En ny förbättring av en lab-on-a-chip-enhet gör det möjligt för forskare att samtidigt observera tusentals individuella celler som är infekterade med virus, tillhandahålla viktig information om infektionsdynamik som inte är tillgänglig med traditionella metoder.

Ett team av forskare från Penn State och University of Texas i Austin har förbättrat en äldre version av en mikrofluidisk enhet som de utvecklat, avsevärt öka antalet individuella celler som kan observeras på en gång och göra denna historiskt mödosamma encellsmetod genomförbar för läkemedelsscreening. Ett papper som beskriver enheten, som också ger insikt i hur antiviralerna fungerar och om ett virus sannolikt utvecklar resistens, visas online den 30 oktober, 2019 i tidningen Vetenskapens framsteg .

"Traditionella metoder för att studera effekten av ett antiviralt medel på infekterade celler fokuserar på en population av många infekterade celler, sa Craig Cameron, professor och innehavare av Eberly Family Chair in Biochemistry and Molecular Biology vid Penn State vid tidpunkten för forskningen och senior författare till artikeln.

"När du applicerar ett antiviralt medel i en viss dos till en befolkning, du kan se hur många infekterade celler som dödas, eller effekten av det antivirala medlet. Men enskilda celler kan reagera olika på ett läkemedel, vilket kan ha viktiga konsekvenser för infektionsresultat och läkemedelsresistens. Vi har tidigare utvecklat ett sätt att studera individuella infekterade celler, och här anpassade vi tekniken för att tiodubbla antalet enstaka celler vi kan studera samtidigt."

Teamet använder en mikrofluidisk enhet - ett chip etsat med små kanaler - med cirka 5700 enskilda brunnar, var och en kan fyllas med singel, infekterade celler. Deras första generations enhet förlitade sig på en metod som lämnade de flesta brunnarna tomma. Nu, teamet har utvecklat en fysisk fälla som de infogat i ett av enhetens lager, förbättra beläggningen så att de nu kan fylla cirka 90 procent av brunnarna.

"Andra människor har försökt studera infektioner i enstaka celler, men de måste manuellt lägga till celler till plattor med 96 eller 384 brunnar, sa Wu Liu, en postdoktor vid Penn State vid tidpunkten för forskningen som utvecklade fällan. "Det här är tråkigt och tidskrävande. Med vår fälla och mikroflödesanordning, vi kan observera mer än 5000 enstaka celler på en gång."

För att testa den uppdaterade enheten, teamet infekterade celler med en modifierad version av poliovirus som producerar ett grönt fluorescerande protein och övervakade mängden fluorescens, som ökar när ett virus replikerar i en cell, över tid. De applicerade också en av tre antivirala föreningar på infekterade celler. Dessa föreningar är kända för att vara effektiva vid behandling av virusinfektioner och fungerar via olika mekanismer, rikta in sig på olika delar av viruset eller värden för att förhindra virusreplikation.

Forskargruppen mätte fem parametrar för att beskriva infektionens förlopp - inklusive när viruset började replikera, hur snabbt det replikerades, och den maximala mängden virustillväxt – som tillsammans ger en signatur på den antivirala föreningens effekt. Var och en av de tre föreningarna hade en annan signatur, vilket stödjer tanken att föreningar med olika signaturer kan fungera på olika sätt. Att jämföra en förenings signatur med kända läkemedel kan hjälpa till att begränsa läkemedlets mål - information som kräver betydande uppföljningsforskning efter en befolkningsbaserad studie.

"Under läkemedelsutveckling, vi kan skapa ett antal olika föreningar som strukturellt liknar en lovande antiviral läkemedelskandidat, " sa Cameron. "Nu, genom att jämföra signaturer, vi kan avgöra om dessa analoger verkar på samma mål och jämföra dem med läkemedel som är kända för att vara säkra."

Använda enheten, forskarna kan också berätta om vissa medlemmar i en viruspopulation är mottagliga för behandling och i vilket skede av virusets livscykel behandlingen verkar. Till exempel, en klass av läkemedel verkar rikta sig mot de starkaste medlemmarna av viruspopulationen, vilket minskar sannolikheten för att viruset utvecklar resistens mot en behandling.

"Detta encelliga tillvägagångssätt kan också vara användbart för att studera kombinationer av antivirala medel, eftersom vi nu kan se andra effekter än bara den totala mängden dödande, " sa Cameron. "Till exempel, en läkemedelskombination kan bromsa hastigheten för virusreplikation, vilket kan ge värdens immunsystem tid att rensa bort infektionen. Du skulle inte se det från en befolkningsanalys."

Eftersom de snabbt kan ge så mycket information, teamet hoppas att encellsmetoden kommer att komplettera, eller kanske till och med ersätta, tidiga undersökningar av läkemedelskandidater. Tillvägagångssättet kan också användas för att screena läkemedel för alla sjukdomar för vilka det finns en cellbaserad analys som övervakar en förändring i fluorescens.

"Enheten är för närvarande utmanande att tillverka, "sa Cameron, "så vi arbetar för att göra det mer tillgängligt så att det kan användas av alla."