Dieser Artikel stellt eine auf Hochdurchsatz-Luziferase-Expression basierende Methode zur Titration verschiedener RNA- und DNA-Viren mit automatisierten und manuellen Liquid Handlern vor.
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Dieser Artikel stellt eine auf Hochdurchsatz-Luziferase-Expression basierende Methode zur Titration verschiedener RNA- und DNA-Viren mit automatisierten und manuellen Liquid Handlern vor.
Standard-Plaque-Assays zur Bestimmung infektiöser Virustiter können zeitaufwändig sein, sind für ein großes Probenvolumen nicht geeignet und können nicht mit Viren durchgeführt werden, die keine Plaques bilden. Als Alternative zu Plaque-Assays haben wir eine Hochdurchsatz-Titrationsmethode entwickelt, die die gleichzeitige Titration eines großen Volumens von Proben an einem einzigen Tag ermöglicht. Dieser Ansatz umfasst die Infektion der Proben mit einem Firefly-Luciferase-markierten Virus, die Übertragung der infizierten Proben auf eine geeignete permissive Zelllinie, die anschließende Zugabe von Luciferin, das Ablesen von Platten, um Lumineszenzmesswerte zu erhalten, und schließlich die Umwandlung von Lumineszenz- in Virustiter. Die Beurteilung der Zytotoxizität mittels eines metabolischen Viabilitätsfarbstoffs kann einfach parallel in den Arbeitsablauf eingebunden werden und im Rahmen eines Wirkstoffscreenings wertvolle Informationen liefern. Diese Technik bietet eine zuverlässige Hochdurchsatzmethode zur Bestimmung viraler Titer als Alternative zu einem Standard-Plaque-Assay.
Klassische virale Plaque-Assays sind nach wie vor eine tragende Säule in der Virusforschung, auch wenn sie notorisch zeitaufwändig sein können und einen erheblichen Engpass bei der Erzielung von Ergebnissen aus Experimenten darstellen. Es haben sich schnellere Methoden zur indirekten Virusquantifizierung entwickelt, darunter die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR), ELISA und Durchflusszytometrie1-4. Jüngste Innovationen wie der Virocyt-Viruszähler können Viren mithilfe einer fortschrittlichen Flow-Sorting-Technologie und durch eine Kombination aus Protein- und DNA/RNA-Farbstoffen direkt zählen5. Während all diese Methoden zweifellos das Tempo der Virusforschung beschleunigt haben, hat jede Methode ihre Vor- und Nachteile. Zum Beispiel kann die qPCR die Quantifizierung der spezifischen viralen Genomsequenz ermöglichen, aber nicht effektiv zwischen infektiösen und defekten Virionenunterscheiden 6. ELISAs können sehr spezifisch sein, erfordern jedoch einen geeigneten Antikörper gegen das gewünschte virale Zielprotein und können sehr teuer sein. Obwohl die Durchflusszytometrie-Technologie viele Vorteile bietet und sich deutlich verbessert hat, bleibt der Durchsatz und der Zugang zu hochspezialisierten Geräten dennoch eine Hürde. Wichtig ist, dass alle diese Techniken nicht ideal für das Hochdurchsatz-Screening geeignet sind, für das die Leichtigkeit und der Zeitaufwand des Virusquantifizierungsschritts von entscheidender Bedeutung sind.
Hier beschreiben wir eine hochdurchsatzfähige und leicht automatisierbare Technik zum Titern von Viren, die ein Firefly-Luciferase (Fluc)-Transgen exprimieren. Dieses Verfahren erzeugt approximative Virustiter in einer Testprobe auf der Grundlage von Lumineszenzsignalen durch die parallele Verwendung einer Standardkurve bekannter Virusmengen. Proben, die unbekannte Mengen an Luciferase-exprimierenden Viren enthalten, werden parallel zur Standard-Virusverdünnungskurve auf eine permissive "Plaquing"-Zelllinie übertragen und die virusassoziierte Lumineszenz nach einer Inkubationszeit von einigen Stunden abgelesen. Dies ermöglicht eine schnelle, quantitative und oft noch am selben Tag vorliegende Ergebnisgenerierung, im Gegensatz zu klassischen Plaque-Assay-Protokollen, die in der Regel eine mehrtägige Inkubation erfordern, um die sichtbaren Plaques7-9 manuell zu zählen.
Das Protokoll beschreibt die Schritte unserer Titrationsmethode am Beispiel des onkolytischen vesikulären Stomatitis-Virus, das für ein Fluc-Transgen (VSV∆51-Fluc) kodiert, und gibt einen Überblick über 1. Probenvorbereitung 2. Das Plattieren einer permissiven Zelllinie für die Virustitration unter Verwendung eines automatisierten Dispensers 3. Die Vorbereitung der viralen Standardkurve 4. Der Transfer der Probenüberstände auf die permissive Zelllinie mit Hilfe eines manuellen 96-Well-Pipettierers 5. Die Beurteilung der Zytotoxizität von Proben unter Verwendung eines Reagenzes für die Zellviabilität 6. Die Vorbereitung des Luciferin-Substrats 7. Ablesung der Biolumineszenz und 8. Datenanalyse.
1. Probenvorbereitung
2. Herstellung von permissiven Zellen für Virustitration
3. Herstellung von Viral Standardkurve
4. Übertragung der Probe auf Überstände permissiven Zellen
5. Bewertung der Lebensfähigkeit der Zellen
6. Vorbereitung des Luciferinsubstrat
7. Lesen Biolumineszenz
8. Datenanalyse
Ein Überblick über die Arbeitsweisen durch die Hochdurchsatz-Verfahren ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse eines typischen Standardkurve ofVSVΔ51-Fluc. Vier-Parameter-nichtlinearen Regressionsanalyse erzeugt eine Hill-Kurve, aus dem unbekannten Eingangs pfu (Schätzung der Virustiter) interpoliert werden kann. Diese geschätzten Titer werden als viralen Expressionseinheiten (VEU). 3A zeigt VEUS und Titer durch Ausführen eines Standard-Plaque-Assay mit den gleichen Proben 10 erhalten. Proben stammten von einem Experiment, in dem verschiedene Chemikalien wurden verwendet, um die Replikation zu erhöhen und von VSVΔ51-Fluc verbreitet in Zellen 786-0. VEUS aus der Standardkurve interpoliert, um einen Faktor, der von der Verdünnung der Probenüberstände beruht zu multiplizieren, die auf Vero-Zellen überführt (in diesem Fall ist der Verdünnungsfaktor 5). Die lineare Korrelation zwischen dem Titer und VEU ist in 3B gezeigt, Mit einem R 2 von 0,8083 und einer Pearson-r-Score von 0.899 (p <0,0001). In Figur 4 ist typisch Zytotoxizität von Daten von einem metabolischen Assay erhaltenen 786-0 für Zellen mit Chemikalien vor der Infektion mit VSVΔ51-Fluc behandelt gezeigt. Schließlich zeigt 5 typische Standardkurven mit verschiedenen Viren erhalten (Herpes Simplex Virus (HSV), Vaccinia-Virus und Adeno-assoziierte Virus (AAV), die alle exprimierenden Firefly Luziferase) und beschreibt Inkubationszeiten und Gefrier-Auftau-Zyklen, wie gewünscht.

Abbildung 1. Workflow-Hochdurchsatz-Virus Titerung und Zytotoxizität-Test unter Verwendung VSV Δ 51-Fluc. (A) Samen, 2,5 x 10 4 Vero-Zellen pro Vertiefung (100 ul) und Inkubation bei 37 ° C. (B) 24h später Transfer 25 ul Standardkurve auf Vero-Zellen (2 Spalten pro Platte). (C) Transfer von 25 ul Proben, die auf die verbleibenden Vero-Zellen titriert werden. Zentrifuge Platten und bei 37 ° C. (D) in einer Höhe von 10% des Volumens in die gut, fügen Resazurin Reagenz zu der Platte mit den Originalproben. Platten bei 37 ° C. (E) inkubieren Nach 3 h, lesen und beschreiben und zu bewerten Fluoreszenz Zytotoxizität. (F) Nach 5 h, fügen Sie 25 ul von 2 mg / ml Lösung von Luciferin in jede Vertiefung der Vero-Zellen. Lesen Lumineszenz und berechnen viralen Expressionseinheiten.

Abbildung 2. Erwartete Standardkurve von VSV Δ 51-Fluc. Mich Luciferaseexpressiongesicherter 5 Stunden nach der Überstand Übertragung an fünf verschiedenen Punkten innerhalb eines gut mit einem Luminometer und Biolumineszenz wurde im mittleren relativen Lichteinheiten (RLU) angegeben. Bedeuten RLU wurde gegen bekannte Eingangs aufgetragen pfu / ml, die nicht-lineare Regression gelöst und erzeugen eine Hill-Gleichung. Der Durchschnitt von zwei Wiederholungs Kurven und Standardfehlerbalken dargestellt (r 2 = 0,9993).

Figur 3 Vergleich von Standard-Plaque-Assay-Titer mit denjenigen von Hochdurchsatz-Verfahren erhalten. (A) Virustiter in pfu / ml durch Standard-Plaque-Assay auf Vero-Zellen erhalten wurden, berechnet die viralen Titer (VEU / ml) aus den gleichen Proben titriert mit der Hochdurchsatz-Luciferase-Assay verglichen. (B) lineare Beziehung zwischen VEU / ml und Titer über Standard-p erhaltenLaque-Assay. Lineare Regressionskurve und der Bestimmungskoeffizient (R 2) dargestellt sind.

Abbildung 4. Beispiel Lebensfähigkeit. Beispiels Lebensfähigkeit vor der Überstand Übertragung auf Vero-Zellen wurde durch die Bewertung zelluläre metabolische Aktivität mit einem handelsüblichen Resazurin-Lösung bestimmt. Raw Fluoreszenzwerte wurden normalisiert, um die von unbehandelten, nicht infizierten Brunnen.

Abbildung 5. Erwartete Standardkurven mit HSV, Vaccinia und AAV-Viren. Luciferase-Expression wurde an fünf verschiedenen Punkten innerhalb eines gut mit einem Luminometer gemessen und Biolumineszenz wurde im mittleren rela ausgedrückttive Lichteinheiten (RLU). (A) HSV-Standardkurve wurde auf Vero-Zellen gegeben plattierten 24 Stunden vorher mit einer Dichte von 2,5 x 10 4 Zellen pro Vertiefung (100 ul) und die Luciferase-Messung erfolgte 17 h nach der Übertragung überstehende (R 2 = 0,9489, n = 1). Eine Hill-Gleichung wurde durch die Lösung der nicht-linearen Regression erzeugt. (B) Vaccinia-Standardkurve wurde auf Vero-Zellen gegeben plattierten 24 Stunden vorher eine Dichte von 2,5 x 10 4 Zellen pro Vertiefung (100 ul) und 2,5 h bei 37 ° inkubiert, C, wonach Luciferase Messungen vorgenommen wurden (R 2 = 0,9892). Eine lineare Gleichung wurde durch die Lösung für die lineare Regression erzeugt. (C) AAV-Standardkurve wurde auf menschlichen Lungenkarzinomzellen (A549) zugegeben plattierten 24 Stunden vorher mit einer Dichte von 2,5 x 10 4 Zellen pro Vertiefung (100 ul) und die Luciferase-Mess wurde 24 Stunden nach der Infektion. Eine Hill-Gleichung wurde durch die Lösung der nicht-linearen Regression erzeugt. Die durchschnittlichevon fünf Wiederholungs Kurven und Standardfehlerbalken dargestellt (R 2 = 0,9926).
Die hier beschriebene Luciferase basierenden Ansatz bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen bestehenden Methoden einschließlich der Leichtigkeit, Schnelligkeit, Minimalausstattung notwendig und relativ niedrigen Kosten. Ein wichtiger Beitrag dazu ist die Vermeidung eines Verdünnungsschritt. Dennoch sind Verdünnungsbasierte Derivate dieses Protokoll sicherlich möglich und wurden vor kurzem zur Luciferase-exprimierenden Ebola-Titer in einem Hochdurchsatz-Antivirus-Bildschirm von 11 zu bewerten. Während naturgemäß zeitaufwändig und teurer, können solche Anpassungen größeren Dynamikbereich für die virale Quantifizierung bieten, wenn nötig. Zusätzlich dazu, dass sich besonders gut zur Auswertung Virustiter im Rahmen der Hochdurchsatz geeignet ist, erzeugt unser Ein-Schritt-Luciferase-basierte virale Quantifizierungsverfahren genaue Schätzungen von infektiösen Virionen bei der Replikation von Viren. Weiterhin Auslesungen der Lumineszenz mit Zytotoxizität von demselben Experiment ergeben einvollständiges Bild der Wirkung der Versuchsbedingungen auf Zielzellen, die besonders nützlich im Zusammenhang mit der onkolytischen Viren und Drogen-Bildschirme ist.
Das hier dargestellte Beispiel wird eine Replikation von negativen Einzelstrang RNA-Virus; Jedoch kann dieses Protokoll auf eine Anzahl von replizierenden und nicht-replizierende Viren mit einigen geringfügigen Anpassungen Protokoll angepasst werden. Dazu gehören DNA-Viren, wie Vaccinia, HSV und AAV (siehe Abbildung 5). Proben mit intrazelluläre Viren, wie Vaccinia-Virus infiziert sind beispielsweise, eine Virentrennschritt vor der Quantifizierung (zB mindestens einem Gefrier-Auftau-Zyklus). Bei der Anwendung dieser Technik auf andere Viren, ist es notwendig, die Reaktionszeit von der Übertragung des viralen Überstand oder Lysat, um das Lesen der Platten durch das Luminometer zu optimieren. Dieser Parameter wird in erster Linie auf der Replikationszyklus des Virus in der permissiven Zelllinie und der Stärke der p hängenromoter Fahr Luciferase-Expression. Dies geschieht am besten mit Hilfe der Standardkurve voll in die Optimierung Schritt getan. Um dies zu tun, muß man die entsprechende permissive Zellinie mit verschiedenen Wiederholungen des hergestellten Standardkurve zu infizieren und zu lesen jede Wiederholung bei einer verschiedenen Zeitpunkten nach der Übertragung. Idealerweise wird eine Inkubationszeit Punkt gewählt, die zu einer linearen Beziehung zwischen log (RLE) und LOG (Titer) führt überspannt den erwarteten Proben Titerbereich. Für VSVΔ51-Fluc ist dies typischerweise von 10 4 pfu / ml bis 10 7 pfu / ml für 5 Stunden Inkubationszeit. Wenn niedrigeren oder höheren Titer von Proben erwartet, kann man einfach mit höheren oder niedrigeren die Inkubationszeit. Alternativ können Proben verdünnt werden, um in dem Bereich viel, wie es typischerweise für ELISA getan fallen.
Wie oben erwähnt, ist dieses Verfahren gut geeignet, um hohen Durchsatz Drogen-Bildschirme mit Wirkstoffbibliotheken meisten Schritte können automatisiert durchzuführen. Zellen plattiert efficiently unter Verwendung eines automatisierten Mikroplatten-Dispenser kann die Medikamentenbibliothek unter Verwendung eines 96-Kanal-Handler Flüssigkeit zugegeben werden kann, kann unter Verwendung eines Mikroplatten-Virus Spender zugesetzt, und die Platten gelesen unter Verwendung eines automatisierten Luminometer. Theoretisch kann dies auch für 384er oder kleinere Formate angepasst werden; jedoch die Einschränkung zu diesem Zweck ist die Anzahl der Zellen, die plattiert werden können, da weniger Zellen führt zu einem engeren Bereich in der Linearität der LOG (RLU) bis (Titer) Beziehung Protokoll. Schließlich können Beurteilung der Lebensfähigkeit der Zellen unter Verwendung von Resazurin oder andere Stoffwechsel Farbstoffe leicht in den Workflow integriert werden, so dass für die Diskriminierung von zytotoxischen Verbindungen in der antiviralen Bildschirmen oder zur Identifizierung von Verbindungen, die an synergistische Tötung in Kombination mit Viren 12 führen. Dennoch Beschränkungen dieses Verfahrens umfassen das Erfordernis eines Luciferase-Transgen exprimierenden Virus, was nicht immer möglich ist, und die Verfügbarkeit eines ausreichend permissive Zelllinie. , Wahrscheinlich möglich, anzupassen, ist es jedochVerfahren zur Verwendung mit anderen Reportergene (zB GFP) bereitgestellt Reporter Quantifizierungsverfahren eine geeignete Linearität und das Signal-Rausch-Verhältnis. Insgesamt können die beschriebenen Verfahren mit hohem Durchsatz angepasst werden, um viele verschiedene Viren entsprechen und unterschiedliche Anwendungen zugeschnitten.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Vanessa Garcia wird durch ein Queen Elizabeth II Ontario Graduate Scholarship in Science and Technology finanziert und Cory Batenchuk durch ein Stipendium des Natural Sciences and Engineering Research Council.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Dulbeccos' modifiziertes Eagle's Medium (DMEM) | Corning | SH30243.01 | |
| Fötales Rinderserum | NorthBio Inc. | NBSF-701 | |
| Phosphatgepufferte Kochsalzlösung | Corning | 21-040-CV | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-1 | Bereiten Sie eine 1 mM Lösung vor, pH 7,3 |
| alamarBlue | AbD Serotec | BUF012B | |
| D-Luciferin Kaliumsalz | Biotium | 10101-2 | |
| 96-Well-Mikrotiterplatten aus weißem Polystyrol mit flachem Boden TC-behandelte Mikrotiterplatten | Corning | 3917 | 384-Well-Platten können auch für einen höheren Durchsatz verwendet werden |
| Synergy Mx | BioTek | SMTBL | Monochromator Mikroplatten-Reader |
| Liquidator96 | Mettler Toledo | LIQ-96-200 | Manuelles Pipettiersystem mit 96 Spitzen |
| Liquidator96 LTS Spitzen sterilisiert mit Filtern | Mettler Toledo | LQR-200F | Alle sterilen gefilterten Spitzen, die mit Pipettierern Ihrer Wahl kompatibel sind, sind geeignet |
| Microflo | BioTek | 111-206-21 | Wird verwendet, um Zellen in einer 96-Well-Platte zu plattieren |
| Fluoroskan Ascent FL | Thermo Scientific | 5210450 | Mikrotiterplatten-Fluorometer |