本研究描述了一种 基于成像的微量中和试验用于分析病毒间的抗原关系。该方案采用平板扫描仪,包含四个步骤:滴定、滴定定量、中和及中和定量。该方法适用于当前流行的人甲型H1N1pdm09、甲型H3N2和乙型流感病毒。
本研究描述了一种 基于成像的微量中和试验用于分析病毒间的抗原关系。该方案采用平板扫描仪,包含四个步骤:滴定、滴定定量、中和及中和定量。该方法适用于当前流行的人甲型H1N1pdm09、甲型H3N2和乙型流感病毒。
微型中和(MN)实验是测定流感病毒的感染性及病毒复制抑制作用的标准技术。本研究中,我们介绍了一种基于成像的MN实验方案,用于量化病毒之间真实的抗原关系。与依赖可见蚀斑的传统蚀斑减少实验不同,该方法可定量每个孔中的全部感染细胞群体。该方案通过将病毒类型或亚型与细胞系的选择相匹配,以实现最大感染效率,从而在成像和图像处理过程中增强样本对比度。引入定量滴定步骤可明确定义中和反应中输入病毒的量,从而使不同实验之间的结果具有可比性。采用平板扫描仪和可免费下载的软件进行成像设置,使该方法具有高通量、低成本、操作简便等优点,易于在大多数实验室中推广应用。我们的研究表明,改进后的MN实验对当前流行的流感A(H1N1)pdm09、A(H3N2)和B型病毒均具有良好适用性,且不受A(H3N2)病毒神经氨酸酶(NA)中氨基酸替换的显著影响。该方法特别适用于对那些在细胞培养中增殖水平低、血凝素(HA)滴度低,或发生流产感染而无法形成蚀斑的病毒进行表征分析。
微量中和(MN)试验在病毒学中用于定量中和抗体及抗病毒活性。作为血凝抑制(HI)试验的替代方法,MN试验能够克服流感病毒受体结合亲和力变化所引起的非抗原性效应,这些效应可能使HI结果的解读变得复杂1,2,3。直到最近,大多数MN试验仍基于细胞病变效应(CPE)或酶联免疫吸附试验(ELISA)4,5。基于病灶和蚀斑减少的MN试验于1990年建立6,7,8。蚀斑减少试验依赖于对可见蚀斑进行计数以量化感染性。然而,肉眼观察仅能识别较大且可分辨的蚀斑,而目前许多流行病毒产生的蚀斑多数较小且不可见。这种不完整的覆盖范围会导致不同检测者之间以及不同实验之间的显著差异,从而造成结果不可比。此外,当某些病毒在单个细胞中引起流产性感染或形成非常小的蚀斑时,该方法也无法使用。
通过引入基于成像的方案,可以改善较差的计数分辨率。随着技术的进步,光学显微镜和高通量微孔板读数仪能够提供准确计数感染细胞的方法9。在透射照明显微镜下,带有特定标记的感染细胞可通过其在亚细胞分辨率下的吸收或荧光对比被可视化。随后可在计算机屏幕上对样品进行分析。
由于视野范围有限,覆盖单个孔通常需要上百张拼接图像。分析一块96孔板则需要成像和处理约一万张图像。这种繁琐的过程耗时且昂贵,而获得的分辨率对于常规的病毒感染表征通常并无必要。预算有限的实验室可能会发现,基于平板扫描仪的方法提供了一种经济高效、高通量的替代方案。
本文介绍了一种改进的蚀斑减少中和试验(MN),适用于大量病毒的抗原特性分析,以及抗病毒活性和中和抗体的定量检测。该方法具有多项优势:首先,这是一种基于成像的检测方法,能够在细胞水平上测量病毒感染情况,不受蚀斑大小的影响。通过计数每个孔内的全部感染细胞群体(ICP),显著提高了检测灵敏度,使得对低感染性病毒的表征成为可能。其次,在中和反应之前引入了更精确的定量滴定步骤,以确定输入病毒的量。输入病毒的精确定量显著减少了不同实验之间的变异,增强了不同实验室之间结果的可比性。第三,中和滴度可直接通过图像分析确定,使定量过程快速且操作简便。最后,该方案以平板扫描仪和免费的数据处理软件为基础,提供了具备所需分辨率和准确性的低成本、高通量替代方法。整个系统占用空间小,可在大多数实验室中部署使用。
本文所述方案包含四个主要步骤:病毒滴定、滴度定量、病毒中和及中和效果定量。病毒滴定是一项预实验,用于确定中和反应中所需的病毒输入量。在滴定过程中,将多种浓度的病毒液分别加入96孔板中的细胞单层。随后在第2部分中对感染细胞进行定量。产生20%–85% ICP的病毒稀释度将作为相应中和反应的输入病毒量 第3节。中和实验的滴度通过第4节进行定量。遵循上述方案的实验结果展示在代表性结果部分。在过去两年中,该检测方法已针对当前流行的主要流感病毒株(如A(H1N1)pdm09、A(H3N2)和B型病毒)进行了充分验证。流感病毒的鉴定结果已被纳入向世界卫生组织(WHO)咨询会议提交的报告中,为2016年南半球及2016-2017年北半球流感疫苗的选用提供了建议依据。
注意:以下实验方案的生物安全等级(BSL)针对季节性流感病毒为 BSL 2,针对潜在大流行性流感病毒为 BSL 3+。在进行中和实验之前,需预先测定病毒滴度,以确定病毒对照(VC)的病毒浓度。
1. 病毒滴定
注意:根据病毒种类数量和重复次数,可灵活设置孔板:(1)病毒稀释方向可沿行或列进行(图1),每种病毒应占据独立的行或列;(2)病毒稀释梯度可灵活设定,但最高病毒浓度应始于左上角;(3)重复次数无限制。
注意:Madin Darby 犬肾(MDCK)细胞和 MDCK-SIAT1(SIAT)细胞由德国马尔堡的 M. Matrosovich 博士惠赠10。SIAT 细胞是稳定转染了人源 CMP-N-乙酰神经氨酸:β-半乳糖苷 α-2,6-唾液酸转移酶基因的 MDCK 细胞,可增强表达以唾液酸(SA)α2-6Gal 为末端的寡糖。
2. 滴定定量法
3. 病毒中和
注意:计算中和试验所需的培养板数量。每块培养板可容纳一种病毒和多种抗血清。
注意:根据抗血清的数量和重复次数,可灵活设置孔板:(1)血清稀释可在行或列方向进行(图4),每种血清应占据单独的行或列。(2)血清稀释的梯度可灵活设定,但应从孔板左上角开始设置最高血清浓度。(3)重复孔的数量需与抗血清数量相平衡,增加重复次数有助于减少实验变异。(4)病毒对照(VC)和细胞对照(CC)的重复数量可灵活调整,但也应分别占据独立的行或列。通常VC的重复数量应明显多于抗血清。
4. 中和作用定量分析
根据上述步骤,我们展示了近期抗原特性鉴定实验中获得的一些结果。滴定实验设计用于检测八种输入病毒,每种稀释度设置两个重复。病毒稀释梯度范围为 1.0 × 10-1 至 1.0 × 10-6,以涵盖不同病毒之间的变异情况。测试病毒属于 H3N2 亚型,包括 A/Cameroon/15V-3538/2015、A/Vladivostok/36/2015、A/Moscow/103/2015、A/Tomsk/5/2015、A/Moscow/101/2015、A/Moscow/100/2015、A/Moscow/133/2015 和 A/Bratislava/437/2015。滴定结果如图5所示。图5d展示了随着病毒稀释倍数增加,感染细胞百分比(ICP)下降的趋势。曲线以同种病毒在孔内所有细胞均被感染时的 ICP 值(定义为 ICP 饱和值)为基准进行归一化处理12。若最高病毒浓度下 ICP 未达到饱和,则采用相应重复样本的 ICP 平均值代替(如图5d中的 A/Moscow/103/2015)。选择能够产生 30% ICP 饱和度的病毒稀释度作为中和实验的输入病毒稀释度(表3)。
中和试验设计为每种病毒与五种抗血清进行反应,每块板上设双复孔。所示参考病毒为 H3N2 A/Stockholm/63/2015。五种抗血清分别为 A/HK 4801/14 Egg F12/15、A/HK 7295/14 MDCK F02/15、A/South Africa R2665/15 SIAT F50/15、A/Swiss 9715923/13 SIAT NIBF F18/15 和 A/Dutch 525/14 SIAT f23/15。中和试验结果如图所示 图6. 图6d 随着血清稀释度的增加,展示了感染进程。纵轴上的归一化阳性群体表示相应抗血清反应产生的ICP与参考病毒的平均ICP之比12未感染细胞对照组的背景ICP在归一化过程中被扣除。中和滴度确定为对应于50% ICP降低的抗血清稀释度的倒数。表4采用线性插值法估算介于两个相邻血清稀释度之间的滴度。

图 1: 病毒滴定实验中微孔板设置示例。 测试病毒分别分配至不同的行(A 至 H)。各列为不同病毒稀释度设计(1 至 12),每种病毒稀释度使用两列进行重复。比例尺 = 10 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图2: 样品扫描系统的示意图。 (a)置于平板扫描仪成像位置的96孔板(经Elsevier B.V.许可转载自 参考文献11),以及(b)(a) 中所示L形定位限位的尺寸示意图。 请点击此处查看此图的高清版本。

图3: “Wellplate Reader”定量分析软件的桌面示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4: 中和实验中微孔板设置示例。 每种抗血清分配至两列,设两个重复(1 至 10 列)。行用于设置不同血清稀释度(A 至 H 行)。病毒对照设在第 11 列,共八个重复孔(A11 至 H11)。细胞对照设在第 12 列,共八个重复孔(A12 至 H12)。比例尺 = 10 mm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:滴定实验结果。(a)孔板设置,(b)扫描获得的孔板图像,(c)以颜色编码显示的定量病毒感染细胞群体示意图,以及(d)病毒感染细胞群体归一化后相对于病毒稀释度的变化。以30% ICP作为阈值。(d)中的误差线表示样本重复实验的标准差(± 1 SD)。图(b)和(c)中的比例尺 = 10 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图6: 中和实验结果。 (a)孔板设置,(b)扫描获得的孔板图像,(c)定量测定的病毒感染细胞群体示意图,以及(d)病毒感染细胞群体相对于血清稀释倍数的归一化结果。所用输入病毒(VC)为 A/Stockholm/63/2015。使用50% ICP计算滴度。图(d)中的误差棒表示样本重复测定的标准差(SD)(±1 SD)。图(b)和(c)中的比例尺 = 10 mm。 请点击此处查看该图的高清版本。
补充文件 S1:请点击此处下载该文件。
| 典型稀释倍数 | ||
| MDCK 细胞 | MDCK-SIAT1 细胞 | |
| 2 天 | 1:5 (1 + 4) | 1:10 (1 + 9) |
| 3 天 | 1:10 (1 + 9) | 1:20 (1 + 19) |
| 每毫升典型细胞数量 | ||
| MDCK 细胞 | MDCK-SIAT1 细胞 | |
| 2 天 | 2 x 105 | 1 x 105 |
| 3 天 | 1 x 105 | 5 x 104 |
表1:MDCK或MDCK-SIAT1细胞融合培养瓶传代培养中的典型稀释比例。
| 模式 | 专业模式 |
| 文档类型 | 胶片(含胶片区域指南) |
| 自动曝光类型 | 照片 |
| 图像类型 | 24位彩色 |
| 分辨率 | 1,200 dpi |
| 保存的图像格式 | TIFF |
表2:平板扫描仪的典型设置。
| 行 | 病毒 | 推荐稀释度 |
| A | A/Cameron/15V-3538/2016 | 1.0 x 10-2 |
| B | A/Vladivostok/36/2015 | 1.0 x 10-3 |
| C | A/Moscow/103/2015 | 1.1 x 10-1 |
| D | A/Tomsk/5/2015 | 5.9 x 10-1 |
| E | A/Moscow/101/2015 | 8.3 x 10-1 |
| F | A/Moscow/100/2015 | 1.4 x 10-2 |
| G | A/Moscow/133/2015 | 1.3 x 10-2 |
| H | A/Bratislava/437/2015 | 1.3 x 10-4 |
表3:根据30% ICP群体计算的病毒稀释度。
| 列 | 抗血清 | 推荐滴度 |
| 1 - 2 | A/HK4801/2014 | 110 |
| 3 - 4 | A/HK7295/2014 | 213.3 |
| 5 - 6 | A/South Africa/R2665/2015 | 2155.8 |
| 7 - 8 | A/Switzerland/9715293/2013 | 89.4 |
| 9 - 10 | A/Netherlands/525/2014 | 78.6 |
表4:A/Stockholm/63/2015 对抗血清在50% ICP时的滴度。
在本研究中,我们描述了一种基于成像的微量中和(MN)检测方法,用于量化病毒之间真实的抗原关系。与其他蚀斑减少试验相比,该方法强调测量整个孔的感染细胞百分比(ICP),从而确保完全覆盖感染性病毒群体。该方法不依赖于蚀斑形成,因此可应用于主要形成微小不可见蚀斑或仅能引起单细胞感染的病毒,拓宽了检测的应用范围。因此,该检测方法能够检测的病毒种类以及抗体作用范围均超过血凝抑制(HI)试验,并能更全面地反映病毒之间的抗原相似性或差异性12。例如,当加入奥司他韦羧酸盐时,MN检测受神经氨酸酶(NA)依赖性结合的影响较小,因而能更准确地反映抗原差异。在方法开发过程中,我们通过定量滴定控制输入病毒量、使用平板扫描仪进行高通量成像,以及建立用户友好的数据处理平台,显著提高了实验的一致性、速度和检测灵敏度。检测结果总体上与HI试验结果一致,并得到了验证。值得注意的是,该方法还揭示了近期甲型和乙型疫苗病毒抗原漂移变异株之间的抗原差异,以及由培养选择或偶发突变引起的抗原变化,例如某些A(H1N1)pdm09病毒HA1蛋白中的G155E取代12。
该方案将病毒类型或亚型与能产生最强感染的细胞系选择相匹配,从而显著增强了成像信号。通过设计重复实验并平衡测试抗血清的数量,有效减小了实验变异。不确定性也可能来源于图像质量,而图像质量主要受成像设备的影响。一台性能良好的彩色平板扫描仪可显著提高图像对比度并降低噪声。中和反应中所用病毒的输入量必须在病毒仍保持相似状态时,通过相应的滴定实验预先定量确定。在中和过程中,抗血清对感染的反应以参考病毒(VC)与背景水平(CC)之间的差异作为归一化基准。准确测定VC和CC对于中和实验至关重要。建议设置更多重复(在代表性结果中使用了八个重复)。最后,充分理解软件操作对实验成功至关重要。该软件已在英国世界卫生组织流感中心用于常规病毒表征超过两年。针对各种情况的详细操作说明见补充文件S1。
该显微镜检测法适用于样本覆盖极大视野但仅需中等成像分辨率的应用场景。由于成本低廉且装置简单,该系统可轻易为大多数病毒学实验室所采用。同一样本测量值的变异小于3%,这大致定义了扫描过程中引入的不确定性11。此类重复性在许多病毒学研究中已足够,且可通过多幅扫描图像取平均值进一步提高。
综上所述,本研究展示了一种可靠的微中和试验方法,可常规用于抗原性研究,并支持血凝抑制(HI)数据,对当前流行流感病毒进行详细分析,特别是在每半年一次的人用流感疫苗病毒株筛选过程中具有重要应用价值。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 M. Matrosovich 博士提供了亲本 MDCK 和 MDCK-SIAT1 细胞系,感谢罗氏制药公司提供了奥司他韦羧酸盐。我们还感谢 Anne Weston 博士对本文稿提出的宝贵建议。本研究依赖于世界卫生组织全球流感监测与应对系统(WHO GISRS)中的世卫组织国家流感中心和世卫组织合作中心的宝贵合作,这些机构提供了研究所用的流感病毒。本工作由医学研究理事会通过项目编号 U117512723 资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| VGM | Sigma | D6429,P0781 | 500 ml DMEM + 5 ml 青霉素/链霉素b |
| PBS A | Nature pH 磷酸盐缓冲液:NaCl 10 g,KCl 0.25 g,Na2HPO4 1.437 g,KH2PO4 0.25 g,加蒸馏水至1 L | ||
| Avicell | FMC | RC-581F | 2.4 g 溶于 100 ml 蒸馏水中,使用磁力搅拌器搅拌 1 小时至溶解。经高压灭菌器灭菌。 |
| 2x DMEM | Gibco | 21935-028 | |
| 胰蛋白酶 | Sigma | T1426 | |
| 覆盖液(10 ml/板): | 5 ml 2x DMEM,胰蛋白酶 2 μg/ml 终浓度,Avicell 5 毫升 | ||
| Triton X-100e | Sigma | T8787 | 透化缓冲液:PBS A 中含 0.2%(v/v) |
| 吐温 80 | Sigma | P5188 | 洗涤缓冲液:PBS A 中含 0.05% Tween 80(v/v) |
| 马血清 | PAA Labs Ltd | B15-021 | ELISA 缓冲液:PBS A 中含 10% (v/v) + 0.1% Tween 80 |
| 小鼠抗流感病毒A型单克隆抗体 | 伯乐(Biorad) | MCA 400 | 1st 抗体:ELISA 缓冲液中 1:1,000 稀释 |
| 山羊抗小鼠 IgG(H+L)HRP 结合物 | Biorad | 172-1011 | 2nd 抗体:ELISA缓冲液中1:1,000稀释 |
| True Blu 过氧化物酶底物 | KPL | 50-78-02 | 底物:True blue +0.03% H2O2g (30% 溶液的 1:1,000 稀释) |
| 96孔平底微量滴定板 | Costar | 3596 | |
| 8通道多孔板洗板机及歧管 | Sigma | M2656 | |
| 完美板扫描仪 | Epson | V750 Pro | 成像软件可免费下载自 http://www.epson.com/cgi-bin/Store/support/supDetail.jsp?oid=66134&&infoType=Downloads. |
| 软件运行环境:LabVIEW | 国家仪器公司 | 基于窗口的 NI Vision Builder | 版本:LabVIEW2012 或更高版本 |