Ten artykuł przedstawia wysokoprzepustową metodę miareczkowania różnych wirusów RNA i DNA opartą na ekspresji lucyferazy przy użyciu automatycznych i ręcznych płynów.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł przedstawia wysokoprzepustową metodę miareczkowania różnych wirusów RNA i DNA opartą na ekspresji lucyferazy przy użyciu automatycznych i ręcznych płynów.
Standardowe testy płytek w celu określenia zakaźnych mian wirusów mogą być czasochłonne, nie są podatne na dużą ilość próbek i nie mogą być wykonane z wirusami, które nie tworzą blaszek. Jako alternatywę dla testów płytki nazębnej opracowaliśmy wysokoprzepustową metodę miareczkowania, która pozwala na jednoczesne miareczkowanie dużej ilości próbek w ciągu jednego dnia. Podejście to obejmuje zakażenie próbek wirusem znakowanym lucyferazy świetlika, przeniesienie zakażonych próbek do odpowiedniej permisywnej linii komórkowej, następnie dodanie lucyferyny, odczytanie płytek w celu uzyskania odczytów luminescencji, a na końcu konwersję z luminescencji na miana wirusa. Ocena cytotoksyczności przy użyciu barwnika żywotności metabolicznej może być łatwo włączona do przepływu pracy równolegle i dostarczyć cennych informacji w kontekście badania przesiewowego leków. Technika ta zapewnia niezawodną, wysokoprzepustową metodę określania miana wirusa jako alternatywę dla standardowego testu płytki miażdżycowej.
Klasyczne testy płytek wirusowych nadal stanowią podstawę badań nad wirusami, mimo że mogą być bardzo czasochłonne i stanowić znaczące wąskie gardło w uzyskiwaniu wyników eksperymentów. Pojawiły się szybsze metody pośredniej kwantyfikacji wirusa, w tym ilościowa reakcja łańcuchowa polimerazy (qPCR), ELISA i cytometria przepływowa1-4. Najnowsze innowacje, takie jak licznik wirusów Virocyt, mogą bezpośrednio zliczać wirusy przy użyciu zaawansowanej technologii sortowania przepływowego oraz dzięki połączeniu barwników białkowych i DNA/RNA5. Chociaż wszystkie te metody niewątpliwie przyspieszyły tempo badań nad wirusami, każda z nich ma swoje zalety i wady. Na przykład qPCR może pozwolić na ilościowe określenie określonej sekwencji genomu wirusa, ale nie może skutecznie odróżnić zakaźnych od wadliwych wirionów6. Testy ELISA mogą być bardzo specyficzne, jednak wymagają odpowiedniego przeciwciała przeciwko pożądanemu docelowemu białku wirusowemu i mogą być bardzo kosztowne. Chociaż technologia cytometrii przepływowej oferuje wiele zalet i uległa znacznej poprawie, przepustowość i dostęp do wysoce specjalistycznego sprzętu pozostają przeszkodą. Co ważne, wszystkie te techniki nie nadają się idealnie do wysokoprzepustowych badań przesiewowych, dla których kluczowe znaczenie ma łatwość i czas wymagany na etapie kwantyfikacji wirusa.
Tutaj opisujemy wysokoprzepustową i łatwo zautomatyzowaną technikę mianowania wirusów, które wyrażają transgen lucyferazy świetlików (Fluc). Metoda ta generuje przybliżone miana wirusów w próbce testowej na podstawie sygnału luminescencji odczytanego poprzez równoległe użycie krzywej standardowej znanych ilości wirusa. Próbki zawierające nieznane ilości wirusa wykazującego ekspresję lucyferazy są przenoszone do permisywnej "plakowanej" linii komórkowej równolegle ze standardową krzywą rozcieńczenia wirusa, a luminescencja związana z wirusem jest odczytywana po kilku godzinach inkubacji. Pozwala to na szybkie, ilościowe, często tego samego dnia generowanie wyników, w przeciwieństwie do klasycznych protokołów oznaczania płytek, które zwykle wymagają kilku dni inkubacji w celu ręcznego policzenia widocznych blaszek7-9.
Protokół przedstawia etapy naszej metody miareczkowania przy użyciu onkolitycznego wirusa pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej kodującego transgen Fluc (VSV∆51-Fluc) jako przykładu i dostarcza przegląd liczby 1. Przygotowanie próbki 2. Posiewanie dopuszczającej się linii komórkowej do miareczkowania wirusa przy użyciu automatycznego dozownika 3. Przygotowanie krzywej wzorcowej wirusa 4. Przeniesienie supernatantów próbki do permisywnej linii komórkowej za pomocą 96-dołkowego pipetora ręcznego 5. Ocena cytotoksyczności próbki przy użyciu odczynnika żywotności komórek 6. Przygotowanie substratu lucyferyny 7. Odczyt bioluminescencji i 8. Analiza danych.
1. Przygotowanie próbki
2. Przygotowanie komórek permisywnych do miareczkowania wirusa
3. Przygotowanie Wzorcowej Krzywej Wirusa
4. Przeniesienie supernatantów próbki do komórek permisywnych
5. Ocena żywotności komórek
6. Przygotowanie substratu lucyferyny
7. Odczyt bioluminescencji
8. Analiza danych
Podsumowanie schematu postępowania opisującego metodę wysokoprzepustową przedstawiono na Rysunku 1. Rysunek 2 pokazuje wyniki typowej krzywej wzorcowej dla VSV∆51-Fluc. Analiza regresji nieliniowej czteroparametrowej pozwoliła na wygenerowanie wykresu Hilla, z którego można interpolować nieznaną liczbę jednostek tworzących pędy (pfu) (szacunkowy miano wirusa). Szacunkowe miana te nazywa się jednostkami ekspresji wirusowej (VEU). Rysunek 3A przedstawia VEU oraz miana uzyskane poprzez przeprowadzenie standardowego testu pęplykowego na tych samych próbkach10. Próbki pochodziły z eksperymentu, w którym zastosowano różne substancje chemiczne w celu zwiększenia replikacji i rozprzestrzeniania się VSV∆51-Fluc w komórkach 786-0. Wartości VEU interpolowane z krzywej wzorcowej muszą zostać pomnożone przez współczynnik oparty na rozcieńczeniu nadnadfiltrów z próbek przenoszonych na komórki Vero (w tym przypadku współczynnik rozcieńczenia wynosi 5). Korelację liniową między mianami a VEU przedstawiono na Rysunku 3B z R2 wynoszącym 0,8083 i współczynnikiem korelacji Pearsona r wynoszącym 0,899 (p <0,0001). Na Rysunku 4 przedstawiono typowe dane dotyczące cytotoksyczności komórkowej uzyskane z testu metabolicznego dla komórek 786-0 traktowanych substancjami chemicznymi przed zakażeniem VSV∆51-Fluc. Na koniec, Rysunek 5 pokazuje typowe krzywe wzorcowe uzyskane dla różnych wirusów (wirusa opryszczki pospolitej (HSV), wirusa vaccinia oraz wirusa adeno-zależnego (AAV), wszystkie wykazujące ekspresję lucyferazy świetlikowej) oraz opisuje wymagane czasy inkubacji i cykle zamrażania i rozmrażania.

Rycina 1. Schemat wysokoprzepustowego miareczkowania wirusa i testu cytotoksyczności z użyciem VSV∆51-Fluc. (A) Wysiew 2.5 x 104 komórek Vero na dołek (100 μl) i inkubacja w 37 °C. (B) Po 24 h przeniesienie 25 μl krzywej standardowej na komórki Vero (2 kolumny na płytkę). (C) Przeniesienie 25 μl próbek do miareczkowania na pozostałe komórki Vero. Wirowanie płytek i inkubacja w 37 °C. (D) Do płytki zawierającej oryginalne próbki dodanie odczynnika rezauryny w ilości równej 10% objętości w dołku. Inkubacja płytek w 37 °C. (E) Po 3 h odczyt i zapis fluorescencji oraz ocena cytotoksyczności. (F) Po 5 h dodanie 25 μl roztworu lucyferyny o stężeniu 2 mg/ml do każdego dołka z komórkami Vero. Odczyt luminescencji i obliczenie jednostek ekspresji wirusowej.

Rysunek 2. Przewidywana krzywa wzorcowa dla VSV∆51-Fluc. Ekspresję lucyferazy zmierzono 5 h po przeniesieniu supernatantu w pięciu różnych punktach w obrębie dołka przy użyciu luminometru, a bioluminescencję wyrażono w średnich względnych jednostkach światła (RLU). Średnią wartość RLU naniesiono w funkcji znanej wartości wejściowej pfu/ml w celu rozwiązania regresji nieliniowej i wyznaczenia równania Hilla. Przedstawiono średnią z dwóch powtórzonych krzywych oraz słupki błędu standardowego (r2= 0,9993).

Rysunek 3. Porównanie mian uzyskanych w standardowym teście plackowym z mianami uzyskanymi metodą wysokoprzepustową. (A) Miana wirusa w pfu/ml uzyskane w standardowym teście plackowym na komórkach Vero zestawiono z obliczonymi mianami wirusa (VEU/ml) z tych samych próbek, dla których miano wyznaczono za pomocą wysokoprzepustowego testu lucyferazowego. (B) Liniowa zależność między VEU/ml a mianem uzyskanym w standardowym teście plackowym. Przedstawiono krzywą regresji liniowej oraz współczynnik determinacji (R2).

Rysunek 4. Żywotność próbek. Żywotność próbek przed przeniesieniem nadsączu na komórki Vero określono poprzez ocenę aktywności metabolicznej komórek z wykorzystaniem dostępnego komercyjnie roztworu rezazuryny. Surowe wartości fluorescencji znormalizowano względem wartości dla studni niepoddanych działaniu leku i niezakażonych.

Rycina 5. Oczekiwane krzywe wzorcowe dla wirusów HSV, Vaccinia i AAV. Ekspresję lucyferazy mierzono w pięciu różnych punktach w obrębie studzienki za pomocą lumnometru, a bioluminescencję wyrażono w średnich względnych jednostkach światła (RLU). (A) Krzywa wzorcowa HSV została naniesiona na komórki Vero wysiane 24 hr wcześniej w gęstości 2,5 x 104 komórek na studzienkę (100 μl), a pomiar lucyferazy wykonano 17 hr po przeniesieniu supernatantu (R2= 0,9489, n=1). Równanie Hilla wygenerowano poprzez rozwiązanie regresji nieliniowej. (B) Krzywa wzorcowa Vaccinia została naniesiona na komórki Vero wysiane 24 hr wcześniej w gęstości 2,5 x 104 komórek na studzienkę (100 μl) i inkubowane przez 2,5 hr w temperaturze 37 °C, po czym wykonano pomiary lucyferazy (R2= 0,9892). Równanie liniowe wygenerowano poprzez rozwiązanie regresji liniowej. (C) Krzywa wzorcowa AAV została naniesiona na ludzkie komórki raka płuc (A549) wysiane 24 hr wcześniej w gęstości 2,5 x 104 komórek na studzienkę (100 μl), a pomiar lucyferazy wykonano 24 hr po infekcji. Równanie Hilla wygenerowano poprzez rozwiązanie regresji nieliniowej. Przedstawiono średnią z pięciu powtórzeń krzywych wraz z słupkami błędów standardowych (R2= 0,9926).
Opisane tutaj podejście oparte na lucyferazie zapewnia szereg zalet w porównaniu z innymi istniejącymi metodami, w tym łatwość, szybkość, minimalne zapotrzebowanie na sprzęt i stosunkowo niski koszt. Kluczowym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest unikanie etapu seryjnego rozcieńczania. Niemniej jednak, oparte na seryjnym rozcieńczaniu pochodne tego protokołu są z pewnością wykonalne i zostały ostatnio wykorzystane do oceny miana Eboli wykazującego ekspresję lucyferazy w wysokoprzepustowym badaniu przesiewowymprzeciwwirusowym 11. Chociaż takie adaptacje są z natury bardziej czasochłonne i droższe, w razie potrzeby mogą zapewnić większy zakres dynamiki do kwantyfikacji wirusa. Oprócz tego, że szczególnie dobrze nadaje się do oceny miana wirusa w kontekście wysokoprzepustowych badań przesiewowych, nasza jednoetapowa metoda kwantyfikacji wirusa oparta na lucyferazy generuje dokładne szacunki zakaźnych wirionów w przypadku replikacji wirusów. Co więcej, odczyty luminescencji wraz z danymi cytotoksyczności z tego samego eksperymentu dają pełniejszy obraz wpływu warunków eksperymentalnych na komórki docelowe, co jest szczególnie przydatne w kontekście wirusów onkolitycznych i badań przesiewowych leków.
W przedstawionym przykładzie wykorzystano replikujący się ujemny wirus jednoniciowego RNA; Jednak protokół ten można dostosować do wielu wirusów replikujących się i niereplikujących z kilkoma niewielkimi zmianami protokołu. Obejmuje to wirusy DNA, takie jak krowianka, HSV i AAV (patrz ryc. 5). Próbki zakażone wirusami wewnątrzkomórkowymi, takimi jak na przykład wirus krowianki, wymagają etapu uwalniania wirusa przed oceną ilościową (np. co najmniej jednego cyklu zamrażania i rozmrażania). Stosując tę technikę do innych wirusów, konieczne jest zoptymalizowanie czasu inkubacji od przeniesienia supernatantu wirusowego lub lizatu do odczytu płytek przez luminometr. Parametr ten będzie zależał głównie od cyklu replikacji wirusa w permisywnej linii komórkowej i siły promotora napędzającego ekspresję lucyferazy. Najlepiej jest to zrobić, używając pełnej krzywej standardowej w kroku optymalizacji. Aby to zrobić, należy zainfekować odpowiednią permisywną linię komórkową różnymi powtórzeniami przygotowanej krzywej wzorcowej i odczytać każdą replikę w różnych punktach czasowych po transferze. Idealnie byłoby, gdyby wybrano punkt czasowy inkubacji, który prowadzi do liniowej zależności między LOG(RLU) a LOG(mianem) obejmującej oczekiwany zakres miana próbki. W przypadku VSV∆51-Fluc jest to zwykle od 104 pfu/ml -107 pfu/ml przez 5 godzin inkubacji. Jeśli oczekuje się, że od próbek będą niższe lub wyższe miana, można po prostu odpowiednio wydłużyć lub skrócić czas inkubacji. Alternatywnie, próbki można rozcieńczać, aby mieściły się w zakresie, tak jak ma to miejsce zazwyczaj w przypadku testu ELISA.
Jak wspomniano powyżej, metoda ta doskonale nadaje się do wykonywania wysokoprzepustowych badań przesiewowych leków przy użyciu bibliotek leków, ponieważ większość kroków można zautomatyzować. Komórki można efektywnie posiać za pomocą automatycznego dozownika mikropłytek, bibliotekę leków można dodać za pomocą 96-kanałowego urządzenia do obsługi cieczy, wirusa można dodać za pomocą dozownika mikropłytek, a płytki odczytać za pomocą automatycznego luminometru. Teoretycznie można to również dostosować do formatów 384-dołkowych lub mniejszych; jednak ograniczeniem w tym celu jest liczba komórek, które można platerować, biorąc pod uwagę, że mniejsza liczba komórek prowadzi do węższego zakresu liniowości relacji LOG(RLU) do LOG(Titer). Wreszcie, ocena żywotności komórek przy użyciu resazuryny lub innych barwników metabolicznych może być łatwo włączona do przepływu pracy, co pozwala na dyskryminację związków cytotoksycznych w badaniach przesiewowych przeciwwirusowych lub identyfikację związków, które prowadzą do synergicznego zabijania w połączeniu z wirusami12. Niemniej jednak ograniczenia tej metody obejmują wymóg transgenu eksprymującego wirusa lucyferazy, co nie zawsze jest możliwe, oraz dostępność wystarczająco liberalnej linii komórkowej. Jest jednak prawdopodobne, że możliwe jest dostosowanie metody do stosowania z innymi genami reporterowymi (np. GFP), pod warunkiem że metoda oznaczania ilościowego reportera ma odpowiednią liniowość i stosunek sygnału do szumu. Ogólnie rzecz biorąc, opisana metoda o wysokiej przepustowości może być modyfikowana tak, aby pasowała do wielu różnych wirusów i była dostosowana do różnych zastosowań.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Vanessa Garcia jest finansowana przez stypendium Queen Elizabeth II Ontario Graduate Scholarship w dziedzinie nauki i technologii, a Cory Batenchuk przez stypendium Rady Nauk Przyrodniczych i Inżynierii.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zmodyfikowana pożywka Eagle's Medium firmy Dulbeccos (DMEM) | Corning | SH30243.01 | |
| Płodowa surowica bydlęca | NorthBio Inc. | NBSF-701 | |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami | Corning | 21-040-CV | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-1 | Przygotuj 1 mM roztwór o pH 7,3 |
| alamarNiebieski | AbD Serotec | BUF012B | |
| Sól potasowa D-Lucyferyny | Biotium | 10101-2 | |
| 96-dołkowe, stałe, białe, płaskie płytki polistyrenowe z płaskiego dna poddane działaniu TC Płytki | Corning | 3917 | mogą być również używane do większej przepustowości |
| Synergy Mx | BioTek | SMTBL | Monochromator czytnik mikropłytek |
| Liquidator96 | Mettler Toledo | LIQ-96-200 | Ręczny system pipetowania 96 końcówek |
| Liquidator96 LTS Końcówki sterylizowane z filtrami | Mettler Toledo | LQR-200F | Odpowiednie są wszelkie sterylne końcówki z filtrem kompatybilne z wybranymi pipetami |
| Microflo | BioTek | 111-206-21 | Służy do płytki komórek w płytce 96-dołkowej |
| Fluoroskan Ascent FL | Thermo Scientific | 5210450 | Fluorometr do mikropłytek |