Liten och snabb, virus är svåra att fånga på video. Nu har forskare vid Princeton University uppnått en aldrig tidigare skådad titt på en virusliknande partikel när den försöker bryta sig in i och infektera en cell. Tekniken de utvecklade kan hjälpa forskare att lära sig mer om hur man levererar läkemedel via nanopartiklar – som är ungefär lika stora som virus – samt hur man förhindrar virusinfektion från att uppstå.
Videon avslöjar en virusliknande partikel som snurrar runt i en snabb, oberäkneligt sätt tills den stöter på en cell, studsar och sladdar längs ytan, och antingen lyfter sig igen eller, på mycket kortare tid än det tar att blinka med ett öga, glider in i cellens inre. Verket publicerades i Naturens nanoteknik .
"Utmaningen med att avbilda dessa händelser är att virus och nanopartiklar är små och snabba, medan celler är relativt stora och orörliga, sa Kevin Welsher, en postdoktor vid Princetons avdelning för kemi och första författare till studien. "Det har gjort det väldigt svårt att fånga dessa interaktioner."
Problemet kan jämföras med att filma en kolibri när den strövar runt i en stor trädgård, sa Haw Yang, docent i kemi och Welshers rådgivare. Fokusera kameran på den snabbrörliga kolibrien, och bakgrunden blir suddig. Fokusera på bakgrunden, och fågeln blir suddig.
Forskarna löste problemet genom att använda två kameror, en som låste sig vid den virusliknande nanopartikeln och följde den troget, och en annan som filmade cellen och den omgivande miljön.
Att sätta ihop de två bilderna gav en detaljnivå om rörelsen av partiklar i nanostorlek som aldrig tidigare har uppnåtts, sa Yang. Innan detta arbete, han sa, det enda sättet att se små föremål med en liknande upplösning var att använda en teknik som kallas elektronmikroskopi, vilket kräver att cellen dödas.
"Vad Kevin har gjort som är verkligen annorlunda är att han kan fånga en tredimensionell bild av en virusstor partikel som attackerar en levande cell, medan elektronmikroskopi är i tvådimensionell och på döda celler, ", sade Yang. "Detta ger oss en helt ny nivå av förståelse."
Förutom att bara titta på partikelns upptåg, forskarna kan använda tekniken för att kartlägga cellytans konturer, som är ojämn med proteiner som trycker upp under ytan. Genom att följa partikelns rörelse längs cellens yta, forskarna kunde kartlägga utsprången, precis som en blind person kan använda sina fingrar för att konstruera en bild av en persons ansikte.
"Efter att partikelns rörelse tillät oss att spåra mycket fina strukturer med en precision på cirka 10 nanometer, som vanligtvis endast är tillgänglig med ett elektronmikroskop, " sa Welsher. (En nanometer är en miljarddels meter och ungefär 1000 gånger mindre än bredden på ett människohår.) Han tillade att mätning av förändringar i partikelns hastighet gjorde det möjligt för forskarna att dra slutsatser om viskositeten i den extracellulära miljön bara ovanför cellytan.
Tekniken har potentiella fördelar för både läkemedelsupptäckt och grundläggande vetenskaplig upptäckt, sa Yang. "Vi tror att detta kommer att påverka studiet av hur nanopartiklar kan leverera läkemedel till celler, potentiellt leda till några nya försvarslinjer inom antivirala terapier, " sa han. "För grundforskning, there are a number of questions that can now be explored, such as how a cell surface receptor interacts with a viral particle or with a drug."
Welsher added that such basic research could lead to new strategies for keeping viruses from entering cells in the first place.
"If we understand what is happening to the virus before it gets to your cells, " said Welsher, "then we can think about ways to prevent infection altogether. It is like deflecting missiles before they get there rather than trying to control the damage once you've been hit."
To create the virus-like particle, the researchers coated a miniscule polystyrene ball with quantum dots, which are semiconductor bits that emit light and allow the camera to find the particle. Nästa, the particle was studded with protein segments known as Tat peptides, derived from the HIV-1 virus, which help the particle find the cell. The width of the final particle was about 100 nanometers.
The researchers then let loose the particles into a dish containing skin cells known as fibroblasts. One camera followed the particle while a second imaging system took pictures of the cell using a technique called laser scanning microscopy, which involves taking multiple images, each in a slightly different focal plane, and combining them to make a three-dimensional picture.
