Summary

الفيروسية في وقت مبكر فحوصات دخول لتحديد وتقييم المركبات المضادة للفيروسات

Published: October 29, 2015
doi:

Summary

Here, we present a protocol that examines specific steps of the viral entry to identify and evaluate novel antiviral agents.

Abstract

Cell-based systems are useful for discovering antiviral agents. Dissecting the viral life cycle, particularly the early entry stages, allows a mechanistic approach to identify and evaluate antiviral agents that target specific steps of the viral entry. In this report, the methods of examining viral inactivation, viral attachment, and viral entry/fusion as antiviral assays for such purposes are described, using hepatitis C virus as a model. These assays should be useful for discovering novel antagonists/inhibitors to early viral entry and help expand the scope of candidate antiviral agents for further drug development.

Introduction

Viral infections are a constant threat to the public health and a significant cause of epidemic diseases, morbidity, and deaths worldwide. Specific modes of control against viral infections include vaccine development and antiviral therapies. While vaccine efforts have proven successful in immunizing against several viruses, many viral pathogens remain without a protective vaccine including dengue virus (DENV), human cytomegalovirus (HCMV), hepatitis C virus (HCV), human immunodeficiency virus (HIV), and respiratory syncytial virus (RSV)1-5. Antivirals, on the other hand, play an important role for the management of these viral infections when prophylactic vaccines are unavailable. However, to date, only few licensed and cost-effective antiviral drugs are available compared to the number of viral pathogens that threatens the public health. More importantly, due to an increase in global travel and rapid urbanization, the situation is aggravated by risks of epidemic outbreaks from emerging/re-emerging viral infections that are being introduced into non-indigenous areas6. Recent outbreaks caused by severe acute respiratory syndrome (SARS) virus, influenza viruses (H1N1, H5N1, H3N2, and H7N9), DENV, West Nile virus (WNV), measles virus (MV), Middle East Respiratory Syndrome (MERS) virus, and Ebola virus6-12 are among the examples reflecting the need for antivirals development when immunization and/or therapeutics are unavailable. In addition, there is always a potential risk of generating drug-resistant infections with currently used antivirals. Thus, the continuous development and expansion of the scope of antivirals to these emerging/re-emerging viral infections are necessary to provide better management strategies and safeguard the public health.

Most antiviral therapies consist of direct acting antivirals (DAAs) which target a specific viral protein or cofactor that mediates important steps in the viral life cycle. For example, the nucleoside analogue Acyclovir inhibits herpesvirus DNA polymerase, protease inhibitors Boceprevir and Telaprevir antagonize the HCV NS3, and Oseltamivir and Zanamivir are neuraminidase inhibitors that block the release of influenza virus particles from infected cells13-15. There are however very few licensed viral entry inhibitors including Enfuvirtide, which targets HIV gp41 to prevent fusion, and Maraviroc, which blocks the HIV co-receptor CCR5, thereby preventing viral entry16. Exploring novel antagonists/inhibitors to viral entry could help provide additional therapeutics for prophylactic or therapeutic use, such as in combination with other antivirals with a different mechanism of action to better manage viral infections17-19.

Identification of antivirals can involve structure-guided drug design and candidate drug screening-based strategy. Methods for assessing antiviral activity of test agents include biochemical assays of enzymatic activity and evaluation by cell-based systems20-23. In cell-based systems, the viral life cycle can be dissected into distinct stages of infection, such as entry events (attachment, fusion, uncoating), the replication phase (viral genome replication and protein translation), and virion egress (assembly, maturation, and release). Since the assays can be adapted to investigate each specific stage using various tools and methods, this approach allows identification/examination of potential candidate antivirals with a specific mechanism of action targeting the distinct stage analyzed. For instance, to analyze drug effect specifically on the free virus particles prior to binding to the host cell, a ‘viral inactivation assay’ can be performed. In this assay, the virus is allowed to incubate with the test drug and then diluted to titrate out the drug before infecting a cell monolayer. Additional steps such as viral attachment and entry/fusion stages can also be analyzed individually, by shifting the temperature during the infection. For many enveloped viruses, viral entry/fusion at the host cell membrane is greatly facilitated at 37 °C, but is typically precluded at 4 °C which does not affect virus binding24-29. Finally, the use of reporter viruses or cell systems could facilitate these studies and permit a high-throughput analysis.

We previously employed the cell-based approach and dissected the early entry of various enveloped viruses for the examination of antiviral compounds that potentially antagonize viral entry30,31. Herein, the various methods used, including viral inactivation, viral attachment, and viral entry/fusion assays, are described.

Protocol

ملاحظة: تأكد من أن تتم جميع الإجراءات التي تنطوي على زراعة الخلايا وعدوى فيروس في اغطية شهادة السلامة الأحيائية التي هي مناسبة لمستوى السلامة الحيوية من العينات التي يجري التعامل معها. لغرض وصف البروتوكولات، يتم استخدام Gaussia luciferase المراسل HCV-الموسومة مراسل ك فيروس طراز 32. في سياق نتائج ممثل، يتم استخدام حمض المركبات chebulagic (CHLA) وpunicalagin (PUG) كما مضادات الفيروسات المرشحة التي تستهدف التفاعلات بروتين سكري الفيروسية مع الجليكوسامينوجليكان سطح الخلية خلال دخول الفيروس في وقت مبكر خطوات 31. الهيبارين، والذي يعرف لتتداخل مع دخول العديد من الفيروسات 30،31،33،34، ويستخدم كعلاج مراقبة إيجابية في هذا السياق. لالأساسية عن تقنيات علم الفيروسات، والإكثار من الفيروسات، وتحديد عيار الفيروس، والتعبير عن الجرعة المعدية في وحدات اللوحة تشكيل (PFU)، والتركيز حدات تشكيل (FFU)، أو تعدد العدوى (وزارة الداخلية)، والقارئ هو إعادةferred مرجع 35. للحصول على أمثلة السابقة والظروف الأمثل لاستخدام الفيروسات هو مبين في نتائج ممثل، وعلى القارئ الرجوع إلى المراجع 30-32،36-39 فضلا عن تفاصيل المدرجة في الجدول 1، الشكل 1A، والشكل 2A. الثقافة 1. الخليوي، إعداد المجمع، والسمسة مجمع تنمو خط الخلية المعنية لنظام عدوى فيروس ليتم تحليلها (الجدول 1). لHCV، وتنمو الخلايا هوه 7.5 في تعديل متوسطة النسر Dulbecco و(DMEM) تستكمل مع المصل 10٪ بقري جنيني (FBS)، و 200 U / البنسلين مل G، 200 ميكروغرام / مل الستربتومايسين، و 0.5 ميكروغرام / مل الأمفوتريسين B. إعداد اختبار مركبات وضوابط استخدام المذيبات كل منهما: على سبيل المثال، حل CHLA وPUG في سلفوكسيد ثنائي ميثيل (DMSO)؛ إعداد الهيبارين في المياه المزدوج المقطر المعقم. لجميع التخفيفات لاحقة، استخدام وسائل الإعلام الثقافة. ملاحظة: تناسق النهائيالتموينية من DMSO في العلاجات اختبار المركب هو أقل من 1٪ في التجارب. يتم تضمين 1٪ DMSO كعلاج سيطرة سلبية في المقايسات للمقارنة. تحديد السمية الخلوية من المركبات اختبار (على سبيل المثال، CHLA وPUG) على الخلايا لعدوى فيروسية باستخدام بقاء الخلية تحديد كاشف مثل XTT (2،3 مكرر [2-ميثوكسي-4-نيترو-5-sulfophenyl] -5-phenylamino) -carbonyl] هيدروكسيد -2H-نتروبلو): لHCV، البذور هوه 7.5 الخلايا في لوحة 96-جيدا (1 × 10 4 خلايا لكل بئر)، واحتضان عند 37 درجة مئوية في 5٪ CO 2 حاضنة O / N للحصول على أحادي الطبقة. تطبيق السيطرة DMSO (1٪) أو زيادة تركيزات من CHLA مركبات اختبار وPUG (مثلا 0، 10، 50، 100، و 500 ميكرومتر) إلى الآبار الثقافة في ثلاث نسخ. احتضان عند 37 درجة مئوية لمدة 72 ساعة، ثم تجاهل المتوسطة في لوحة وغسل الخلايا مع 200 ميكرولتر من الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) مرتين. إضافة 100 ميكرولتر من assayinز حل من عدة في المختبر فحص السموم على أساس XTT إلى كل بئر واحتضان لوحات عند 37 درجة مئوية لمدة ساعة أخرى 3 للسماح XTT إنتاج formazan. تحديد الامتصاصية مع قارئ صفيحة ميكروسكوبية في الطول الموجي الاختبار من 492 نانومتر، والطول الموجي إشارة من 690 نانومتر. حساب النسبة المئوية للبقاء الخلايا باستخدام الصيغة التالية: بقاء الخلية (٪) = في / و× 100٪ "، وفي" حيث و'باسم' الرجوع إلى امتصاص المركبات اختبار ومراقبة المذيبات (مثلا DMSO 1٪. ) العلاجات، على التوالي. تحديد تركيز للخلايا الخلوية 50٪ (CC 50) من المركبات اختبار من البرامج التحليلية مثل GraphPad بريزم وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة. 2. قراءات من العدوى الفيروسية ملاحظة: قراءات من عدوى فيروسية تعتمد على نظام فيروس يستخدم ويمكن أن تشمل أساليب مثل المقايسات البلاك أو الشرق الأوسط وأفريقياسورينغ إشارات مراسل من الفيروسات الموسومة مراسل. وصفت طريقة للكشف عن الإصابة مراسل HCV على أساس النشاط luciferase المراسل أدناه. جمع supernatants من الآبار المصابة وتوضيح في 17000 x ج في microcentrifuge لمدة 5 دقائق في 4 درجات مئوية. مزيج 20 ميكرولتر من اختبار طاف 50 ميكرولتر من luciferase المراسل الركيزة من Gaussia عدة luciferase الفحص وقياس مباشرة مع luminometer وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. التعبير عن HCV العدوى كما سجل 10 وحدات الخفيفة النسبية (RLU) لتحديد تثبيط الفيروسي (٪) وحساب تركيز 50٪ فعالة (EC 50) من المركبات اختبار ضد فيروس التهاب الكبد الوبائي باستخدام خوارزميات من برنامج GraphPad بريزم وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة. 3. الفيروسية التعطيل الفحص ملاحظة: أمثلة من فترة الحضانة وجرعة الفيروسية لمختلف الفيروسات لإعادة المدرجة في الشكل 1A. ويمكن أيضا اختبار تركيزات أعلى من الفيروس عن طريق زيادة وزارة الداخلية / PFU. البذور هوه 7.5 الخلايا في لوحة 96-جيدا (1 × 10 4 خلايا لكل بئر)، واحتضان عند 37 درجة مئوية في 5٪ CO 2 حاضنة O / N للحصول على أحادي الطبقة. احتضان مركبات اختبار أو ضوابط (تركيزات النهائي هي: CHLA = 50 ميكرومتر؛ PUG = 50 ميكرومتر؛ الهيبارين = 1000 ميكروغرام / مل؛ DMSO = 1٪) مع جزيئات HCV عند 37 درجة مئوية (الشكل 1A، "طويل الأجل" ) في نسبة 1: 1. على سبيل المثال، إلى اللقاح فيروس 100 ميكرولتر تحتوي على 1 × 10 4 FFU، إضافة 100 ميكرولتر من تمييع العمل 100 ميكرومتر CHLA. ينتج هذا العلاج CHLA بتركيز نهائي 50 ميكرومتر. تمييع الخليط الفيروس للأدوية إلى (غير فعالة) التركيز "شبه العلاجي" للمركبات الاختبار. على سبيل المثال، وتركيز غير الفعال للCHLA وPUG ضد HCV هو في 1 ميكرومتر 31؛ لذاوهذا يتطلب التخفيف 50 أضعاف من خليط الفيروس للأدوية التي يمكن أن يتحقق مع 9.8 مل من القاعدية المتوسطة (متوسطة زراعة الخلايا مع 2٪ FBS). ملاحظة: تخفيف لتركيز شبه العلاجية يمنع تفاعل كبير بين مركبات اختبار وسطح الخلية المضيفة ويسمح فحص تأثير العلاج على virions خالية من الخلايا. لاحظ أن هذا التخفيف تعتمد على الاستجابة للجرعة مضادة للفيروسات من المركبات اختبار ضد عدوى فيروسية معينة، ويتم تحديد مسبق لأداء معين هذا الاختبار 31. وعلى سبيل المقارنة، مزيج الفيروس مع مركبات الاختبار وعلى الفور تمييع (أي فترة الحضانة) لتركيز الفرعية العلاجي قبل الإصابة (الشكل 1A، "قصير الأجل"). إضافة 100 ميكرولتر من المخفف خليط HCV-المخدرات على هوه 7.5 الخلية أحادي الطبقة (كمية الفيروس الآن في 1 × 10 2 FFU؛ النهائية زارة الداخلية = 0.01)، واحتضان لمدة 3 ساعة على 37 درجة مئوية للسماح الفيروسيةالامتزاز. بعد الإصابة، وإزالة قائح المخفف وغسل بلطف الآبار مع 200 ميكرولتر من برنامج تلفزيوني مرتين. ملاحظة: إجراء يغسل بلطف لتجنب رفع الخلايا. تطبيق 100 ميكرولتر من المتوسط ​​القاعدية إلى كل بئر واحتضان عند 37 درجة مئوية لمدة 72 ساعة. تحليل العدوى الناجم عن يعاير وطاف لluciferase النشاط كما هو موضح في "2. قراءات من العدوى الفيروسية. 4. الفيروسية الفحص مرفق ملاحظة: يتم سرد أمثلة من فترة الحضانة وجرعة الفيروسية لمختلف الفيروسات في الشكل 2A، "مرفق". ويمكن أيضا اختبار تركيزات أعلى من الفيروس عن طريق زيادة وزارة الداخلية / PFU. البذور هوه 7.5 الخلايا في لوحة 96-جيدا (1 × 10 4 خلايا لكل بئر)، واحتضان عند 37 درجة مئوية في 5٪ CO 2 حاضنة O / N للحصول على أحادي الطبقة. قبل البرد الطبقات الوحيدة الخلية في لوحات في 4 درجات مئوية FOص 1 ساعة. شارك في علاج الخلايا مع HCV اللقاح (وزارة الداخلية = 0.01) واختبار مركبات أو ضوابط (تركيزات النهائي هي: CHLA = 50 ميكرومتر؛ PUG = 50 ميكرومتر؛ الهيبارين = 1000 ميكروغرام / مل؛ DMSO = 1٪) في 4 درجات مئوية ل 3 ساعة. على سبيل المثال، إلى اللقاح فيروس 90 ميكرولتر تحتوي على 1 × 10 2 FFU، إضافة 10 ميكرولتر من تمييع العمل 500 ميكرومتر CHLA. ينتج هذا العلاج CHLA بتركيز نهائي 50 ميكرومتر والعدوى عن طريق HCV في وزارة الداخلية = 0.01 على أحادي الطبقة الخلية. ملاحظة: من المهم لتنفيذ التجربة في 4 ° C لأنه يسمح للفيروس ملزم ولكن يحول دون دخول الذي يحدث بشكل أكثر فعالية في 37 ° C. نفذ إضافة الفيروسات واختبار المركبات على الجليد والحضانة التي تلت ذلك في C الثلاجة 4 درجات للتأكد من أن درجة الحرارة هو الحفاظ على 4 درجات مئوية. إزالة طاف وغسل بلطف أحادي الطبقة الخلية مع 200 ميكرولتر من برنامج تلفزيوني الجليد الباردة مرتين. ملاحظة: إجراء يغسل بلطف لتجنب رفع الخلايا <./ لى> تطبيق 100 ميكرولتر من المتوسط ​​القاعدية إلى كل بئر واحتضان عند 37 درجة مئوية لمدة 72 ساعة. تحليل العدوى الناجم عن يعاير وطاف لluciferase النشاط كما هو موضح في "2. قراءات من العدوى الفيروسية. 5. الفيروسية الدخول / فيوجن الفحص ملاحظة: يتم سرد مثال على فترات الحضانة وجرعة الفيروسية لمختلف الفيروسات في 'دخول / فيوجن "الشكل 2A. ويمكن أيضا اختبار تركيزات أعلى من الفيروس عن طريق زيادة وزارة الداخلية / PFU. البذور هوه 7.5 الخلايا في لوحة 96-جيدا (1 × 10 4 خلايا لكل بئر)، واحتضان عند 37 درجة مئوية في 5٪ CO 2 حاضنة O / N للحصول على أحادي الطبقة. قبل البرد الطبقات الوحيدة الخلية في لوحات في 4 درجة مئوية لمدة 1 ساعة. تصيب الخلايا مع فيروس (سي) (MOI = 0.01) في 4 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. على سبيل المثال، استخدام اللقاح الفيروس 100 ميكرولتر تحتوي على 1 × 10 2 FFU. ملاحظة: نفذ عدينشوئها من اللقاح الفيروسي على الجليد والحضانة التي تلت ذلك في C الثلاجة 4 درجات للحفاظ على درجة حرارة 4 درجات مئوية، والذي يسمح دخول ملزم ولكن لا الفيروسي. إزالة طاف وغسل بلطف الطبقات الوحيدة الخلية مع 200 ميكرولتر من برنامج تلفزيوني الجليد الباردة مرتين. ملاحظة: إجراء يغسل بلطف لتجنب رفع الخلايا. علاج الآبار مع مركبات الاختبار أو ضوابط (تركيزات النهائي هي: CHLA = 50 ميكرومتر؛ PUG = 50 ميكرومتر؛ الهيبارين = 1000 ميكروغرام / مل؛ DMSO = 1٪)، واحتضان عند 37 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. على سبيل المثال، إضافة 10 ميكرولتر من تمييع العمل 500 ميكرومتر CHLA إلى 90 ميكرولتر من وسائل الإعلام، وخلط، ومعالجة الآبار. ينتج هذا العلاج CHLA بتركيز نهائي 50 ميكرومتر. ملاحظة: إن التحول من 4 ° C إلى 37 درجة مئوية يسهل الآن الفيروسي حالة دخول / الانصهار، وبالتالي تتيح تقييم تأثير مركبات اختبار 'على هذه الخطوة معينة. نضح طاف التي تحتوي على المخدرات وإزالة غير المنضوية-الفيروسات خارج الخلية إما عن طريق غسل 200 ميكرولتر من العازلة سيترات (50 ملي سيترات الصوديوم، 4 ملي كلوريد البوتاسيوم، ودرجة الحموضة 3.0) أو برنامج تلفزيوني. تطبيق 100 ميكرولتر من المتوسط ​​القاعدية قبل يحتضنها عند 37 درجة مئوية لمدة 72 ساعة. تحليل العدوى الناجم عن يعاير وطاف لluciferase النشاط كما هو موضح في "2. قراءات من العدوى الفيروسية.

Representative Results

في الشكل 1، تم إجراء "فحص التثبيط الفيروسي 'لدراسة ما إذا كانت مدة محددة مركبات CHLA الطبيعي وPUG يمكن إبطال نشاط الفيروسات يلفها مختلفة في الدولة خالية من الخلايا ومنع العدوى لاحق. وقد تم تحديد السمية الخلوية وفيروسات الاستجابة للجرعة من هذه المركبات قبل إجراء دراسة الآلية 31. الفيروسات وعولج قبل مع مركبات اختبار ومن ثم تم تخفيفه الخلطات الفيروس للأدوية لتركيزات الفرعية العلاجية قبل التلقيح على أحادي الطبقة خلية منها لكل نظام الفيروس. كما هو مبين في الشكل 1، سواء CHLA وPUG يبدو للتفاعل مع virions خالية من الخلايا، مما يؤدي إلى آثار لا رجعة فيها محمية أحادي الطبقة الخلية من عدوى لاحقة. حققت مركبات اختبار اثنين في القريب 100٪ تثبيط ضد HCMV، HCV، وDENV-2، في حين أن 60 – وقد لوحظ كتلة 80٪ مقابل MV وRSV. هذه النتائج سوجمؤسسة أن CHLA وPUG يكون لها تأثير مباشر على هذه الجسيمات فيروس مجانا عن طريق تعطيل لهم وتحييد العدوى بها. في الشكل 2، وأجريت المرفق ودخول / المقايسات الانصهار لاستكشاف تأثير CHLA وPUG ضد هذه الأحداث ذات الصلة دخول الفيروسية في وقت مبكر من HCMV، HCV، DENV-2، MV، وRSV. كلا CHLA وPUG منعت بشكل فعال ملزم للفيروسات التحقيق على الخلية المضيفة كما هو مبين من خلال تثبيط على العدوى الفيروسية الناتجة (الشكل 2، "مرفق": أشرطة رمادي فاتح). وكان تأثير كابح بشكل خاص على مرفق الفيروس عن طريق كل من مركبات مماثلة ضد HCMV (الشكل 2B)، HCV (الشكل 2C)، DENV-2 (الشكل 2D)، وRSV (الشكل 2F)، تتراوح 90-100٪. من ناحية أخرى، يبدو PUG أن يكون أكثر فعالية من CHLA ضد MV ملزم (الشكل 2E)، مع معدل تثبيط من TWس المركبات تتراوح بين 50-80٪. الهيبارين معاملة السيطرة، والذي يعرف لمنع دخول العديد من الفيروسات، وأيضا مرفق تحول دون لHCMV، DENV-2، RSV، إعلان MV، ولكن أقل كفاءة ضد HCV. فحص تلت ذلك "الفيروسي دخول / الانصهار فحص" ما إذا كان CHLA وPUG الاحتفاظ نشاطهم خلال مرحلة دخول فيروس / الانصهار (الشكل 2، "دخول / فيوجن": أشرطة رمادية داكنة). مرة أخرى، لوحظت على حد سواء CHLA وPUG مخلا بشكل فعال الفيروسية خطوة دخول / الانصهار من الفيروسات فحص (الشكل 2B – F)، مما أسفر عن 50 – 90٪ تأثير وقائي على أحادي الطبقة خلية منها. الهيبارين أيضا تحول دون دخول أكثر قدرة / الانصهار في DENV-2 والتهابات RSV، ولكن كان أقل فعال ضد HCMV، HCV، وMV (<40٪ تثبيط في المتوسط). فيروس نوع من الخلايا HCMV <td> HEL HCV هاه 7.5 DENV-2 فيرو MV CHO-SLAM RSV التهاب الكبد-2 الجدول 1: المضيف نوع من الخلايا لعدوى فيروسية يشار إلى نوع من الخلايا المستخدمة لكل نظام عدوى فيروسية موضح في نتائج ممثل. تفاصيل إضافية بشأن الخلايا يمكن العثور في اشارة 31. الشكل 1. تثبيط الالتهابات الفيروسية التي CHLA مركبات اختبار وPUG تم علاج الفيروسات المختلفة مع مركبات الاختبار لفترة طويلة. (المحتضنة لمدة 1،5-3 ساعة قبل المعايرة؛ القضبان الرمادية الخفيفة) أو فترة قصيرة (مخفف على الفور، الرمادي الداكن القضبان) عند 37 درجة مئوية قبل التخفيف إلى concentra الفرعية العلاجيةنشوئها وتحليل لاحقة للإصابة في الخلايا المضيفة المعنية. (A) الخطط التجربة (كما هو موضح على اليسار) مع تركيز الفيروس النهائي (PFU / جيد أو وزارة الداخلية)، على المدى الطويل فترة حضانة الفيروس للأدوية (ط)، وفيما بعد فترة حضانة (ب) أشار لكل فيروس في الجدول على اليمين. تحليلات ل(B) HCMV، (C) HCV، (D) DENV-2، وأشار (E) MV، و (F) RSV في كل لوحة إضافية. يتم رسم النتائج ضد DMSO العلاج سيطرة سلبية لعدوى فيروس والبيانات المعروضة هي الوسائل ± الأخطاء المعيارية للمتوسط ​​(SEM) من ثلاث تجارب مستقلة. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 31. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2. تقييم الأنشطة المضادة للفيروسات من CHLA مركبات اختبار وPUG ضد مرفق فيروس ودخول / الانصهار. (A) وإجراء التجارب، وتركيز الفيروس (PFU / جيد أو وزارة الداخلية)، ووقت الجمع والمعالجة مع مركبات الاختبار (الأول والثاني والثالث) يتم عرض لكل الفيروس في الخطط والجداول المرتبطة بها. في التحليل المرفق فيروس (أشرطة رمادي فاتح)، كانت الطبقات الوحيدة من أنواع مختلفة من الخلايا برود قبل في 4 درجات مئوية لمدة 1 ساعة، ثم تعامل المشترك مع الفيروسات منها واختبار مركبات في 4 ° C (1،5-3 ساعة؛ ط) قبل غسل قبالة inoculates والمركبات اختبار للحضانة لاحقة (37 ° C؛ الثاني) وفحص عدوى الفيروس. في دخول الفيروس / تحليل الانصهار (أشرطة رمادية داكنة)، كانت الطبقات الوحيدة الخلية المصنفة مسبقا المبردة في 4 درجة مئوية لمدة 1 ساعة ثم تحدت مع الفيروسات منها في 4 درجة مئوية لمدة 1،5-3 ساعة (ط). كانت خلايا ثمغسلها وتعامل مع مركبات الاختبار لفترة حضانة إضافية (II) والتي تم خلالها تحول درجة الحرارة إلى 37 درجة مئوية لتسهيل الفيروسي حالة دخول / الانصهار. في نهاية الحضانة، وإزالة الفيروسات خارج الخلية إما عازلة سيترات (درجة الحموضة 3.0) أو يغسل PBS وحضنت الخلايا كذلك (ج) لتحليل عدوى الفيروس. نتائج (B) HCMV، (C) HCV، (D) DENV-2، وأشار (E) MV، و (F) RSV في كل لوحة إضافية. يتم رسم البيانات ضد DMSO العلاج سيطرة سلبية من عدوى فيروس ويتم عرضها كما يعني ± SEM من ثلاث تجارب مستقلة. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 31. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

In this report the methods to identify and evaluate antiviral compounds based on a mechanistic approach of dissecting the early viral entry events were described. Specifically, the assays allowed us to examine the effect of test compounds on free virus particles, viral attachment, and viral entry/fusion. Critical steps were implemented to distinctly evaluate the drug effect on the specific stage of early viral entry. For instance, in the ‘viral inactivation assay’, the dilution of the virus-drug mixture to sub-therapeutic concentration prevents significant interaction between the test compound and the host cell surface by ‘titrating out’ the drug. This ensures that the inhibitory effect observed on the subsequent infection of the host cell is due to a direct interaction between the test compound and the cell-free virions, rather than an effect from the test compound on host cell membrane or membrane-associated molecules, including viral receptors30. Similarly, the shift in temperature between 4 °C (which allows for virus binding but not entry) and 37 °C (which facilitates virus entry/fusion) in the ‘viral attachment assay’ and ‘viral entry/fusion assay’ are crucial to determine the test compound’s effect on each of these specific events. This is feasible due to the temperature sensitivity of enveloped viruses during these steps in the infection24-29. It is therefore important that the assays are performed at the indicated temperature to ensure the accuracy of the results; for example, by carrying out the experiment on ice to maintain at 4 °C and by placing the sample directly in a 37 °C incubator for the temperature shift. In addition, the use of negative (ex. DMSO solvent for drug preparation) and positive (ex. heparin treatment) controls also help further establish the assays’ accuracy. The utility and applicability of such methods have been demonstrated in many antiviral studies26,30,31,40,41. Note that while heparin is included as a control for all three assays in the context of the representative results, it typically blocks the initial virus binding rather than the ensuing fusion/entry step (as reflected by the data in Figure 2). Additional controls could also be used, such as neutralizing antibodies directed against the virus (for viral inactivation assay), antibodies that mask the cell surface receptors for the virus (for viral attachment assay), and membrane fusion inhibitors (for viral fusion/entry assay).

The assays described in this report, which are specific to the early stages of the viral infection, are useful in terms of application as secondary tests to characterize the mechanism of action of candidate drugs from primary screens which typically target the viral infection more broadly. Alternatively, they could also be incorporated in primary screens if one is specifically looking for inhibitors of early viral entry, including virus inactivating agents, viral attachment antagonists, and inhibitors to viral entry/fusion. In this case, their use allows a more focused and precise screen analysis for the identification of mechanism-specific antiviral candidates, which, in turn, would expedite downstream drug development.

The use of cell-based assays in identifying antiviral agents provides several important advantages compared to biochemical assays, including revealing potential off-target effects (such as cytotoxicity) and adding physiological relevance to the bioactivity of the test agents42. These issues are important considerations for deciding whether a candidate agent is of value for continuation in subsequent phases of drug development. Similarly, the early viral entry-specific assays described in this report allow examination of the drug effect on the distinct viral entry stage at the cellular level, and more specifically in the context of an authentic viral infection in vitro. The results obtained from such assays would therefore help better predict the antiviral efficacy of the test compounds and also identify potentially unwanted off-target effects against the host cell. One potential limitation though, is that an in vitro cell-based assay may not completely reflect the actual in vivo entry step in the context of a natural viral infection. Nonetheless, the assays presented in this protocol do serve as an analytical platform for mechanism-based identification and evaluation of novel antiviral agents.

The development of reporter viruses or reporter cell systems to quantitate the amount of viral infection has greatly facilitated cell-based screening and evaluation of antiviral compounds. Examples include the use of recombinant viruses carrying a reporter gene or by means of recombinant human cell lines containing a reporter gene driven by the specific virus promoter31,43. In this report, the infection from luciferase-tagged HCV can be easily monitored by quantitating the reporter signal, thus facilitating data analysis. By incorporating these useful reporter-based tools, the early viral entry assays described here can essentially be adapted into high-throughput format for mechanism-based screening of small molecule libraries.

In conclusion, a protocol was described for assays dissecting the early viral entry as a means of identifying and evaluating mechanism-specific antiviral compounds. Such assays would be useful for discovering novel antagonists/inhibitors to viral entry and help expand the scope of antiviral agents for development as prophylactic and/or therapeutic treatments.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This study is supported by funding from Taipei Medical University Hospital (102TMU-TMUH-19) and the Ministry of Science and Technology of Taiwan (MOST103-2320-B-038-031-MY3).

Materials

DMEM GIBCO 11995-040
FBS GIBCO 26140-079
Penicillin-Streptomycin GIBCO 15070-063
Amphotericin B GIBCO 15290-018
DMSO Sigma D5879
In vitro toxicology assay kit, XTT-based Sigma TOX2
PBS pH 7.4  GIBCO 10010023
Microplate reader Bio-Tek Instrument, Inc. ELx800 
Microcentrifuge Thermo Scientific 75002420
BioLux Gaussia luciferase assay kit New England Biolabs E3300L   
Luminometer Promega GloMax-20/20
Sodium citrate, dihydrate Sigma 71402
Potassium chloride Sigma P5405

References

  1. Munier, C. M., Andersen, C. R., Kelleher, A. D. HIV vaccines: progress to date. Drugs. 71, 387-414 (2011).
  2. Rothman, A. L. Immunity to dengue virus: a tale of original antigenic sin and tropical cytokine storms. Nat Rev Immunol. 11, 532-543 (2011).
  3. Sung, H., Schleiss, M. R. Update on the current status of cytomegalovirus vaccines. Expert Rev Vaccines. 9, 1303-1314 (2010).
  4. Torresi, J., Johnson, D., Wedemeyer, H. Progress in the development of preventive and therapeutic vaccines for hepatitis C virus. J Hepatol. 54, 1273-1285 (2011).
  5. Wright, M., Piedimonte, G. Respiratory syncytial virus prevention and therapy: past, present, and future. Pediatr Pulmonol. 46, 324-347 (2011).
  6. Christou, L. The global burden of bacterial and viral zoonotic infections. Clin Microbiol Infect. 17, 326-330 (2011).
  7. Cascio, A., Bosilkovski, M., Rodriguez-Morales, A. J., Pappas, G. The socio-ecology of zoonotic infections. Clin Microbiol Infect. 17, 336-342 (2011).
  8. Grais, R. F. Measles vaccination in humanitarian emergencies: a review of recent practice. Confl Health. 5, 21 (2011).
  9. Gautret, P. Emerging viral respiratory tract infections-environmental risk factors and transmission. Lancet Infect Dis. 14, 1113-1122 (2014).
  10. Sampathkumar, P. Middle East respiratory syndrome: what clinicians need to know. Mayo Clin Proc. 89, 1153-1158 (2014).
  11. Burd, E. M. Ebola Virus: a Clear and Present Danger. J Clin Microbiol. 53, 4-8 (2015).
  12. Bishop, B. M. Potential and Emerging Treatment Options for Ebola Virus Disease. Ann Pharmacother. , (2014).
  13. Arduino, P. G., Porter, S. R. Oral and perioral herpes simplex virus type 1 (HSV-1) infection: review of its management. Oral Dis. 12, 254-270 (2006).
  14. Mitrasinovic, P. M. Advances in the structure-based design of the influenza A neuraminidase inhibitors. Curr Drug Targets. 11, 315-326 (2010).
  15. Soriano, V. Directly acting antivirals against hepatitis C virus. J Antimicrob Chemother. 66, 1673-1686 (2011).
  16. Haqqani, A. A., Tilton, J. C. Entry inhibitors and their use in the treatment of HIV-1 infection. Antiviral Res. 98, 158-170 (2013).
  17. Melby, T., Westby, M. Inhibitors of viral entry. Handb Exp Pharmacol. , 177-202 (2009).
  18. Vanderlinden, E., Naesens, L. Emerging antiviral strategies to interfere with influenza virus entry. Med Res Rev. 34, 301-339 (2014).
  19. Antoine, T. E., Park, P. J., Shukla, D. Glycoprotein targeted therapeutics: a new era of anti-herpes simplex virus-1 therapeutics. Rev Med Virol. 23, 194-208 (2013).
  20. Pawlotsky, J. M., Chevaliez, S., McHutchison, J. G. The hepatitis C virus life cycle as a target for new antiviral therapies. Gastroenterology. 132, 1979-1998 (2007).
  21. Beyleveld, G., White, K. M., Ayllon, J., Shaw, M. L. New-generation screening assays for the detection of anti-influenza compounds targeting viral and host functions. Antiviral Res. 100, 120-132 (2013).
  22. Kilianski, A., Baker, S. C. Cell-based antiviral screening against coronaviruses: developing virus-specific and broad-spectrum inhibitors. Antiviral Res. 101, 105-112 (2014).
  23. Caillet-Saguy, C., Lim, S. P., Shi, P. Y., Lescar, J., Bressanelli, S. Polymerases of hepatitis C viruses and flaviviruses: structural and mechanistic insights and drug development. Antiviral Res. 105, 8-16 (2014).
  24. Frey, S. Temperature dependence of cell-cell fusion induced by the envelope glycoprotein of human immunodeficiency virus type 1. J Virol. 69, 1462-1472 (1995).
  25. Tscherne, D. M. Time- and temperature-dependent activation of hepatitis C virus for low-pH-triggered entry. J Virol. 80, 1734-1741 (2006).
  26. Madan, R. P. Molecular umbrellas: a novel class of candidate topical microbicides to prevent human immunodeficiency virus and herpes simplex virus infections. J Virol. 81, 7636-7646 (2007).
  27. Haywood, A. M., Boyer, B. P. Time and temperature dependence of influenza virus membrane fusion at neutral pH. J Gen Virol. 67 (Pt 12), 2813-2817 (1986).
  28. Haywood, A. M., Boyer, B. P. Sendai virus membrane fusion: time course and effect of temperature, pH, calcium, and receptor concentration). 生物化学. 21, 6041-6046 (1982).
  29. Wang, G., Hernandez, R., Weninger, K., Brown, D. T. Infection of cells by Sindbis virus at low temperature. Virology. 362, 461-467 (2007).
  30. Lin, L. T. Hydrolyzable tannins (chebulagic acid and punicalagin) target viral glycoprotein-glycosaminoglycan interactions to inhibit herpes simplex virus 1 entry and cell-to-cell spread. J Virol. 85, 4386-4398 (2011).
  31. Lin, L. T. Broad-spectrum antiviral activity of chebulagic acid and punicalagin against viruses that use glycosaminoglycans for entry. BMC Microbiol. 13, 187 (2013).
  32. Marukian, S. Cell culture-produced hepatitis C virus does not infect peripheral blood mononuclear cells. Hepatology. 48, 1843-1850 (2008).
  33. Baba, M., Snoeck, R., Pauwels, R., de Clercq, E. Sulfated polysaccharides are potent and selective inhibitors of various enveloped viruses, including herpes simplex virus, cytomegalovirus, vesicular stomatitis virus, and human immunodeficiency virus. Antimicrob Agents ChemotheR. 32, 1742-1745 (1988).
  34. Barth, H. Cellular binding of hepatitis C virus envelope glycoprotein E2 requires cell surface heparan sulfate. J Biol CheM. 278, 41003-41012 (2003).
  35. Flint, S. J., Enquist, L. W., Racaniello, V. R., Skalka, A. M. . Principles of Virology. , (2008).
  36. Brown, M. G. Dramatic caspase-dependent apoptosis in antibody-enhanced dengue virus infection of human mast cells. J Leukoc Biol. 85, 71-80 (2009).
  37. Huang, Y., Cyr, S. L., Burt, D. S., Anderson, R. Murine host responses to respiratory syncytial virus (RSV) following intranasal administration of a Protollin-adjuvanted, epitope-enhanced recombinant G protein vaccine. J Clin Virol. 44, 287-291 (2009).
  38. Isaacson, M. K., Compton, T. Human cytomegalovirus glycoprotein B is required for virus entry and cell-to-cell spread but not for virion attachment, assembly, or egress. J Virol. 83, 3891-3903 (2009).
  39. Leonard, V. H., et al. Measles virus blind to its epithelial cell receptor remains virulent in rhesus monkeys but cannot cross the airway epithelium and is not shed. J Clin Invest. 118, 2448-2458 (2009).
  40. Ciesek, S. The green tea polyphenol, epigallocatechin-3-gallate, inhibits hepatitis C virus entry. Hepatology. 54, 1947-1955 (2011).
  41. Lin, L. T. Saikosaponin b2 is a naturally occurring terpenoid that efficiently inhibits hepatitis C virus entry. J Hepatol. 62, 541-548 (2015).
  42. Atkins, C., Evans, C. W., White, E. L., Noah, J. W. Screening methods for influenza antiviral drug discovery. Expert Opin Drug Discov. 7, 429-438 (2012).
  43. Zhang, J. Identification of novel virus inhibitors by influenza A virus specific reporter cell based screening. Antiviral Res. 93, 48-54 (2012).

Play Video

Cite This Article
Tai, C., Li, C., Tai, C., Wang, C., Lin, L. Early Viral Entry Assays for the Identification and Evaluation of Antiviral Compounds. J. Vis. Exp. (104), e53124, doi:10.3791/53124 (2015).

View Video