độ virus theo Spearman-Karber cho đến kỹ thuật gây tối miễn dịch trên thỏ và chuột lang.

Câu hỏi thường gặp

1. Hai chủng virus KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02 thuộc kiểu gene nào và có quan hệ di truyền ra sao? Cả hai chủng virus nghiên cứu đều thuộc kiểu gene Type 2 (dòng Bắc Mỹ). Kết quả phân tích cây phả hệ dựa trên gene ORF5 và ORF7 cho thấy hai chủng này có quan hệ di truyền rất gần gũi với các chủng virus PRRS độc lực cao của Trung Quốc (nhánh JXA1 và GD), với độ tương đồng nucleotide đạt trên 98%.

2. Hiệu giá lây nhiễm của hai chủng virus trên tế bào Marc-145 đạt mức bao nhiêu? Hiệu giá virus đo lường được ở mức rất cao, trong đó chủng KTY-PRRS-01 đạt 1,74 x 10^6 TCID50/25µl và chủng KTY-PRRS-02 đạt 3,16 x 10^6 TCID50/25µl. Thời điểm hiệu giá đạt đỉnh cao nhất rơi vào khoảng từ 60 giờ đến 84 giờ sau khi gây nhiễm tế bào.

3. Bệnh tích tế bào (CPE) do hai chủng virus này gây ra xuất hiện và diễn tiến như thế nào? Bệnh tích tế bào bắt đầu xuất hiện sớm từ 36 giờ sau gây nhiễm với biểu hiện tế bào co cụm, tròn lại và trồi lên khỏi đáy bình. Chủng KTY-PRRS-02 phá hủy 100% tế bào ở thời điểm 72 giờ, trong khi chủng KTY-PRRS-01 làm bong tróc hoàn toàn tế bào sau 84 giờ.

4. Mức độ tương đồng về trình tự gene ORF5 và ORF7 giữa hai chủng nghiên cứu là bao nhiêu? Đoạn gene ORF5 (603 bp) có độ tương đồng 98,03% về nucleotide và 95,04% về amino acid. Đoạn gene ORF7 (372 bp) có độ tương đồng 98,58% về nucleotide và 96,32% về amino acid, cho thấy tính bảo tồn cấu trúc màng nhân rất cao giữa các chủng thực địa.

5. Nghiên cứu sử dụng phương pháp nào để kiểm tra khả năng sinh kháng thể trên động vật thí nghiệm? Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật IPMA (miễn dịch gắn men trên tế bào một lớp) để định lượng kháng thể đặc hiệu trong huyết thanh của thỏ và chuột lang sau 14 ngày tiêm nhắc lại mũi thứ hai với liều 20 µg kháng nguyên virus tinh chế.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định thành công các đặc tính sinh học chủ yếu của 02 chủng virus PRRS thực địa KTY-PRRS-01 và KTY-PRRS-02 phân lập tại Thái Bình và Nghệ An trên hệ thống tế bào Marc-145.
  • Động học sao chép cho thấy hiệu giá virus đạt mức rất cao (1,74 x 10^6 và 3,16 x 10^6 TCID50/25µl), đạt đỉnh giải phóng tự do ngoài môi trường tế bào trong khoảng 60 đến 84 giờ sau gây nhiễm.
  • Giải mã trình tự gene ORF5 (603 bp) và ORF7 (372 bp) chứng minh cả hai chủng đều thuộc kiểu gene Type 2 dòng Bắc Mỹ, có quan hệ tiến hóa gần gũi với nhóm virus PRRS độc lực cao.
  • Thử nghiệm trên mô hình động vật khẳng định kháng nguyên tinh chế từ hai chủng virus kích thích đáp ứng sinh kháng thể đặc hiệu mạnh mẽ qua phản ứng IPMA.
  • Các cơ quan quản lý và đơn vị sản xuất vắc-xin cần sớm ứng dụng nguồn chủng tiềm năng này vào công tác tuyển chọn giống sản xuất chế phẩm sinh học nội địa trong giai đoạn tiếp theo để chủ động bảo vệ ngành chăn nuôi lợn.