Een nieuwe verbetering van een lab-on-a-chip-apparaat stelt onderzoekers in staat om gelijktijdig duizenden individuele cellen te observeren die zijn geïnfecteerd met een virus, het verstrekken van belangrijke informatie over infectiedynamiek die niet beschikbaar is met traditionele methoden.

Een team van onderzoekers van Penn State en de Universiteit van Texas in Austin heeft een oudere versie van een microfluïdisch apparaat verbeterd dat ze hebben ontwikkeld, waardoor het aantal individuele cellen dat tegelijkertijd kan worden waargenomen aanzienlijk wordt vergroot en deze historisch bewerkelijke eencellige benadering levensvatbaar wordt voor screening op geneesmiddelen. Een document waarin het apparaat wordt beschreven, die ook inzicht geeft in hoe de antivirale middelen werken en of een virus resistentie kan ontwikkelen, verschijnt online op 30 oktober, 2019 in het journaal wetenschappelijke vooruitgang .

"Traditionele methoden om het effect van een antiviraal middel op geïnfecteerde cellen te bestuderen, richten zich op een populatie van veel geïnfecteerde cellen, " zei Craig Cameron, professor en houder van de Eberly Family Chair in Biochemistry and Molecular Biology aan Penn State op het moment van het onderzoek en senior auteur van het artikel.

"Als je een antiviraal middel in een bepaalde dosering toepast op een populatie, je kunt zien hoeveel geïnfecteerde cellen worden gedood, of de werkzaamheid van het antivirale middel. Maar individuele cellen kunnen anders reageren op een medicijn, wat belangrijke implicaties kan hebben voor de uitkomst van infecties en de resistentie tegen geneesmiddelen. We hebben eerder een manier ontwikkeld om individuele geïnfecteerde cellen te bestuderen, en hier hebben we de techniek aangepast om het aantal afzonderlijke cellen dat we tegelijk kunnen bestuderen te vertienvoudigen."

Het team gebruikt een microfluïdisch apparaat - een chip geëtst met kleine kanaaltjes - met ongeveer 5700 individuele putjes, die elk kunnen worden gevuld met enkele, geïnfecteerde cellen. Hun apparaat van de eerste generatie vertrouwde op een methode die de meeste putten leeg liet. Nutsvoorzieningen, het team heeft een fysieke val ontwikkeld die ze in een van de lagen van het apparaat hebben verwerkt, de bezettingsgraad te verbeteren, zodat ze nu ongeveer 90 procent van de putten kunnen vullen.

"Andere mensen hebben geprobeerd infecties in afzonderlijke cellen te bestuderen, maar ze moeten handmatig cellen toevoegen aan platen met 96 putjes of 384 putjes, " zei Wu Liu, een postdoctoraal onderzoeker bij Penn State ten tijde van het onderzoek die de val ontwikkelde. "Dit is vervelend en tijdrovend. Met onze val en microfluïdische apparaat, we kunnen meer dan 5000 afzonderlijke cellen tegelijk observeren."

Om het bijgewerkte apparaat te testen, het team infecteerde cellen met een gemodificeerde versie van poliovirus dat een groen-fluorescerend eiwit produceert en bewaakte de hoeveelheid fluorescentie, die toeneemt naarmate een virus zich in een cel vermenigvuldigt, overuren. Ze pasten ook een van de drie antivirale verbindingen toe op geïnfecteerde cellen. Van deze verbindingen is bekend dat ze effectief zijn bij de behandeling van virale infecties en werken via verschillende mechanismen, gericht op verschillende delen van het virus of de gastheer om virusreplicatie te voorkomen.

Het onderzoeksteam heeft vijf parameters gemeten om het verloop van de infectie te beschrijven, inclusief wanneer het virus zich begon te vermenigvuldigen, hoe snel het repliceerde, en de maximale hoeveelheid virusgroei - die samen een kenmerk vormen van het effect van de antivirale verbinding. Elk van de drie verbindingen had een andere signatuur, die het idee ondersteunt dat verbindingen met verschillende handtekeningen op verschillende manieren kunnen werken. Door de signatuur van een verbinding te vergelijken met die van bekende medicijnen, kan het doel van het medicijn worden beperkt - informatie die veel vervolgonderzoek vergt na een populatie-gebaseerd onderzoek.

"Tijdens de ontwikkeling van geneesmiddelen, we zouden een aantal verschillende verbindingen kunnen maken die qua structuur vergelijkbaar zijn met een veelbelovend antiviraal kandidaat-geneesmiddel, "zei Cameron. "Nu, door handtekeningen te vergelijken, we kunnen bepalen of deze analogen op dezelfde doelen werken en ze vergelijken met medicijnen waarvan bekend is dat ze veilig zijn."

Met behulp van het apparaat, de onderzoekers kunnen ook zien of bepaalde leden van een virale populatie vatbaar zijn voor behandeling en in welk stadium van de levenscyclus van het virus de behandeling werkt. Bijvoorbeeld, één klasse medicijnen lijkt zich te richten op de sterkste leden van de viruspopulatie, wat de kans verkleint dat het virus resistentie ontwikkelt tegen een behandeling.

"Deze eencellige benadering kan ook nuttig zijn voor het bestuderen van combinaties van antivirale middelen, aangezien we nu andere effecten kunnen zien dan alleen de totale hoeveelheid doden, "zei Cameron. "Bijvoorbeeld, een medicijncombinatie kan de snelheid van virusreplicatie vertragen, die het immuunsysteem van de gastheer de tijd kunnen geven om de infectie te verwijderen. Dat zou je niet zien aan een bevolkingsanalyse."

Omdat ze snel zoveel informatie kunnen geven, het team hoopt dat de eencellige aanpak een aanvulling zal vormen, of misschien zelfs vervangen, vroege screening op kandidaat-geneesmiddelen. De benadering kan ook worden gebruikt om geneesmiddelen te screenen op elke ziekte waarvoor een celgebaseerde test bestaat die een verandering in fluorescentie volgt.

"Het apparaat is momenteel een uitdaging om te produceren, " zei Cameron, "Dus we werken eraan om het toegankelijker te maken, zodat het door iedereen kan worden gebruikt."