Många virus, inklusive hiv och influensa A, muterar så snabbt att identifiering av effektiva vacciner eller behandlingar är som att försöka träffa ett rörligt mål. En bättre förståelse av viral spridning och evolution i enstaka celler kan hjälpa. I dag, forskare rapporterar en ny teknik som inte bara kan identifiera och kvantifiera viralt RNA i levande celler, men också upptäcka mindre förändringar i RNA-sekvenser som kan ge virus ett försprång eller göra vissa människor till "superspridare".

Forskarna kommer att presentera sina resultat på American Chemical Society (ACS) höst 2020 Virtual Meeting &Expo.

"För att studera ett nytt virus som SARS-CoV-2, det är viktigt att inte bara förstå hur befolkningen reagerar på viruset, men hur individer - antingen människor eller celler - interagerar med det, säger Laura Fabris, Ph.D., projektets huvudutredare. "Så vi har fokuserat våra ansträngningar på att studera viral replikation i enstaka celler, som tidigare har varit tekniskt utmanande."

Att analysera enskilda celler istället för stora populationer kan gå långt mot att bättre förstå många aspekter av virusutbrott, som superspreaders. Det är ett fenomen där vissa celler eller människor bär på ovanligt höga mängder virus och därför kan infektera många andra. Om forskare kunde identifiera enstaka celler med hög viral belastning i superspreaders och sedan studera virussekvenserna i dessa celler, de skulle kanske kunna lära sig hur virus utvecklas till att bli mer smittsamma eller att överlista terapier och vacciner. Dessutom, egenskaper hos själva värdcellen skulle kunna hjälpa olika virala processer och därmed bli mål för terapier. I andra änden av spektrumet, vissa celler producerar muterade virus som inte längre är smittsamma. Att förstå hur detta händer kan också leda till nya antivirala behandlingar och vacciner.

Men först, Fabris och kollegor vid Rutgers University behövde utveckla en analys som var tillräckligt känslig för att detektera viralt RNA, och dess mutationer, i enstaka levande celler. Teamet baserade sin teknik på ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS), en känslig metod som upptäcker interaktioner mellan molekyler genom förändringar i hur de sprider ljus. Forskarna bestämde sig för att använda metoden för att studera influensa A. För att upptäcka virusets RNA, de tillsatte guld-nanopartiklar ett "beacon-DNA" specifikt för influensa A. I närvaro av influensa A-RNA, fyren producerade en stark SERS-signal, medan i frånvaro av detta RNA, Det gjorde det inte. Fyren producerade svagare SERS -signaler med ökande antal virala mutationer, gör det möjligt för forskarna att upptäcka så få som två nukleotidförändringar. Viktigt, nanopartiklarna kan komma in i mänskliga celler i en skål, och de producerade en SERS-signal endast i de celler som uttrycker influensa A-RNA.

Nu, Fabris och kollegor gör en version av analysen som producerar en fluorescerande signal, istället för en SERS -signal, när viralt RNA detekteras. "SERS är inte en kliniskt godkänd teknik. Den har just nu tagit sig in på kliniken, " konstaterar Fabris. "Så vi ville ge kliniker och virologer ett tillvägagångssätt som de skulle vara mer bekanta med och ha tekniken att använda just nu." I samarbete med virologer och matematiker vid andra universitet, teamet utvecklar mikrofluidiska enheter, eller "lab-on-a-chip"-tekniker, att läsa många fluorescerande prover samtidigt.

Eftersom SERS är känsligare, billigare, snabbare och enklare att utföra än andra analyser baserade på fluorescens eller omvänd transkriptas-polymeraskedjereaktion (känd som RT-PCR), det kan visa sig vara idealiskt för att upptäcka och studera virus i framtiden. Fabris samarbetar nu med ett företag som gör en låg kostnad, bärbar Raman-spektrometer, vilket skulle göra det möjligt att enkelt utföra SERS-analysen i fält.

Fabris och hennes team arbetar också med att identifiera regioner av SARS-CoV-2-genomet att rikta in sig på med SERS-sonder. "Vi håller på att skaffa finansiering för att arbeta med möjlig SARS-CoV-2-diagnostik med SERS-metoden vi utvecklat, säger Fabris.