Een virus hecht zich aan een cel, pakt het slot en gaat naar binnen, neemt dan de controle over de genetische productie en pompt vele versies van zichzelf naar buiten die door de celwand exploderen.

Pak je popcorn. Ingenieurs en virologen hebben een nieuwe manier om te zien hoe virale infecties afnemen.

De techniek maakt gebruik van microfluïdica - de submillimeterregeling van vloeistoffen binnen een nauwkeurig, geometrische structuur. Op wat in feite een misleid microscoopglaasje is, chemische ingenieurs van de Michigan Technological University zijn erin geslaagd virussen in een microfluïdisch apparaat te manipuleren met behulp van elektrische velden. De studie, deze zomer gepubliceerd in Langmuir , kijkt naar veranderingen in het celmembraan en geeft onderzoekers een duidelijker beeld van hoe antivirale middelen in een cel werken om de verspreiding van infecties te stoppen.

Virale infectie begint met de capsid

Virussen dragen een buitenste schil van eiwitten die een capside wordt genoemd. De eiwitten werken als een lockpick, hechten aan en wrikken open het membraan van een cel. Het virus kaapt vervolgens de interne werking van de cel, het dwingen om het genetische materiaal van het virus massaal te produceren en er veel te construeren, veel virale replica's. Net zoals popcornpitten die het deksel van een overvolle pot wegduwen, de nieuwe virussen exploderen door de celwand. En de cyclus gaat verder met meer loslopende virus-lockpicks.

"Als je kijkt naar traditionele technieken - fluorescerende labeling voor verschillende stadia, in beeld brengen, levensvatbaarheid controleren - het gaat erom te weten wanneer het membraan is aangetast, " zei Adrienne Minerick, studie co-auteur, decaan van het College of Computing en een professor in de chemische technologie. "Het probleem is dat deze technieken een indirecte maatregel zijn. Onze tools kijken naar ladingsverdeling, dus het is sterk gefocust op wat er gebeurt tussen het celmembraan en het virusoppervlak. We ontdekten met grotere resolutie wanneer het virus daadwerkelijk de cel ingaat."

Diëlektroforese:geladen gesprek

Het bekijken van de virale infectiecyclus en het bewaken van de stadia ervan is cruciaal voor het ontwikkelen van nieuwe antivirale geneesmiddelen en om beter te begrijpen hoe een virus zich verspreidt. Dieelektroforese vindt plaats wanneer polariseerbare cellen rondgeduwd worden in een niet-uniform elektrisch veld. De beweging van deze cellen is handig voor het diagnosticeren van ziekten, bloed typen, het bestuderen van kanker en vele andere biomedische toepassingen. Wanneer toegepast op het bestuderen van virale infectie, het is belangrijk op te merken dat virussen een oppervlaktelading hebben, dus binnen de besloten ruimte in een microfluïdisch apparaat, diëlektroforese onthult het elektrische gesprek tussen de viruscapside en de eiwitten van een celmembraan.

"We hebben de interactie tussen het virus en de cel in relatie tot tijd bestudeerd met behulp van microfluïdische apparaten, " zei Sanaz Habibi, die de studie leidde als doctoraalstudent in chemische technologie aan Michigan Tech. "We toonden aan dat we tijdsafhankelijke virus-celinteracties in het elektrische veld konden zien."

Een virale infectie in realtime zien gebeuren, is als een kruising tussen een zombie-horrorfilm, verf drogen en een Bollywood-epos op repeat. De cellen in het microfluïdische apparaat dansen rond, verschuiven in verschillende patronen met een diëlektrische muziekcue. Er moet de juiste verhouding van virus tot cellen zijn om infectie te zien gebeuren - en het gebeurt niet snel. Habibi's experiment loopt in ploegen van 10 uur, na de openingsscènes van virale gehechtheid, een lang intermezzo van inbraak, en uiteindelijk de tragische finale toen de nieuwe virussen uitbraken, daarbij de cel vernietigen.

Voordat ze barsten, celmembranen vormen structuren die blebs worden genoemd, die het elektrische signaal veranderen dat in het microfluïdische apparaat wordt gemeten. Dat betekent dat de diëlektroforesemetingen een hoge resolutie inzicht geven in de elektrische verschuivingen die plaatsvinden aan het oppervlak van de cel gedurende de hele cyclus.

Voer de osmolyt in

Virale infecties zijn op dit moment top of mind, maar niet alle virussen zijn hetzelfde. Terwijl microfluïdische apparaten die diëlektroforese gebruiken op een dag kunnen worden gebruikt voor on-site, snel testen op virale ziekten zoals COVID-19, het Michigan Tech-team richtte zich op een bekend en nauwkeurig bestudeerd virus, het varkensparvovirus (PPV), die niercellen in varkens infecteert.

Maar toen wilde het team de grenzen verleggen:ze voegden de osmolyt glycine toe, een belangrijke interventie die hun medewerkers bestuderen in virale oppervlaktechemie en vaccinontwikkeling.

"Met ons systeem, we konden tijdsafhankelijk gedrag van het virus en het celmembraan laten zien. Toen voegden we de osmolyt toe, die kan werken als een antivirale verbinding, " legde Habibi uit. "We dachten dat het de interactie zou stoppen. In plaats daarvan, het leek erop dat de interactie aanvankelijk bleef plaatsvinden, maar toen konden de nieuwe virussen de cel niet uit."

Dat komt omdat glycine waarschijnlijk de nieuwe capside-vorming onderbreekt voor de gerepliceerde virussen in de cel zelf. Terwijl dat specifieke deel van de virale dans achter het gordijn van de celwand plaatsvindt, de diëlektrische metingen laten een verschuiving zien tussen een geïnfecteerde cyclus waar capsidevorming plaatsvindt en een geïnfecteerde cel waar capsidevorming wordt onderbroken door glycine. Dit verschil in elektrische lading geeft aan dat glycine voorkomt dat de nieuwe virussen capsiden vormen en voorkomt dat de potentiële virale lockpickers hun doelwit raken.

"Als je met zulke kleine deeltjes en organismen werkt, wanneer je dit proces in realtime kunt zien gebeuren, het is de moeite waard om die veranderingen bij te houden, ' zei Habibi.

Deze nieuwe kijk op de interacties tussen viruscapsiden en celmembranen zou het testen en karakteriseren van virussen kunnen versnellen, het elimineren van dure en tijdrovende beeldtechnologie. Misschien in een toekomstige pandemie, er zal een zorgpunt zijn, draagbare apparaten om virale infecties te diagnosticeren en we kunnen hopen dat medische laboratoria zullen worden uitgerust met andere microfluïdische apparaten die snel de meest effectieve antivirale medicijnen kunnen screenen en onthullen.