본 논문에서는 알파바이러스(alphavirus) 감염을 지속적으로 시각화할 수 있는 강력하고 적응력 높은 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 형광 이미징을 기반으로 세포 수준에서 알파바이러스의 복제를 조사하고 항바이러스 화합물의 효능을 평가하는 접근 방식을 제공합니다.
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본 논문에서는 알파바이러스(alphavirus) 감염을 지속적으로 시각화할 수 있는 강력하고 적응력 높은 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 형광 이미징을 기반으로 세포 수준에서 알파바이러스의 복제를 조사하고 항바이러스 화합물의 효능을 평가하는 접근 방식을 제공합니다.
형광 현미경 검사는 세포 수준에서 알파바이러스 감염을 조사하기 위한 매우 민감하고 다각적인 접근 방식을 제공합니다. 형광 표지된 바이러스를 정량적 이미지 분석과 결합함으로써, 이 방법은 복제 역학의 미세한 차이와 세포 간 전파를 포함한 감염 역학의 상세한 공간적 및 시간적 특성 분석을 가능하게 합니다. 본 프로토콜의 핵심 목적은 항바이러스 스크리닝 분석에 이를 적용하는 것입니다. 형광 강도의 이미지 기반 정량화는 항바이러스 화합물의 효능을 평가하는 강력하고 재현 가능한 수단을 제공하여, 감염된 세포에서 억제 효과를 조기에 민감하게 감지할 수 있게 합니다. 이는 유망한 항바이러스 후보 물질의 식별을 용이하게 하며 용량 의존적 반응의 평가를 지원합니다. 또한, 복제 행동 및 확산 패턴의 변이가 쉽게 드러나기 때문에 서로 다른 알파바이러스 균주나 돌연변이체의 비교 연구에도 매우 적합합니다. 유연성, 다양한 세포주와의 호환성, 자동화된 이미징 플랫폼으로의 간단한 통합 덕분에 이 방법은 확장 가능하며 고처리량 스크리닝 캠페인에 적합합니다. 종합적으로, 본 프로토콜은 항바이러스 전략의 발견과 평가를 발전시킵니다. 여러 알파바이러스가 심각한 인체 및 수의학적 질병을 일으키고, 승인된 항바이러스 치료제가 없으며, 신종 발생과 함께 지리적으로 계속 확장되고 있다는 점을 고려할 때, 새로운 항바이러스제 식별은 여전히 시급한 우선순위입니다. 따라서 이 형광 기반 워크플로우는 현대 알파바이러스 연구에 가치 있고 시의적절한 기여를 합니다.
알파바이러스(Alphaviruses)는 Togaviridae과에 속하는 외막이 있는 양성 가닥 단일 가닥 리보핵산(RNA) 바이러스입니다1,2,3. 이들은 주로 모기를 통해 전파되며 인간과 동물에게 다양한 질병을 유발합니다. 알파바이러스 속에는 치쿤구니야 바이러스(CHIKV), 신드비스 바이러스(Sindbis virus), 동부 말 뇌염 바이러스, 베네수엘라 말 뇌염 바이러스와 같이 의학적으로 중요한 여러 바이러스가 포함됩니다4,5. 이러한 병원체는 발열성 질환 및 발진부터 심각한 신경계 합병증에 이르는 증상을 일으킵니다6. 우려스럽게도, CHIKV는 주요 공중 보건 문제로 다시 부상했습니다. 2025년 초부터만 14개국에서 220,000건 이상의 사례가 보고되었으며, 최소 80명의 사망자가 발생했습니다7. 치사율은 낮지만, 감염자의 상당수가 만성 관절통을 겪으며 이는 장기적인 장애와 이동성 저하로 이어질 수 있습니다8. 표적 항바이러스 전략을 개발하기 위해서는 알파바이러스의 복제와 숙주-병원체 상호작용에 대한 보다 포괄적인 이해가 필수적입니다. 한편, 세믈리키 포레스트 바이러스(SFV)와 같은 일부 알파바이러스는 더 독성이 강한 알파바이러스와 유전적 및 구조적 유사성이 높음에도 불구하고 인간에게는 낮은 병원성을 보입니다. 이로 인해 SFV는 인간의 건강에 높은 위험을 초래하지 않으면서 알파바이러스를 연구하기 위한 이상적인 모델이 됩니다9,10,11.
플라크 분석(plaque assay), 50% 조직 배양 감염량(TCID50) 분석, 정량적 중합효소 연쇄반응(qPCR) 분석과 같은 전통적인 분석법은 바이러스 역량과 유전자 발현을 정량화하는 데 유용하지만, 종말점 측정(endpoint measurement)에 국한되며 세포 용해 또는 고정이 필요하다는 한계가 있습니다. 그 결과, 동일한 세포 내에서 시간에 따른 감염 역학을 직접적으로 포착할 수 없습니다12,13. 이러한 한계를 극복하기 위해, 실시간 형광 이미징은 여러 시점에 걸쳐 감염 키네틱스를 모니터링할 수 있는 강력한 비파괴적 접근 방식을 제공합니다. mCherry가 표지된 SFV와 같이 형광 표지된 바이러스를 사용하면 살아있는 세포 내에서 리포터 바이러스 신호와 확산 양상을 직접 시각화하고 정량화할 수 있습니다14,15. 본 실험에서는 아르보바이러스 연구에서 흔히 사용되는 세포주를 이용하였습니다. Aedes albopictus 유충에서 유래한 U4.4 세포는 많은 아르보바이러스의 효율적인 복제를 지원하는 모기 세포로, 매개체-바이러스 상호작용 연구를 용이하게 합니다16,17. 이와 병행하여, 새끼 햄스터 신장 조직에서 유래한 섬유아세포 유사 포유류 세포주인 BHK-21 세포는 바이러스 증식 및 분자 바이러스학 분석에 빈번하게 사용되는 허용성 척추동물 숙주 시스템을 제공합니다18.
본 프로토콜에서는 푸린(furin) 억제제를 예시로 하여, 바이러스 리포터 발현 모니터링 및 항바이러스 화합물의 특성 분석 방법을 상세히 설명합니다. 푸린은 많은 진핵생물에서 발견되는 프로단백질 전환효소(proprotein convertase)로, 성장 인자, 호르몬, 기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteinases), 혈장 단백질 및 수용체의 전구체를 활성화하는 데 핵심적인 역할을 합니다.19,20많은 알파바이러스는 표면 단백질을 절단하고 활성화하기 위해 푸린(furin)을 이용하며, 이는 성공적인 복제를 위한 핵심 단계입니다.20Furin 억제제는 furin 활성을 차단하도록 합성 설계된 화합물이며, 이를 통해 바이러스 복제 억제21,22,23셀 이미징 멀티모드 리더를 이용한 알파바이러스 감염의 자동 형광 현미경 분석 표준 프로토콜의 가용성이 제한적임을 고려하여, aedine 세포에서 항바이러스 화합물의 특성을 분석하기 위한 상세한 워크플로우를 제공한다. 본 프로토콜은 세포 배양, 바이러스 생성, 감염, 항바이러스 화합물(푸린 억제제) 처리, 형광 이미징 및 이미지 분석 단계를 개략적으로 설명한다. 다만, 여기에 기술된 방법들은 다른 바이러스나 대체 형광 표지에 맞게 쉽게 조정하여 적용할 수 있다.
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1. 생물 안전성
참고: 본 프로토콜에서 사용된 재조합 mCherry 태그 Semliki Forest 바이러스(SFV-mCherry)는 유전자 변형된 것입니다24,25,26. 형광 리포터 유전자의 도입으로 인해 이는 유전자 변형 생물체(GMO)로 분류되며, 이에 따라 추가적인 격리 및 규제 요건이 적용됩니다. 다른 알파바이러스, 특히 CHIKV와 같이 병원성이 더 강한 바이러스를 다루는 작업에는 추가적인 격리 시설과 허가가 필요할 수 있습니다.
2. 항바이러스 화합물 준비
참고: 본 연구에 사용된 Furin 억제제인 MI-113027 (trans-4-(aminomethyl) cyclohexanecarboxyl-arginine-valine-arginine-4-amidinobenzylamide), MI-113127 (trans-4-(guanidinomethyl) cyclohexanecarboxyl-arginine-valine-arginine-4-amidinobenzylamide) 및 MI-114822,23 (4-(guanidinomethyl) phenylacetyl-arginine-tert.-leucine-arginine-4-amidinobenzylamide)는 테스트를 위해 선정된 항바이러스 화합물의 예시입니다. Furin 억제제 MI-1148은 세포독성 분석에서는 음성 대조군으로, 항바이러스 분석에서는 양성 대조군으로 사용되었습니다.
3. 세포 배양
‑alanyl‑
‑glutamine, 및 1% Pen/Strep이 첨가된 Dulbecco's Modified Eagle's Medium에서 Baby hamster kidney (BHK-21) 세포를 배양한다 (접종 밀도: T75 플라스크당 약 1 × 106 cells, 배양 부피: 10 mL). 5% CO2가 포함된 습윤 인큐베이터에서 세포를 37 °C로 유지한다. 4-5일마다 세포를 1:12 비율로 계대 배양하며, 필요에 따라 접종 밀도를 유연하게 수정한다.4. 바이러스 생산
5. 세포독성 결정
6. 바이러스 감염 및 항바이러스 화합물을 이용한 처리
7. 살아있는 세포 형광 이미징, 정량적 이미지 분석 및 데이터 제시
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본 연구에서는 멀티웰 플레이트 형식의 형광 현미경을 사용하여 알파바이러스(alphavirus)의 확산을 모니터링하고 항바이러스 화합물(예: 푸린 억제제)을 평가하는 상세 프로토콜을 제시합니다. 바이러스 리포터 발현에 대한 억제 효과의 시각화를 입증하기 위해, 이전에 합성된 세 가지 푸린 억제제인 MI-1148, MI-1130, MI-1131을 선정하여 aedine 세포주인 U4.4에서 테스트하였습니다. 실험 워크플로우의 개요는 그림 1에 설명되어 있습니다.
항바이러스 효능을 평가하기 전에, 바이러스 복제의 감소가 화합물에 의한 세포 사멸 때문이 아님을 보장하기 위해 세포 독성을 평가하는 것이 필수적입니다. 따라서 U4.4 세포가 90% 합류도(confluency)에 도달했을 때 100, 50, 25 또는 12.5 µM 농도의 억제제를 처리하였습니다. 처리하지 않은 세포와 물(용매 대조군)을 처리한 세포를 음성 대조군으로 사용하...
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알파바이러스 복제를 실시간으로 관찰할 수 있는 능력은 기존의 엔드포인트 테스트에 대해 순차적이고 누적적인 관점을 제공합니다. 이 다중 시간대 살아있는 세포 이미징 프로토콜은 바이러스 확산을 관찰하기 위한 동적인 플랫폼을 제공하므로 알파바이러스 연구에 유용한 모델이 됩니다.
이 프로토콜의 성공은 여러 매개변수에 달려 있습니다. 우선, 세포 사멸로 인한 위양성 결과를 배제하기 위해 항바이러스 분석 전 화합물의 세포독성을 평가하는 것이 중요합니다. 세포독성 효과에 대한 평가가 완료되면, 이후 화합물의 항바이러스 활성을 평가할 수 있습니다. 테스트 화합물들의 경우 세포독성이 관찰되지 않았습니다. MI-1130과 MI-1131은 바이러스 리포터 발현에 유의미한 영향을 미치지 않은 반면, 양성 대조군으로 사용된 MI-1148은 이를 효과적으로 억제했습니다. 또한, 세포 파종과 관련하여 감염 시점을 결정하는 것이 매우 중요합니다. 세포가 과성장하지 않으면서도 재현 가능한 감염이 이루어질 수 ...
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저자들은 이해관계의 충돌이 없습니다.
pCMV-SFV6-2SG-mCherry를 제공해주신 에스토니아 타르투 대학교의 Andres Merits 교수님과 독일 뮌헨 공과대학교의 Andreas Pichlmair 교수님께 감사드립니다. C6/36 세포를 제공해주신 독일 하노버 수의과대학교의 Stefanie Becker 교수님께 감사드립니다. 퓨린 억제제를 제공해주신 독일 마르부르크 대학교의 Torsten Steinmetzer 교수님께 감사드립니다. 본 연구는 펀딩 코드 LOEWE/1/10/519/03/03.001(0014)/52의 LOEWE 중개 생물다양성 유전체학 센터(LOEWE-TBG)를 통한 헤센주 고등교육 연구예술부의 과학 경제적 우수성 개발을 위한 주 정부 공세(Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz) 프로그램과 BMFTR (ASCRIBE 프로젝트-그랜트 번호 01KI2024)의 지원을 받아 수행되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| BenchStable DMEM | Thermo Fisher Scientific | A4192101 | |
| BHK-21 세포 | CLS Cell Lines Service GmbH, 독일 에펠하임 | 603126 | |
| 세포 배양 플라스크, 50 mL, 25 cm2, PS, 적색 필터 스크류 캡, 투명, CELLSTAR, TC, 멸균 | Greiner Bio-One | 690175 | |
| 세포 배양 마이크로플레이트, 24웰, PS, F-바닥, (침니 웰), 투명, CELLSTAR, TC, 응축 방지 링 포함 덮개, 멸균 | Greiner Bio-One | 662160 | |
| 세포 배양 마이크로플레이트, 96-웰, PS, F-바닥, (침니 웰) µ투명, 검정, CELLSTAR, TC, 응결 방지 링이 있는 뚜껑, 멸균 | Greiner Bio-One | 655090 | |
| 세포 배양 마이크로플레이트, 96웰, PS, F-바닥, (침니 웰), 투명, CELLSTAR, TC, 응축 링이 있는 뚜껑, 멸균 | Greiner Bio-One | 655180 | |
| 세포 배양 마이크로플레이트, 96웰, PS, V-바닥, 투명 | Greiner Bio-One | 651101 | |
| 세포 스크레이퍼 | VWR | 734-2602 | |
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| Cytation 5 세포 이미징 멀티모드 리더 | Biotek | ||
| DAPI 필터 큐브 1225100 | Biotek | ex: 377/50 nm; em 447/60 nm | |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM GlutaMAX) | Thermo Fisher Scientific | A4192102 | |
| 소태아혈청 | Fisher Scientific | 11550356 | |
| 퓨린 억제제 MI-1130 | 본 연구 | ||
| 퓨린 억제제 MI-1131 | 본 연구 | ||
| 퓨린 억제제 MI-1148 | Hardes 외. 2015. 제공해주신 링크는 외부 논문 주소(DOI)입니다. 번역하실 구체적인 텍스트 내용을 입력해 주시면, 요청하신 지침에 따라 전문적인 학술 한국어로 정확하게 번역해 드리겠습니다. | ||
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| SFV6–2SG-mCherry | Andres Merits 교수(에스토니아 타르투 대학교) 및 Andreas Pichlmair 교수(독일 뮌헨 공과대학교) | ||
| Texas Red 필터 큐브 1225102 | Biotek | ex: 586/15 nm; em: 647/57 nm | |
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