一、病毒感染细胞
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病毒感染细胞的过程
自 2020 年初新冠疫情席卷全球以来,新冠病毒在人群中大肆传播,改变了大家平静的生活。病毒属于非细胞型生物,个体微小,结构简单,由一种核酸( DNA 或 RNA)与蛋白质外壳构成。病毒本身不能进行新陈代谢,只能在活细胞内寄生并以复制方式增殖。那么病毒是如何侵染细胞的呢?首先病毒与正常细胞接触,病毒外壳与细胞的细胞膜(上面有糖蛋白)融合,病毒将其遗传物质注入到细胞内,并利用细胞的物质复制其遗传物质和蛋白质外壳,然后在细胞内组装,最后涨破细胞(细胞死亡)回到细胞外,如此循环1 。
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病毒感染引起宿主细胞的变化
病毒的致病机制分为对宿主细胞的直接作用以及免疫病理作用。病毒感染哺乳动物细胞通常会对细胞造成明显的影响,如活力、形状或大小的改变,或与邻近细胞融合。这些变化被称为细胞病变效应( Cytopathic Effect , CPE )2。基于不同种类的病毒感染宿主细胞的形式以及感染细胞后产生的效应不同,可以将病毒分为四类:致细胞变性的病毒,致包涵体形成和细胞变性的病毒,致细胞融合形成多核细胞的病毒,以及不导致 CPE 的病毒3。病毒的早期蛋白会影响宿主细胞大分子的合成,病毒蛋白(如衣壳蛋白)会对宿主细胞产生毒性作用,引起细胞内溶酶体膜破裂,导致细胞自溶。病毒会对细胞的细胞器造成损伤,某些病毒的溶血素会引起细胞溶解以及细胞的免疫病理损伤。常见病毒的细胞病变效应包括:使宿主细胞变圆,折光性增加,细胞局部或全层发生死亡脱落(如肠道病毒)。使宿主细胞变圆或膨大,聚集成丛,似葡萄串状,细胞间常有细丝状间桥连接(如腺病毒)。使宿主细胞发生细胞融合形成多核的巨细胞,称为“合胞体”(如副粘、牛白血病病毒等)。使宿主细胞胞浆内形成空泡(如猴病毒 SV40 、呼肠孤病毒等)。可以通过光学显微镜或成像系统对细胞病变效应进行评估,或者使用更多的定量检测手段对其进行测定。
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病毒感染力检测方法
目前最常用的病毒定量检测方法有以下三大类:
( 1 )直接对病毒颗粒进行计数的方法,如流式细胞分析和透射电镜技术;
( 2 )病毒核酸和病毒蛋白检测技术,如实时定量多聚酶链反应( qPCR ),免疫印迹,免疫沉淀,酶联免疫吸附测定( ELISA )和血凝试验等;
( 3 )用于病毒感染力检测的技术,如病毒空斑形成试验,半数组织培养感染剂量 TCID50 测定和免疫荧光检测等。病毒鉴定和定量检测的方法很多,但每种方法均存在一些局限性,如重复性差,时间长,工作量大,费用高等,目前人们仍在寻找和发展新的更为优化的病毒鉴定和定量检测方法。
病毒感染十分常见,病毒感染力检测是病毒定量常用的方法。病毒感染力检测不仅可以用于临床疾病的评估,也可以用于流行病学的调查,为病毒性疾病的预防和治疗提供科学依据。常用的病毒感染力检测的方法包括病毒空斑试验,量反应检测法( TCID50 , LD50 , EID50 )以及免疫荧光试验( IFA )。
病毒空斑试验
病毒空斑试验是使用最广泛的病毒定量检测方法之一 4 。通过计数不同稀释度下的空斑形成数量可以知道每毫升病毒颗粒数或每毫升空斑形成单位( PFU )。由于每个空斑来自于起初的一个病毒颗粒,因此可以从单个空斑中纯化得到来源于单个克隆的病毒种群。细胞空斑试验对细胞状态要求比较高,而且比较费时。
量反应检测法:TCID50 , LD50 , EID50
病毒空斑试验对于确定病毒滴度非常有用,但是有些病毒在培养时不能形成空斑。这些病毒感染细胞后不会造成细胞死亡,但会让细胞发生细胞病变效应(CPE ),可以用 TCID50 , LD50 , EID50 等方法进行检测3。半数组织感染剂量 TCID50 是指使一半的单层细胞培养发生细胞病变的病毒量,TCID50 检测法被广泛地应用于流感病毒,人类疱疹病毒, HIV-1 等各种病毒的试验研究以及临床诊断中。此外,可以通过终点稀释法将病毒悬液感染动物来确定病毒的滴度。如果病毒导致动物死亡或残废,相应的结果可用每毫升半数致死剂量( LD50 )或每毫升半数致残剂量( PD50 )来表示。
免疫荧光检测法
( immunofluorescence assay IFA )
针对不能形成空斑或者不能导致明显 CPE 效应而无法确定其 TCID50 的病毒,免疫荧光检测法( IFA )是一种确定病毒滴度的快速检测方法5。IFA 主要利用抗体染色的方法,因此该检测方法成本较高。而且容易由于非特异性结合导致染色背景较高,实验结果不准确。
二、使用微孔板读板机
定量检测病毒诱导的细胞病变效应
由于病毒诱导的细胞病变效应( CPE )会耗尽细胞中的 ATP ,导致发光信号的减少,因此可以通过微孔板读板机定量检测宿主细胞中病毒诱导的 CPE 。 Viral ToxGlo 检测试剂盒( Promega 公司)可以检测活细胞中存在的 ATP ,并提供一种简单的发光检测方法来定量细胞活力。研究采用了两种病毒感染模型: 甲型 H1N1 流感病毒6 感染 Madin-Darby 犬肾( MDCK )细胞,人冠状病毒株 229E(HCoV-229E)7 感染 MRC-5 人肺成纤维细胞。将两种具有抗病毒作用的化合物利巴韦林8 和瑞德西韦9 应用于暴露于病毒的细胞,并测定其抗病毒效力。在 SpectraMax iD5 多功能微孔板读板机上使用简单的混合读取工作流程,并使用 SoftMax Pro 软件进行分析,即可轻松地获得试验及分析结果(图 1 )。包括测定病毒感染的哺乳动物细胞中的病毒感染力和TCID50,以及测定化合物的抗病毒效力。
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优势
• 简单的混合和读取方法,添加试剂后仅需 10 分钟即可获得结果
• 适用于筛选的稳定、灵敏的发光读数
•使用 SoftMax Pro 软件自动生成数据和分析结果
图 1 Viral ToxGlo 检测工作流程。
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检测方法
TCID50 测定
病毒感染力和组织培养感染剂量( TCID )的测定可以通过制备病毒原液的系列稀释液,并将这些稀释液添加到目标细胞中暴露特定的时间来确定。在暴露结束时,使用 Viral ToxGlo 可以测定细胞活力的指标 ATP 。TCID50 被用于后续对抗病毒药物效力的研究。在 SpectraMax iD5 微孔板读板机上读取数据,试验设置如表 1 所示。使用 SoftMax Pro 软件中的 4 参数曲线拟合将结果绘制为 RLU 与病毒稀释因子的曲线,并从这些曲线中获得每种病毒在其各自细胞系上的 TCID50 值(图 2 )。
表 1 使用 SpectraMax iD5 微孔板读板机
进行 Viral ToxGlo 检测的参数设置。
复方抗病毒效力的测定
为了评估化合物利巴韦林和瑞德西韦在降低病毒处理细胞的细胞病变效应方面的有效性,将 MDCK 或 MRC-5 细胞接种在培养基中,细胞在培养箱中附着和过夜生长。细胞与病毒和化合物孵育后,将 Viral ToxGlo ATP 检测试剂加入检测孔中,并将微孔板在室温下孵育 10 分钟,使细胞裂解。在 SpectraMax iD5 微孔板读板机上读取发光信号(设置,见表 1 )。使用 SoftMax Pro 软件中的 4 参数曲线拟合将结果绘制为 RLU 与化合物浓度的曲线,并从曲线中获得每种化合物的 EC50 值(图 3 )。
( A )
( B )
图 2 H1N1 病毒在 MDCK 细胞上的浓度-反应曲线( A )
和 HCoV-229E 在 MRC-5 细胞上的浓度-反应曲线( B )。
( A )
( B )
图 3 利巴韦林对 MDCK 单独或加入 H1N1 病毒的脱靶 (绿色) 和靶向 (红色) 效应( A )。瑞德西韦对 MRC-5 单独或加入 HCoV-229E 病毒的脱靶 (绿色) 和靶向 (红色) 效应( B )。利巴韦林 EC50 = 89 µM ;瑞德西韦 EC50 = 215 nM。
总结
与耗时的显微镜下评估病毒感染对细胞活力的影响相比,利用微孔板读板机进行定量检测病毒诱导的细胞病变效应快速、简便、经济且准确。将试剂加入处理过的细胞中,只需 10 分钟即可对结果进行检测和分析。SpectraMax iD5 多功能微孔板读板机可提供对该测定方法的高灵敏度检测,SoftMax Pro 软件可轻松测定 TCID50 及抗病毒化合物的靶向和脱靶效应。
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