Att studera virusinfektioner en cell i taget. Ett nytt mikrofluidiskt system gör det möjligt för forskare att studera tidsförloppet för en virusinfektion och konsekvenserna av antiviral intervention i upp till 6, 400 individuella celler samtidigt. Enskilda celler infekteras med ett modifierat virus som producerar ett grönt fluorescerande protein som gör att forskarna kan spåra virusets tillväxt över tid genom att spåra intensiteten av grönt fluorescerande protein i varje cell. Kredit:Penn State
Ett antiviralt läkemedel som hämmar ett virusreplikationsmaskineri riktar sig selektivt mot de mest aggressiva virusen, enligt ny forskning som tittade på infektion av enskilda celler av ett virus och konsekvensen av antiviral intervention. Denna nya insikt i dynamiken hos en infektion och mekanismen för ett antiviralt läkemedel kunde inte ses av det typiska tillvägagångssättet att studera populationer av celler. Forskare vid Penn State, Duke University, och University of Texas i Austin har utvecklat ett system med hög genomströmning för att studera ett stort antal enstaka, infekterade celler som underlättade den nya insikten. En artikel som beskriver resultaten av forskningen visas i tidskriften Cellrapporter .
"Traditionellt, virus och antivirala läkemedel studeras genom att infektera en population av celler med en population av virus, sa Craig Cameron, professor och innehavare av Eberly Family Chair in Biochemistry and Molecular Biology vid Penn State och författare till artikeln. "Både cellerna och virusen varierar något individuellt, så resultaten som vi får är medelvärden över befolkningen. Medelvärden är bra när man bara är intresserad av ett läkemedels effekt, men studier på encellsnivå kan berätta om vissa medlemmar av befolkningen är mer mottagliga för behandlingen och när under virusets livscykel behandlingen verkar."
För att studera dynamiken hos en virusinfektion på enskilda celler, forskarna använde en modifierad version av polioviruset som producerar ett grönt fluorescerande protein. När ett virus replikerar i en cell, mer och mer av det grönfluorescerande proteinet produceras, som forskarna kan följa. För att studera tillräckligt många enskilda celler för att bli tillförlitliga, statistiskt signifikanta resultat, forskarna byggde en mikrofluidisk enhet som låter dem övervaka upp till 6, 400 celler samtidigt.
Bild av den mikrofluidiska enheten och strukturen på dess brunnar som gör det möjligt för forskare att studera dynamiken hos en virusinfektion och konsekvenserna av antiviral intervention en cell i taget. Kredit:Penn State
"Vi behandlade celler infekterade med poliovirus med 2'-C-metyladenosin, en viral polymerashämmare som hindrar viruset från att replikera sitt genom – ett nödvändigt steg för att viruset ska producera fler virus, sade Jamie J. Arnold, en docent forskningsprofessor vid Penn State och en annan författare till artikeln. "Detta läkemedel bidrog till att bana väg för utvecklingen av sofosbuvir, ett antiviralt läkemedel som ingår i den cocktail av läkemedel som används för att bota hepatit C. Som förväntat av tidigare studier, läkemedlet eliminerade cirka 50% av infektionerna, men vi blev förvånade över att se att läkemedlet var mest effektivt mot virus som växte snabbast, något vi aldrig kunde ha sett om vi inte tittat på celler individuellt."
Forskarna följde också tidsförloppet och dynamiken för virusinfektioner i enskilda celler. De studerade den tid då viruset började replikera, replikeringshastigheten, och den maximala nivån av virustillväxt. Genom att studera celler individuellt, forskarna kunde visa vilka av dessa faktorer som kunde påverkas av en liten variation mellan cellerna och vilka som kunde påverkas av variationen i virusen.
Spåra en virusinfektion i en enda cell. Toppbilder visar en enda cell i brunnen i en mikrofluidisk enhet som gör det möjligt för forskare att spåra dynamiken i en virusinfektion en cell i taget. Först en ljusfältsbild som visar cellen, sedan tre bilder som visar intensiteten av fluorescensen från virus som infekterar cellen som producerar grönt fluorescerande protein (GFP) vid tre tidpunkter efter infektion (hpi). Grafen längst ner visar intensiteten av GFP-uttryck från virusen i cellen under infektionens gång under 24 timmar efter infektion. Kredit:Penn State
"Vissa aspekter av dynamiken i en infektion verkar styras mer av variation som finns mellan enskilda celler men andra aspekter beror på genetisk variation inom viruspopulationen, " sa Cameron. "Med vårt nya verktyg, vi kan börja identifiera de specifika faktorerna som varierar mellan cellerna eller mellan de virus som är ansvariga för de olika utfallen. Genom att förstå dessa mekanismer kan vi bli smartare i vårt sätt att designa nya antivirala läkemedel."
