Studio delle infezioni virali una cellula alla volta. Un nuovo sistema microfluidico consente ai ricercatori di studiare il decorso temporale di un'infezione virale e le conseguenze dell'intervento antivirale fino a 6, 400 singole celle contemporaneamente. Le singole cellule vengono infettate da un virus modificato che produce una proteina fluorescente verde che consente ai ricercatori di monitorare la crescita del virus nel tempo monitorando l'intensità della proteina fluorescente verde in ciascuna cellula. Credito:Penn State
Un farmaco antivirale che inibisce il meccanismo di replicazione di un virus mira selettivamente ai virus più aggressivi, secondo una nuova ricerca che ha esaminato l'infezione di singole cellule da parte di un virus e la conseguenza dell'intervento antivirale. Questa nuova visione della dinamica di un'infezione e del meccanismo di un farmaco antivirale non poteva essere vista dall'approccio tipico dello studio delle popolazioni di cellule. Ricercatori della Penn State, Duke University, e l'Università del Texas ad Austin hanno sviluppato un sistema ad alto rendimento per studiare un gran numero di singoli, cellule infette che hanno facilitato la nuova intuizione. Un articolo che descrive i risultati della ricerca appare sulla rivista Rapporti di cella .
"Tradizionalmente, i virus e i farmaci antivirali vengono studiati infettando una popolazione di cellule con una popolazione di virus, " ha detto Craig Cameron, professore e titolare della Eberly Family Chair in Biochimica e Biologia Molecolare alla Penn State e autore dell'articolo. "Sia le cellule che i virus variano in qualche modo individualmente, quindi i risultati che otteniamo sono medie sulla popolazione. Le medie vanno bene quando si è interessati solo all'efficacia di un farmaco, ma gli studi a livello di singola cellula possono dirvi se particolari membri della popolazione sono più suscettibili al trattamento e quando durante il ciclo di vita del virus il trattamento agisce".
Per studiare la dinamica di un'infezione virale su singole cellule, i ricercatori hanno utilizzato una versione modificata del poliovirus che produce una proteina verde fluorescente. Quando un virus si replica in una cellula, viene prodotta sempre più proteina verde-fluorescente, che i ricercatori possono monitorare. Al fine di studiare un numero sufficiente di singole cellule per ottenere risultati affidabili, risultati statisticamente significativi, i ricercatori hanno costruito un dispositivo microfluidico che consente loro di monitorare fino a 6, 400 cellule contemporaneamente.
Immagine del dispositivo microfluidico e della struttura dei suoi pozzetti che consente ai ricercatori di studiare la dinamica di un'infezione virale e le conseguenze dell'intervento antivirale una cellula alla volta. Credito:Penn State
"Abbiamo trattato le cellule infettate da poliovirus con 2'-C-metiladenosina, un inibitore della polimerasi virale che impedisce al virus di replicare il suo genoma, un passaggio necessario affinché il virus produca più virus, " ha detto Jamie J. Arnold, un professore di ricerca associato alla Penn State e un altro autore dell'articolo. "Questo farmaco ha contribuito a spianare la strada allo sviluppo di sofosbuvir, un farmaco antivirale che fa parte del cocktail di farmaci utilizzato per curare l'epatite C. Come previsto da studi precedenti, il farmaco ha eliminato circa il 50% delle infezioni, ma siamo rimasti sorpresi nel vedere che il farmaco era più efficace contro i virus che stavano crescendo più velocemente, qualcosa che non avremmo mai potuto vedere se non avessimo guardato le cellule individualmente".
I ricercatori hanno anche seguito l'andamento temporale e la dinamica delle infezioni virali nelle singole cellule. Hanno studiato il momento in cui il virus ha iniziato a replicarsi, il tasso di replica, e il livello massimo di crescita del virus. Studiando le cellule individualmente, i ricercatori sono stati in grado di mostrare quale di questi fattori potrebbe essere influenzato da una leggera variazione tra le cellule e quale potrebbe essere influenzato dalla variazione nei virus.
Monitoraggio di un'infezione virale in una singola cellula. Le immagini in alto mostrano una singola cellula nel pozzo di un dispositivo microfluidico che consente ai ricercatori di monitorare le dinamiche di un'infezione virale una cellula alla volta. Prima un'immagine in campo chiaro che mostra la cella, quindi tre immagini che mostrano l'intensità della fluorescenza dei virus che infettano la cellula che producono la proteina fluorescente verde (GFP) in tre momenti dopo l'infezione (hpi). Il grafico in basso mostra l'intensità dell'espressione di GFP dai virus nella cellula nel corso dell'infezione per 24 ore dopo l'infezione. Credito:Penn State
"Alcuni aspetti della dinamica di un'infezione sembrano essere controllati maggiormente dalla variazione che esiste tra le singole cellule, ma altri aspetti sono dovuti alla variazione genetica all'interno della popolazione virale, " ha detto Cameron. "Con il nostro nuovo strumento, possiamo iniziare a identificare i fattori specifici che variano tra le cellule o tra i virus responsabili dei diversi esiti. Comprendere questi meccanismi ci consentirà di essere più intelligenti nel modo in cui progettiamo nuovi farmaci antivirali".
