In dieser Arbeit wird ein ausführliches Protokoll zur Beobachtung der Ausbreitung von Alphaviren und zur Bewertung von antiviralen Substanzen (z. B. Furin-Inhibitoren) mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie in einem Mehrlochplattenformat vorgestellt. Um die Hemmwirkung auf die virale Reporterexpression bildlich darzustellen, wurden drei zuvor synthetisierte Furin-Inhibitoren zur Prüfung in der Aedine-Zelllinie U4.4 ausgewählt: MI-1148, MI-1130 und MI-1131. Ein Überblick über den experimentellen Arbeitsablauf ist in Abbildung 1 dargestellt.
Bevor die antivirale Wirksamkeit beurteilt wird, ist es wichtig, die Zytotoxizität zu überprüfen, um sicherzustellen, dass eine Verringerung der viralen Replikation nicht auf Zelltod durch die Substanz zurückzuführen ist. Daher wurden U4.4-Zellen bei 90 % Konfluenz mit den Inhibitoren in Konzentrationen von 100, 50, 25 oder 12,5 µM behandelt. Unbehandelte Zellen sowie Zellen, die mit Wasser (Lösungsmittelkontrolle) behandelt wurden, dienten als negative Kontrollen, während Ionomycin als positive Kontrolle verwendet wurde. Die Zellviabilität wurde 48 h nach der Behandlung mittels eines lumineszenten Assays basierend auf der Quantifizierung von ATP bestimmt. Für die getesteten Furin-Inhibitoren wurde keine signifikante Abnahme der Zellviabilität beobachtet (Abbildung 2).
Da keine Zytotoxizität festgestellt wurde, wurden die Verbindungen anschließend auf antivirale Aktivität untersucht. Zu diesem Zweck wurden U4.4-Zellen 1 Stunde lang mit SFV-mCherry infiziert und anschließend mit denselben Furin-Inhibitoren in den gleichen Konzentrationen behandelt. Infizierte, unbehandelte Zellen sowie infizierte, mit Wasser behandelte Zellen dienten als negative Kontrollen für die antivirale Aktivität, während nicht infizierte, unbehandelte Zellen zur Beurteilung der Hintergrundfluoreszenz herangezogen wurden. 48 Stunden nach der Behandlung wurde die Expression des viralen Reporters mittels Fluoreszenzmikroskopie quantifiziert. Vor der Bildaufnahme wurden 8 µL einer zellpermeablen Lösung mit einem Kerngegenfärbemittel in jede Vertiefung gegeben und 30 Minuten lang inkubiert, um die Zellkerne anzufärben. Das rote Fluoreszenzsignal, das der Expression des viralen Reporters entspricht, sowie die Gesamtanzahl der Kerne wurden anhand der bearbeiteten Fluoreszenzbilder quantifiziert. Unter den getesteten Inhibitoren zeigte MI-1148 eine starke antivirale Wirkung und reduzierte die Expression des viralen Reporters in dosisabhängiger Weise signifikant (Abbildung 3). Im Gegensatz dazu zeigten MI-1130 und MI-1131 bei keiner der getesteten Konzentrationen eine nachweisbare Hemmung der Expression des viralen Reporters. Die Rohdaten und die Analyse des antiviralen Assays sind in Zusatz-Tabelle 1 enthalten.
Die repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass das Protokoll zuverlässig Verbindungen mit antiviraler Aktivität identifiziert, wie die starke Verringerung des Reporter-Signals in Gegenwart von MI-1148 belegt. Im Gegensatz dazu verringerten die Inhibitoren MI-1130 und MI-1131 die Reporter-Expression nicht, was darauf hinweist, dass ihre starke Furin-Hemmung, erkennbar an pikomolaren Hemmkonstanten, unter diesen Bedingungen keine antivirale Aktivität nach sich zog (Abbildung 4). Diese Befunde unterstreichen die Fähigkeit des Assays, aktive von inaktiven Verbindungen zu unterscheiden, und tragen zur Identifizierung potenter und relevanter Leitstrukturen bei.

Abbildung 1: Experimenteller Arbeitsablauf. Eine schematische Übersicht über das experimentelle Vorgehen zur Bewertung der antiviralen Wirkung von Furin-Inhibitoren in der Aedine-Zelllinie U4.4. Der Arbeitsablauf umfasst die Vorbereitung der Verbindungen, das Aussäen der Zellen, die Infektion mit mCherry-markiertem Semliki-Forest-Virus, die Behandlung mit Verbindungen, die Fluoreszenzmikroskopie zur Echtzeitvisualisierung sowie die Quantifizierung der viralen Reporterexpression. Diese Abbildung wurde mit BioRender erstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 2: Zytotoxische Wirkung von Furin-Inhibitoren in U4.4-Zellen. Bei einer Konfluenz von etwa 90 % wurden U4.4-Zellen mit MI-1148, MI-1130 und MI-1131 in Konzentrationen von 100, 50, 25 und 12,5 µM behandelt. Unbehandelte Zellen sowie mit Wasser behandelte Zellen dienten als negative Kontrollen, während Ionomycin (100 µM) als positive Kontrolle verwendet wurde. 48 Stunden nach der Behandlung wurde die Zellviabilität durch Quantifizierung von ATP bestimmt. Die Daten wurden auf die unbehandelte Kontrolle normiert und als Prozentangabe (%) dargestellt. Die mittlere Zellviabilität (n=3) ist angegeben, und die Fehlerbalken zeigen den Variationskoeffizienten. Die gestrichelte Linie markiert die Grenze für Zytotoxizität bei 80 %. n.d. = nicht nachweisbar. Die Datendarstellung erfolgte mit GraphPad Prism v9.5.1. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 3: Antivirale Wirkung von Furin-Inhibitoren gegen das mit mCherry markierte Semliki-Forest-Virus (SFV) in der Aedinen-Zelllinie U4.4. Bei einer Konfluenz von etwa 90 % wurden die Zellen 1 Stunde lang mit SFV-mCherry infiziert und anschließend mit MI-1148, MI-1130 und MI-1131 in Konzentrationen von 100, 50, 25 und 12,5 µM behandelt. 48 Stunden nach der Behandlung wurde die Expression des viralen Reporters mittels Fluoreszenzmikroskopie quantifiziert. Vor der Bildaufnahme wurden 8 µL einer zellpermeablen Kerngegenfärbungslösung in jede Vertiefung gegeben und 30 Minuten inkubiert, um die Zellkerne anzufärben. Fluoreszenzbilder wurden mit einem Texas-Red-Filter für das virale Signal und einem DAPI-Filter für die Kerne aufgenommen. Mittels Bildanalyse wurden die gesamte rote Fluoreszenzintensität (Indikator für virale Replikation) und die Gesamtanzahl der Zellen pro Vertiefung bestimmt. Die Daten (n = 4) werden als rote Intensität pro Zelle (Gesamtvirus-Signal / Gesamtzellzahl) dargestellt. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Die statistische Signifikanz im Vergleich zur SFV-infizierten Kontrolle wurde mittels einfaktorieller ANOVA und Dunnetts Test für multiple Vergleiche ermittelt: **** = P<0,0001; ns = P>0,05. Die Datenaufbereitung und statistische Analyse erfolgten mit GraphPad Prism v9.5.1. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 4: Repräsentative Fluoreszenzbilder, die die antivirale Wirkung von Furin-Inhibitoren gegen das mit mCherry markierte Semliki-Forest-Virus (SFV) in der aedinen Zelllinie U4.4 zeigen. Die Zellen mit einer Konfluenz von etwa 90 % wurden 1 h mit SFV-mCherry infiziert und anschließend mit MI-1148, MI-1130 und MI-1131 in Konzentrationen von 100, 50, 25 und 12,5 µM behandelt. Infizierte, unbehandelte Zellen sowie infizierte, mit Wasser behandelte Zellen dienten als negative Kontrollen, während nicht infizierte, unbehandelte Zellen als Hintergrundkontrollen dienten. Das Reporter-Signal wurde 48 h nach der Behandlung mittels Fluoreszenzmikroskopie mit einem Texas-Red-Filter zur Erfassung des mCherry-Signals analysiert. Maßstabsbalken = 2000 µm. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Darstellung dieser Abbildung anzusehen.
Ergänzende Tabelle 1: Rohdaten der Gesamtintensität des Virus-Signals und der Zellanzahl. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 1 (zusätzlich): Verfahrensschritte, die am Bildanalysesystem für die repräsentativen Ergebnisse verwendet wurden. Zuerst eine Temperaturvorgabe (rot), die den Kulturbedingungen der U4.4-Zellen entspricht. Anschließend drei unabhängige Bildaufnahmeschritte (orange) zur Messung von DAPI, Texas Red und Hellfeld. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Zusatzabbildung 2: Bildeinstellungen in den Verfahrensschritten, die beim Bildanalysesystem für die repräsentativen Ergebnisse verwendet wurden. Zunächst sind folgende Einstellungen anzupassen: Vergrößerung (4x) und Bildgröße (Vollständiges WFOV). Es muss der zu messende Fluorophor ausgewählt werden, und die Parameter Beleuchtung, Integrationszeit und Verstärkung müssen entsprechend angepasst werden. Schließlich müssen die Bildmontage (2x2) und die Überlappung (30 µm x 30 µm) festgelegt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 3, Zusatzmaterial: Arbeitsschritte zur Datenauswertung am Bildanalysesystem für die repräsentativen Ergebnisse. Der erste Schritt ist das Zusammensetzen der Bilder (blau) für die DAPI- und Texas-Red-Kanäle. Zweitens liefert die Bildstatistik (lila) die Messung der Gesamtintensität. Danach ist ein Bildvorverarbeitungsschritt (grün) erforderlich, um Hintergrundrauschen aus dem DAPI-Kanal zu entfernen. Schließlich wird die zelluläre Analyse (gelb) am vorverarbeiteten, zusammengesetzten DAPI-Bild durchgeführt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 4, Zusatzmaterial: Bildnahtstellung in den Datenaufbereitungsschritten, die beim Bildanalysesystem für die repräsentativen Ergebnisse verwendet wurden. Die wichtigste Einstellung ist die Verkleinerung des endgültigen Bildes (80 %), da eine geringere Verkleinerung die Bildauflösung beeinträchtigt und somit die endgültige Messung der Parameter beeinflusst. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 5, Zusatzinformationen: Bilddatenstatistik der Schritte zur Datenauswertung, die beim Bildanalysesystem für die repräsentativen Ergebnisse verwendet wurden. Es ist wichtig, den richtigen Kanal (Stitched: Fluorophor) auszuwählen, eine Mindestschwelle (2500) festzulegen und schließlich den zu messenden Parameter (Gesamtintensität) zu bestimmen. Für eine genauere Messung kann ein Bild-Plug erstellt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 6, Zusatzmaterial: Bildvorverarbeitung in den Datensatzreduktionsschritten, die für den Bildleser bei den repräsentativen Ergebnissen verwendet wurden. Die wichtigste Einstellung ist der Rolling-Ball-Parameter (30 µm), der feineren Ergebnissen Vorrang verleiht. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 7 (zusätzlich): Zelluläre Analyse in den Schritten der Datenreduktion, die beim bildgebenden Reader für die repräsentativen Ergebnisse verwendet wurden. Es ist wichtig, den Kanal auszuwählen, der das vorgeverarbeitete Bild enthält. Wählen Sie die Option, um berührende Objekte zu trennen und Lücken in den Masken zu füllen. Es ist entscheidend, den richtigen Bereich für die Objektauswahl (5–50 µm) zu wählen. Schließlich kann für genauere Ergebnisse ein Bild-Plug-In erstellt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 8 (zusätzlich): Antivirale Wirkung von Furin-Inhibitoren gegen mCherry-markierten Semliki-Forest-Virus (SFV) in der Aedine-Zelllinie U4.4. Bei einer Konfluenz von etwa 90 % wurden die Zellen 1 Stunde lang mit SFV-mCherry infiziert und anschließend mit MI-1148, MI-1130 und MI-1131 in Konzentrationen von 100, 50, 25 und 12,5 µM behandelt. Die Expression des viralen Reportergens wurde 24 Stunden (rote Balken) und 48 Stunden (grüne Balken) nach der Behandlung mittels Fluoreszenzmikroskopie quantifiziert. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung (n = 4). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.