Poniższy protokół został opracowany w celu produkcji i wykorzystania ATS opartego na wirusie Sindbis MRE16. ATS został zaprojektowany do ekspresji GFP w wektorze komarowym Aedes aegypti. Obecnie dostępne są cDNA klony infekcyjne kilku alfawirusów (wirus Sindbis, wirus Chikungunya, wirus O'nyong-nyong, wirus zachodniego zapalenia mózgu koni), które zostały zaprojektowane jako ATS (Tabela 1). Aby uzyskać najlepsze wyniki, DNA plazmidowe należy namnażać w bakteriach, takich jak kompetentne bakterie SURE (Stratagene/Agilent Technologies), aby uniknąć niepożądanej rekombinacji i utraty cDNA wirusa. Wszystkie plazmidy klonów infekcyjnych posiadają promotor bakteriofaga T7 lub SP6 bezpośrednio na końcu 5' cDNA wirusa w celu transkrypcji pełnowartościowego RNA genomowego oraz unikalną endonukleazę restrykcyjną na końcu 3' do transkrypcji typu runoff. W przypadku każdego ATS użytkownicy muszą zastosować odpowiednią zależną od DNA polimerazę RNA bakteriofaga oraz unikalną endonukleazę restrykcyjną do transkrypcji in vitro genomu RNA wirusa.
1. Generowanie zakaźnego RNA z klonu cDNA.
- Zlinearyzuj 5 μg plazmidu klonu infekcyjnego (p5'dsMRE16/GFP) za pomocą 20 jednostek enzymu restrykcyjnego XhoI w 100 μL reakcji. Inkubuj przez 2-3 h w temperaturze 37°C.
- Oczyść zlinearyzowane DNA, korzystając z alternatywnego protokołu oczyszczania z zestawu Qiagen QIAprep Spin Miniprep Kit, eluiąc DNA z kolumny spinowej w 50 μL wody wolnej od RNaz. Stężenie plazmidu powinno wynosić około 1,0 μg/μL.
- W wolnej od RNaz probówce do PCR o pojemności 0,2 mL przygotuj 50 μL reakcji transkrypcji z użyciem zestawu Ambion MAXIscript zgodnie z następującym protokołem:
- 22,5 μL dH2O wolnej od RNaz
- 5,0 μL zlinearyzowanej matrycy DNA (1,0 μg/μL)
- 2,5 μL 10mM ATP
- 2,5 μL 10mM CTP
- 2,5 μL 10mM UTP
- 2,5 μL 1mM GTP
- 2,5 μL 10mM analogu czapeczki (m7G(5')ppp(5')G)
- 5,0 μL 10X buforu do transkrypcji
- 5,0 μL mieszaniny polimerazy T7 lub SP6
- 50,0 μL objętości całkowitej
- Inkubuj reakcję transkrypcji przez 1 h w temperaturze 37°C. Po inkubacji produkt reakcji należy niezwłocznie wykorzystać do elektroporacji komórek BHK-21. Przygotowanie komórek BHK-21 do elektroporacji powinno rozpocząć się w trakcie inkubacji reakcji transkrypcji.
2. Generowanie wirusa z zakaźnego RNA
- Przeprowadzić trypsynizację komórek BHK-21 w dwóch kolbach 150 cm2 (T-150) o konfluencji 70-80% na każdą próbkę ATS.
- Przenieść wszystkie komórki do stożkowej probówki wirówkowej o pojemności 15 mL.
- Zwirować komórki w konwencjonalnej wirówce stołowej przy 2000 rpm przez 10 min w temperaturze 4°C w celu uzyskania osadu.
- Resuspendować komórki w sterylnym PBS bez Mg++ i Ca++. Powtórzyć kroki 2.3 i 2.4, aż komórki zostaną trzykrotnie przemyte PBS.
- Resuspendować osad komórkowy w 0,5 mL MEM zawierającego 10% FBS.
- Rozcieńczyć 10 μL zawiesiny komórkowej w 90 μL MEM z 10% FBS i policzyć komórki za pomocą hemacytometru. W razie potrzeby rozcieńczyć komórki do stężenia 2,5-12,5 x 107 cells/mL przy użyciu MEM zawierającego 10% FBS.
- Do schłodzonej na lodzie kuwety do elektroporacji o szerokości 0,2 cm dodać 400 μL zawiesiny komórkowej oraz 20 μL mieszaniny do reakcji transkrypcji. Przetrzeć kuwetę z kondensatu.
- Wykonać dwa impulsy elektryczne w kuwecie: 450V, 1200Ω, 150 μF. Używamy urządzenia Electro Cell Manipulator, Harvard Apparatus Model ECM630.
- Przenieść całą zawartość kuwety do kolby hodowlanej 25 cm2 zawierającej 5 mL MEM z 10% FBS.
- Inkubować kolbę(s) w temperaturze 37C w atmosferze 5% CO2.
- Monitorować infekcję codziennie za pomocą odwróconego mikroskopu fluorescencyjnego z odpowiednim zestawem filtrów (np. filtr GFP: długość fali wzbudzenia = 460-490 nm, długość fali emisji = 510-550 nm; lub filtr dsRed: długość fali wzbudzenia = 460-560 nm, długość fali emisji = >590 nm).
- Gdy fluorescencja wskazuje, że infekcja jest konfluenta i/lub w całej kolbie widoczny jest efekt CPE, zebrać zawartość kolby, dodać 30% FBS, podzielić na aلیکwoty zgodnie z potrzebami i przechowywać w temperaturze -80°C. W razie potrzeby lizaty komórkowe można oczyścić przez wirowanie (2000 rpm, 10 min, 4°C) przed dodaniem FBS.
- Przeprowadzić co najmniej jedno pasażowanie wirusa na nową kolbę z komórkami, aby zwiększyć miano wirusa na potrzeby późniejszych testów karmienia krwią.
3. Zakażanie komarów drogą per os
- Wymieszać krew (zazwyczaj zakupioną beztrombową krew owczą) z zawiesiną wirusa pochodzącą z hodowli komórkowych z kroku 2.13. Końcowy miano wirusa w posiłku krwiowym powinno wynosić zazwyczaj ~1x107 jednostek tworzących plaki (pfu)/mL, aby zapewnić efektywną infekcję jelita środkowego komara. W celu pobudzenia komarów do żerowania można dodać adenozynotrifosforan (ATP) do stężenia końcowego 0,02M.
- Przed infekcją komary mogą wymagać odstawienia wody i cukru, aby pobudzić je do efektywnego pobierania krwi z sztucznego karmnika. Czas deprywacji powinien zostać wcześniej ustalony w celu zminimalizowania śmiertelności. Terminy te zależą od gatunku komara, wilgotności w insekterium itp. Jako punkt wyjścia, należy usunąć cukier na 24h i wodę na 12h przed karmieniem. W tym protokole zastosowano szklane karmniki z płaszczem wodnym17 z cyrkulującą wodą o temperaturze 37°C. Membranę jelita świńskiego (np. dokładnie wypłukaną osłonkę do kiełbas dostępną w większości sklepów spożywczych) umieszcza się na wylocie karmnika, a posiłek pipetuje do komory. W zależności od rodzaju wektora dostępne są różne konstrukcje, membrany i protokoły.
- Komary są sortowane w celu wyselekcjonowania wyłącznie osobników nasyconych krwią. Nasycone komary przenosi się do kartonu z organdyną na górze i inkubuje w temperaturze 28°C przy 75-80% wilgotności względnej do czasu analizy ekspresji GFP.
4. Inokulacja wewnątrzklatkowa komarów
Inokulacja wewnątrzklatkowa jest alternatywną metodą zakażania stawonogów. Metodę tę stosuje się, gdy nie jest wymagane rozprzestrzenianie się patogenu przez jelito środkowe. (Metoda opisana poniżej, jednak technika ta nie jest pokazana w niniejszym eksperymencie wizualnym).
- Niewielka liczba komarów (5-10) zostaje odessana z klatek hodowlanych do plastikowych probówek transportowych. Szczelnie zamknięte probówki umieszcza się w temperaturze 4°C na 15 min, aby schłodzić komary.
- 2-5 komarów wysypuje się z probówki na szklaną szalkę Petri spoczywającą na lodzie. Gdy szalka nie jest używana lub gdy komary zaczną się poruszać, należy nałożyć na nią pokrywkę. Podczas manipulacji komarami należy zachować ostrożność, aby policzyć i kontrolować liczbę przekładanych osobników. W miarę wysypywania komarów na stół chłodniczy, całkowitą liczbę zapisuje się na liczniku laboratoryjnym.
- Igłę przygotowuje się poprzez stapianie rurek kapilarnych przy użyciu szkła dedykowanego dla Nanoject oraz wyciągacza do igieł.
- Mikrowstrzykiwacz Nanoject II należy przygotować zgodnie z instrukcją producenta w celu podania 69 nL inokulum. Należy zachować ostrożność podczas pobierania inokulum do igły, aby jej nie uszkodzić.
- Używając mikroskopu stereoskopowego, należy wprowadzić igłę do klatki piersiowej komara i aktywować Nanoject w celu inokulacji. Podczas inokulacji komarów należy zachować ostrożność, aby igła nie przebiła komara na wylot, co spowodowałoby jego późniejszą śmierć. Przed zdjęciem komara z igły należy sprawdzić, czy inokulum zostało prawidłowo podane.
- Po inokulacji, gdy komar wciąż znajduje się na igle, należy go umieścić w papierowym pudełku transportowym przez mały otwór w boku, który w pozostałym czasie jest zatkany watą lub korkiem.
- Gdy komary zostaną zinokulowane i umieszczone w pudełku (do około 50 osobników na pudełko), należy ostrożnie przykleić korek taśmą, aby zapobiec przypadkowemu uwolnieniu owadów. Pudełka należy umieścić w bezpiecznym pojemniku przed dalszą inkubacją w insekterium w temperaturze 28°C i 80% wilgotności względnej.
5. Monitorowanie zakażenia komarów
- Umieścić karton z papierem w temperaturze 4°C na około 15 minut, aby unieruchomić komary.
- Przenieść niewielką liczbę komarów (po 5-10 sztuk) na stół chłodzący przystosowany do użytku z mikroskopem fluorescencyjnym.
- Zbadać i posegregować komary na podstawie obecności lub braku fluorescencji. Dodatkowo intensywność fluorescencji może służyć jako przybliżony pomiar ilościowy zakażenia. Można przeprowadzić sekcję tkanek komarów, takich jak jelita środkowe, gruczoły ślinowe i ciało tłuszczowe, i monitorować je pod kątem fluorescencji.
- W razie potrzeby przenieść wybrane komary z powrotem do kartonu papierowego, aby kontynuować inkubację zakażonych osobników.
6. Test transmisji (wymuszona salwacja w celu wykazania transmisji wirusa)
- Pozbawić komary źródła cukru na 24 h przed karmieniem.
- Usunąć odnóża i skrzydła.
- Do kapilary o objętości 50 μL, która została podgrzana, wyciągnięta i odcięta z jednego końca, dodać 3-5 μL oleju immersyjnego Cargille Type B lub 10% roztworu surowicy z sacharozą.
- Wprowadzić proboscis do kapilary. W przypadku zastosowania oleju zauważalny będzie wysięk kropli śliny z proboscis. W celu stymulacji można nanieść na klatkę piersiową 1 μL 1% roztworu pilokarpiny w PBS z dodatkiem 0.1% Tween 80.
- Po 60-90 minutach usunąć komary i przechowywać do izolacji wirusa, jeśli jest to wymagane.
- Usunąć roztwór z kapilary poprzez wirowanie w probówce zawierającej 100 μL 20% FBS-PBS.
- Przefiltrować inokulum sterylnie za pomocą filtra strzykawkowego 0.2 μm, a następnie wykorzystać przefiltrowane inokulum do zakażenia hodowli komórkowych.
UWAGA DOTYCZĄCA BIOBEZPIECZEŃSTWA: Niniejszy protokół opisuje metodę generowania, identyfikacji i monitorowania zainfekowanych komarów. W zależności od dostępnych zapleczy (np. stołu chłodniczego, zaplecza izolacyjnego itp.) oraz zgody IBC, badanie owadów może być ograniczone do etapu po usunięciu skrzydeł i odnóży, aby zapobiec ich ucieczce. ATS oparte na SINV mogą być generowane i wykorzystywane w środowisku BSL2. Stosowanie ATS opartych na innych alfawirusach, takich jak wirus Chikungunya lub wirusy zachodniego zapalenia mózgu koni, wymaga zaplecza BSL3.
7. Reprezentatywne wyniki
Przegląd ekspresji genu markera (GFP) z wykorzystaniem ATS 5'dsMRE16/GFP przedstawiono na rysunku 1. Ekspresję GFP w komórkach BHK-21 oraz C6/36 (Aedes albopictus) pokazano na rysunku 2 w określonych odstępach czasu po zakażeniu komórek wirusem 5'dsMRE16/GFP przy wielokrotności zakażenia 0.01. Rysunek 3 stanowi przegląd zakażeń komarów wirusem alfawirusa oraz wirusem ATS w przypadku dostarczenia wirusa poprzez zakażony posiłek krwi. Rysunek 4 przedstawia przygotowanie posiłku krwi zawierającego ~107 pfu/mL wirusa ATS, a następnie zakażenie doustne Aedes aegypti. Widok całego ciała zakażonego komara oraz wybranych części ciała w 10. dniu po zakażeniu przy użyciu mikroskopu epifluorescencyjnego (rysunek 5). Detekcja GFP i dsRED w jelitach środkowych zakażonych komarów po zakażeniu wirusami ATS 5'dsMRE16 wykazującymi ekspresję każdego z fluorescencyjnych genów markerowych (rysunek 6). Test transmisji z wykorzystaniem komarów zakażonych wirusem ATS 5'dsMRE16/GFP (rysunek 7).
Tabela 1. Obecnie opracowane sekwencje ATS do ekspresji genów u komarów.
Alfawirus | ATS | Komar | Bibliografia |
| Wirus Sindbis | TE/3'2J i TE/5'2J | Aedes aegypti | 12 |
| | | Ochlerotatus triseriatus | 13 |
| | 3'dsMRE16 oraz 5'dsMRE16 | A. aegypti | 5 |
| | | Culex tritaeniorhynchus | 5 |
| | 5'dsTR339 | A. aegypti | 2 |
| | | | |
| Wirus chikungunya | 3'dsCHIKV i 5'dsCHIKV | A. aegypti/A. albopictus | 20 |
| | | | |
| Wirus O'nyong-nyong | 5'dsONNV | Anopheles gambiae | 1,9 |
| | | | |
| Wirus zachodniego zapalenia mózgu koni | 5'dsWEEV.McMillan | Culex tarsalis | Stauft i wsp., nieopublikowane |
Tabela 2. Zalety i wady stosowania ATS w ekspresji genów u komarów.
| Zalety: |
| Szybka produkcja wirusa o wysokim mianie |
| Szeroki zakres gospodarzy (SINV) |
| Wysoka szybkość replikacji RNA |
| Wysokie poziomy ekspresji transgenu |
| Względna łatwość manipulacji genami |
| Stabilna, uporczywa ekspresja genów u owadów |
| Minimalna patologia u owadów |
| |
| Wady: |
| Krótkotrwały tryb ekspresji w komórkach kręgowców |
| Silne efekty cytopatyczne w komórkach kręgowców |
| Ograniczenia dotyczące wielkości genu (<1Kb, idealnie) |
| Niektóre alphaviruses wymagają poziomu bezpieczeństwa BSL3 |

Rycina 1: Przegląd produkcji wirusa ATS w komórkach BHK-21 z użyciem p5'dsMRE/GFP SINV wykazującego ekspresję GFP. Po transkrypcji in vitro genomowe RNA ATS jest wprowadzane do komórek BHK-21 metodą elektroporacji, gdzie dochodzi do odzyskania wirusa. Wirus ATS może być następnie wykorzystany do zakażania komarów. SGP = promotor subgenomowy. W komórkach transkrybowane są trzy rodzaje RNA ATS: genomowe, subgenomowe 1 oraz subgenomowe 2. Białko kapsydu (C) oraz glikoproteiny E2 i E1 są montowane wraz z genomem ATS w celu wytworzenia wirusa zakaźnego.

Rycina 2: Ekspresja GFP w komórkach komarów (C6/36) po infekcji wirusem SINV 5'dsMRE16/GFP.

Rysunek 3: Przegląd zakażenia wirusem ATS u komarów prowadzącego do transmisji wirusa.

Rysunek 4: Infekcja ATS SINV 5'dsMRE16 poprzez wystawienie komarów na zakaźny posiłek krwi.

Rycina 5: Infekcja ATS SINV 5'dsMRE16/GFP w 10. dniu po zakażeniu. Wykrycie GFP w całym organizmie wskazuje, że wirus przedostał się z jelita środkowego i rozprzestrzenił do tkanek wtórnych. Rycina przedstawia również ekspresję GFP w wybranych częściach ciała, co również świadczy o rozprzestrzenieniu się infekcji.

Rycina 6: Infekcja jelit środkowych wirusami ATS SINV 5'dsMRE16/GFP oraz 5'dsMRE16/dsRED w określonych odstępach czasu po zakażeniu. W jelitach środkowych zazwyczaj występują wyraźne ogniska infekcji wczesną fazą po spożyciu posiłku krwi zawierającego wirusa, który w późniejszych etapach po zakażeniu rozprzestrzenia się w całej tylnej części jelita środkowego.

Rycina 7: Detekcja ATS 5'dsMRE16/GFP w ślinie komara już 8 dni po zakażeniu. Test został zaprojektowany w celu wykazania transmisji wirusa ATS i pokazuje, że wirus 5'dsMRE16/GFP może stabilnie ekspresować GFP przez cały okres inkubacji zewnętrznej u komara. Panel lewy przedstawia komara wydzielającego ślinę do rurki kapilarnej, panel środkowy przedstawia komórki C6/36 zainfekowane śliną po 1 dniu, a panel prawy po 3 dniach od zakażenia.