本記事では、ルシフェラーゼレポーターシステムを用いてSARS-CoV-2疑似型粒子を生成する方法論と、それを用いたエントリー阻害剤の同定について説明しています。これらのプロトコルは、組換えヒトACE2-Fc融合タンパク質と小分子化合物アルビドールという2種類のエントリー阻害剤を用いて実証されています。
方法論記事
本記事では、ルシフェラーゼレポーターシステムを用いてSARS-CoV-2疑似型粒子を生成する方法論と、それを用いたエントリー阻害剤の同定について説明しています。これらのプロトコルは、組換えヒトACE2-Fc融合タンパク質と小分子化合物アルビドールという2種類のエントリー阻害剤を用いて実証されています。
SARS-CoV-2ウイルスは、2019年の出現以来、世界中で多大な病気と死亡の負担をもたらしてきた新興の人獣共患病原体です。ウイルスの侵入や潜在的な抗ウイルス化合物を評価するための安全でアクセスしやすいプラットフォームは、新興変異株に対する継続的な創薬に不可欠です。本記事では、SARS-CoV-2スパイクタンパク質を発現しルシフェラーゼレポーター遺伝子を持ったマウス白血病ウイルス(MLV)ベースの擬似型粒子を生成する高度に最適化されたプロトコルを説明し、バイオセーフティレベル2条件下でのウイルス侵入の研究を可能にします。記述された方法は、最適化された細胞株の使用、コスト効率の高い試薬を用いた高いトランスフェクション効率、高効果な偽ウイルスの生成、感染力の滴定によるスクリーニングアッセイの最小ウイルス入力を決定する方法を詳細に示しています。代表的な結果は、感染細胞で非感染対照群と比較して強健なルシフェラーゼ活性を示し、対照のスパイクレスおよびVSV-G偽ウイルスはアッセイ特異性を裏付けています。さらに、このシステムはウイルス侵入に対する抑制効果の定量化やMTT生存可能性アッセイを用いた細胞毒性の評価を通じて、化合物スクリーニングを支援します。総じて、この再現可能かつ拡張可能なプロトコルは、新規ウイルス侵入阻害薬の中〜高スループットスクリーニングの信頼できるプラットフォームを提供し、抗ウイルス候補の同定やSARS-CoV-2の侵入メカニズム研究の進展に貢献しています。
2019年末に発生した重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)は、世界的なパンデミックを引き起こし、世界中で数百万人が死亡しました。また、感染力や免疫逃避の可能性を高める新たな変異株によって脅威となり続けています。SARS-CoV-2はコロナウイルス科の包膜付きRNAウイルスであり、三量体スパイク(S)糖タンパク質を利用して、アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体に結合し、TMPRSS2および他の宿主プロテアーゼ2,3によるプロテオリシス活性化を受けることで宿主細胞への侵入を媒介します。COVID-19症状を管理するためにいくつかの治療法が開発されていますが、ウイルス変異株の継続的な進化と急速な発生は、ウイルスの侵入を研究し、感染初期段階を標的とした新しい抗ウイルス化合物を評価するための安全かつ拡張可能なシステムの緊急性を浮き彫りにしています。
SARS-CoV-2ウイルスは、その高い感染可能性のため、一部の地域でバイオセーフティレベル3の病原体5に分類されています。したがって、再現実験室の作業には高封じ込めBSL-3施設が必要であり、このウイルスを用いた科学研究の多くの研究室が困難になっています。疑似型ウイルスベースのシステム(偽ウイルス(PVs)とも呼ばれるシステムは、バイオセーフティレベル2(BSL-2)研究所でのウイルス侵入研究を可能にする実用的な代替手段を提供し、世界的な研究活動のアクセス拡大を図ります6。SARS-CoV-2スパイクタンパク質を持つ擬似型粒子は複製性がなく、ウイルスの侵入評価や小分子阻害剤のスクリーニングに安全な代替物として機能します7。これらの粒子はルシフェラーゼや蛍光リポーター遺伝子を搭載するように設計され、感染細胞内のリポーターシグナルを測定することで感染を迅速かつ定量的に検出することが可能です。マウス白血病ウイルス(MLV)またはレンチウイルスの骨格を基盤としたシステムは、SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2、エボラウイルスなどの感染解析に広く用いられています。
これらのプロトコルでは、MilletとWhittaker8の報告に基づき、3プラスミド系を用いたMLVベースのPV生成を記述します。使用されたプラスミドには、MLVコア遺伝子gag-pol(pCMV-MLVgagpol)をコードするパッケージングプラスミド、リポーター遺伝子ルシフェラーゼをコードするトランスファーベクター(pTG-Luc)、そして元の武漢Hu-1変異に対応するSARS-CoV-2スパイク糖タンパク質を発現するプラスミドが含まれます。さらに、偽ウイルスは水疱性口内炎ウイルスのG糖タンパク質(VSV-G)を用いて生成され、後に潜在的なヒットの対比スクリーニングとして利用されます。偽ウイルスはHEK293由来細胞で産生され、hACE2およびTMPRSS2を安定的に発現する感受性の高い細胞への感染に用いられます。トランスフェクション効率はまず緑色蛍光タンパク質(GFP)発現プラスミドを用いて評価されます。その後、最適化されたトランスフェクション条件を用いて、これら3つのプラスミドを共トランスフェクトし、その後得られたウイルスの滴定によってPVが生成されます。適切な量のPVを用いて、96ウェルプレートでウイルスの侵入を阻害できる化合物をスクリーニングするためにアッセイが行われます。このプロトコルは分岐ポリエチレンニミン(PEI)をコスト効率の良いトランスフェクション試薬として利用し、手順の実装を容易にします。
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1. 分枝ポリエチレンインミン(PEI)を用いたHEK293T由来細胞の高効率トランスフェクション
注意:バイオセーフティキャビネット内のすべての工程は標準的な無菌技術およびBSL-2手順を用いて実施してください。HEK293T由来細胞を用いてトランスフェクションおよび偽型ウイルスの生成を行います。この方法では細胞を培養処理した6ウェルプレートにトランスフェクトします。PEIストック溶液は、Yangら(2017)によって以前に説明された通りに調製されます。偽ウイルスを生成するためのトリプルトランスフェクションを行う前に、高いトランスフェクション効率(70〜80%以上)を確保するために、最適なPEIプラスミドDNA比率を最適化することが望ましいです。この最適化は、緑色蛍光タンパク質(GFP)発現プラスミドのトランスフェクションを行い、その後蛍光顕微鏡で蛍光細胞の割合を確認することで行われます。この最適化のために、プラスミドDNAを1ウェルあたり2.5 μgに一定に保ち、1〜20 μLの範囲で複数のPEIを検査します。以下は、これらのロット細胞とPEIに最適な条件です。6ウェルプレート上で、1ウェルごとに5μLのPEIストック溶液(1 mg/mL)と2.5 μgのGFP発現プラスミドを1ウェルに置きます。
2. SARS-CoV-2スパイク型およびVSV-G偽型偽ウイルス粒子の生成
注:この方法はセクション1と同じ手順を用いていますが、GFPプラスミドの代わりに、偽型ウイルスを生成するために必要な3つのプラスミドと共トランスフェクトし、最適なトランスフェクション条件で高いトランスフェクション効率を確保します。また、プロトコルは6ウェルプレートのHEK293T 6ウェル由来細胞を使用し、以下の3つの条件を満たすのに十分です:a) 非トランスフェクト細胞(1ウェル)、b) MLVパッケージングプラスミドとルシフェラーゼリポータートランスファーベクターのみを用いた細胞(1ウェル、スパイクレス偽ウイルス)、c) これら2つのプラスミドとスパイク発現プラスミドをトランスフェクトしてSARS-CoV-2疑似型ウイルスを生成する細胞(4ウェル)。ここで使用されたスパイク発現プラスミドはSARS-CoV-2武漢株のスパイクをコードし、PVsでタンパク質を効率的に提示できるように配列修飾を含んでいます。スパイクレス偽ウイルスは、感染後の段階で、許容細胞へのスパイク依存性の侵入を検証するためにコントロールとして必要となる。同様に、VSV-G-PVは同じ実験設計を用いて生成され、後に潜在的な阻害化合物の対策スクリーニングとして使用されます。より大きな偽ウイルスの体積が必要な場合は、プロトコルを6ウェルプレート2枚に拡大することもでき、これはプレート遠心分離にも実用的である可能性があります。
| SARS-CoV-2スパイクPV(井戸ごとの数値)について | VSV-G-PV(井戸ごと)について | スパイクレスPV(井戸ごとの)について | |
| PEIの解決策: | |||
| PEI(1 mg/ml)1 | 5 μL | 5 μL | 5 μL |
| 還元血清培地 | 45 μL | 45 μL | 45 μL |
| プラスミドDNA溶液:2 | |||
| pCMV-MLVgagpol | 0.79μg | 0.79μg | 0.79μg |
| pTG-luc | 0.92μg | 0.92μg | 0.92μg |
| pUNO1スパイク | 0.79μg | - | - |
| pVSV-G | - | 0.79μg | - |
| 還元血清培地 | 50μLまで | 50μLまで | 50μLまで |
表1:PV生成のためのトランスフェクション混合物の調製。
3. SARS-CoV-2およびVSV-G偽型粒子の滴定
注:このステップは、生成された偽型粒子が感染性であることを確認し、化合物スクリーニングなどの後続用途に必要な最小有効体積を決定するために不可欠です。この滴定は、新しい偽ウイルスのバッチごとに行うべきです。この目的のために、SARS-CoV-2感染に非常に感受性の高い細胞(HSI細胞)には、偽型ウイルスの量が減少して感染します。スパイク-ヒトACE2相互作用やVSV-Gと他の細胞受容体による偽ウイルスの侵入は、72時間後にルシフェラーゼ活性を検出することで発光アッセイで監視されます。
4. スパイク-PVを用いた偽ウイルス侵入阻害の化合物スクリーニング
5. MTTベースの細胞生存能力アッセイ

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PVを生成するトランスフェクション法はいくつか報告されており、リン酸カルシウム15、脂質系法16、PEIなど、線形および分岐型の両方があります。本論文は、分岐したPEIを持つHEK293T由来細胞のトランスフェクションにより高効率なトランスフェクションが可能であることを示しており(図1)、通常は市販の脂質系トランスフェクション剤を用いたトランスフェクション法と比較されます(データ未掲載)。本条件で最適なPEI量に対応する代表的な結果が示されており、これは第1節で述べた条件における2.5 μgのGFP発現プラスミドに対してPEIストック溶液5μLに対応しています。しかし、新しいプラスミドとPEIのバッチごとに、この段階で最適化実験を行うことが推奨されており、複数のGFP発現プラスミド-PEI比率をテストし、プラスミド量を一定に保ち、1 mg/mLのストックから1 μLから20 μLまでの複数のPEIをテストすることが推...
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このMLVシステムの他のウイルスの疑似型生成における多様性は、エボラウイルス18、MERS-CoV8、SARS-CoV19、ラクロスウイルス20、ハンタウイルス20、ヴィスナウイルス21、アレナウイルス22、インフルエンザウイルス23など、他の重要なウイルスでも報告されています。これらの疑似型は、ウイルストロピズムの研究、遺伝子治療への応用可能性、中和抗体の検出と定量化、ウイルス侵入阻害剤の発見と特性評価など、多様な応用に非常に有用でした。
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著者たちは何も明かすことはありません。
契約番号SENACYT031-2022およびSNI契約番号050-2023に基づき、財政支援をいただいた国立科学・技術・革新事務局(SENACYT、パナマ)に感謝いたします。また、プラスミドpCMV-MLVgagpolおよびpTG-Lucの寄贈をいただいたゲイリー・ウィッタカー博士にも大変感謝しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.2 & micro;m 低タンパク質結合シリンジフィルター | サーモ・サイエンティフィック | 720-1320 | シリンジフィルター(0.2 & μ;男性、13mm、PES、不妊) |
| 0.25%トリプシン-EDTA 1X溶液 | ギブコ | 25200-056 | トリプシン-EDTA(0.25%)、フェノールレッド |
| 0.45 & micro;m PVDFボトルトップフィルターユニット | アヴァントール | 514-1045 | ボトルトップ真空ろ過システム(PVDF、250ml、50mm、0、45およびマイクロ;m) |
| 1.5 mL 無菌マイクロ遠心分離機チューブ | エッペンドルフ | 30123611 | セーフロック 真空管 |
| 100 X ペニシリン ストレプトマイシン溶液 | コーニング | 30-002-CI | ペニシリン・ストレプトマイシン溶液、100倍 |
| 5 X ルシフェラーゼアッセイ溶解バッファー | プロメガ | E2650 | プロメガ・ブライトグロー・ルシフェラーズアッセイシステムの一部 |
| 50 mL 滅菌円錐管 | コーニング | 352070 | 50 mL 高透明度PP遠心分離機チューブ、円錐形底、無菌 |
| 6ウェル組織培養プレート | サーモ・サイエンティフィック | 140675 | 細胞培養処理マルチディッシュ |
| 96ウェル組織培養プレート | サーモ・サイエンティフィック | 168055 | ナンク&トレード;MicroWell™96ウェル、ナンクロンデルタ処理済み、平底マイクロプレート |
| アルビドール塩酸塩 | シグマ・オルドリッチ | SML0860 | |
| 分岐ポリエチレンニミン、25 kDa | シグマ・オルドリッチ | 408727 | |
| 共焦点レーザー顕微鏡および(FV 3000) | オリンパス社 | SKU:FV3000 | |
| ジメチルスルホキシド(DMSO) | シグマ・オルドリッチ | D8418 | |
| DMEM(ダルベッコ改良イーグルミディウム)含有:高グルコース、L-グルタミン、フェノールレッド、ピルビン酸ナトリウム | ギブコ | 11995-065 | |
| 胎児用牛血清(FBS) | ギブコ | 26140-079 | 熱不活化(56°C、30分) |
| HEK293T由来細胞(Lenti-X 293T細胞株) | タカラバイオ | 632180 | HEK293細胞株の高度に形質移行可能なサブクローンの存在であり、ウイルスタンパク質発現の高レベルを支えます |
| HEPESバッファ | ギブコ | 15630-080 | |
| 感染に対して非常に感受性の高い細胞(293T-ACE2。TMPRSS2(mCherry)細胞系) | BEIリソース | NR-55293 | ACE2およびTMPRSS2を安定的に発現するように修飾されたHEK293T細胞株 |
| 塩酸およびnbsp; | シグマ・オルドリッチ | H1758-500ML | |
| 逆位相差顕微鏡 | オリンパス社およびnbsp; | SKU:2404040005 | |
| イソプロパノール | シグマ・オルドリッチ | I9516-500ML | |
| ルシフェラーゼ基質 | プロメガ | E2650 | ブライトグロールシフェラーゼアッセイシステムの一部 |
| 発光検出を備えたマイクロプレートリーダー | アジレント・バイオテック | BTH1MG | |
| MTT [3-(4,5-ジメチルチアゾール-2-イル)-2,5-ジフェニルテトラゾリウム臭化物] | シグマ・オルドリッチ | M2128 | |
| 不透明な白色96ウェルプレート | コーニング | 3917 | 96ウェルのソリッドホワイトフラットボトムポリスチレンTC処理マイクロプレート |
| パラフィルム | ベミス | PM999 | |
| pcDNA3-EGFPプラスミド | アッドジーネ | 13031 | pcDNA3-EGFPはダグ・ゴーレンボック(Addgeneプラスミド#13031;http://n2t.net/addgene:13031;RRID:Addgene_13031) |
| pCMV-MLVガグポルプラスミド | - | - | ゲイリー・ウィッタカー博士よりご厚意で寄贈されました。 |
| Ca2+およびMg2+を含まないリン酸緩衝生理食塩水(PBS) | コーニング | 21-040-CV | リン酸緩衝生理食塩水、カルシウムとマグネシウムなしの1倍 |
| Promega PureYield プラスミド Maxiprep システム | プロメガ | A2393 | |
| pTG-Lucプラスミド | - | - | ゲイリー・ウィッタカー博士よりご厚意で寄贈されました。 |
| pUNO1-SARS-CoV-2 スパイク(武漢)プラスミド | インビボジェン | P1スパイク | |
| pVSV-Gプラスミド | アッドジーネ | 138479 | pVSV-Gはアキツ・ホタ(Addgeneプラスミド#138479;http://n2t.net/addgene:138479;RRID:Addgene_138479) |
| 組換えヒトACE2-Fc融合タンパク質 | インビボジェン | fc-hace2 | |
| 還元血清培地(Opti-MEM) | ギブコ | 31985-070 | Opti-MEM還元血清培地 |
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