Gepseudotypeerde virussen als moleculair hulpmiddel om humorale immuunresponsen tegen SARS-CoV-2 te volgen via neutralisatietest
Summary
Pseudogetypeerde virussen (PV’s) zijn replicatie-defecte virionen die worden gebruikt om gastheer-virusinteracties te bestuderen onder veiligere omstandigheden dan het hanteren van authentieke virussen. Hier wordt een gedetailleerd protocol gepresenteerd dat laat zien hoe SARS-CoV-2 PV’s kunnen worden gebruikt om het neutraliserende vermogen van het serum van patiënten na COVID-19-vaccinatie te testen.
Abstract
Pseudogetypeerde virussen (PV’s) zijn moleculaire hulpmiddelen die kunnen worden gebruikt om interacties tussen gastheer en virus te bestuderen en om het neutraliserende vermogen van serummonsters te testen, naast hun bekendere gebruik in gentherapie voor de afgifte van een interessant gen. PV’s zijn replicatiegebrekkig omdat het virale genoom is verdeeld in verschillende plasmiden die niet in de PV’s zijn opgenomen. Dit veilige en veelzijdige systeem maakt het gebruik van PV’s in laboratoria van bioveiligheidsniveau 2 mogelijk. Hier presenteren we een algemene methodologie om lentivirale PV’s te produceren op basis van drie plasmiden zoals hier vermeld: (1) het ruggengraatplasmide dat het reporter-gen draagt dat nodig is om de infectie te monitoren; (2) het verpakkingsplasmide dat de genen bevat voor alle structurele eiwitten die nodig zijn om de PV’s te genereren; (3) het glycoproteïne-expressieplasmide aan het oppervlak van het omhulsel dat het virustropisme bepaalt en het binnendringen van virussen in de gastheercel bemiddelt. In dit werk is SARS-CoV-2 Spike het envelopglycoproteïne dat wordt gebruikt voor de productie van niet-replicatieve SARS-CoV-2 pseudogetypeerde lentivirussen.
In het kort werden verpakkingscellen (HEK293T) met behulp van standaardmethoden samen met de drie verschillende plasmiden getransfecteerd. Na 48 uur werd het supernatans met de PV’s geoogst, gefilterd en opgeslagen bij -80 °C. De besmettelijkheid van SARS-CoV-2 PV’s werd getest door de expressie van het reporter-gen (luciferase) in een doelcellijn 48 uur na infectie te bestuderen. Hoe hoger de waarde voor relatieve luminescentie-eenheden (RLU’s), hoe hoger de infectie-/transductiesnelheid. Bovendien werden de infectieuze PV’s toegevoegd aan de serieel verdunde serummonsters om het neutralisatieproces van het binnendringen van pseudovirussen in doelcellen te bestuderen, gemeten als de vermindering van de RLU-intensiteit: lagere waarden die overeenkomen met een hoge neutraliserende activiteit.
Introduction
Pseudogetypeerde virussen (PV’s) zijn moleculaire hulpmiddelen die in de microbiologie worden gebruikt om interacties tussen gastheer en virus en pathogeen-pathogeen te bestuderen 1,2,3,4. PV’s bestaan uit een binnenste deel, de virale kern die het virale genoom beschermt, en een buitenste deel, de envelopglycoproteïnen op het oppervlak van het virus dat het tropisme definieert5. Een pseudovirus is replicatie-incompetent in de doelcel omdat het niet alle genetische informatie bevat om nieuwe virusdeeltjes te genereren. Deze combinatie van bijzondere eigenschappen maakt PV’s tot een veilig alternatief voor een wildtype virus. Wildtype virussen daarentegen zijn zeer pathogeen en kunnen niet worden gebruikt in BSL 2-laboratoria voor analyse6.
De besmettelijkheid van PV’s kan worden gecontroleerd door een reporter-gen, dat meestal codeert voor een fluorescerend eiwit (GFP, RFP, YFP) of een enzym dat chemiluminescente producten produceert (luciferase). Dit zit in een van de plasmiden die worden gebruikt voor PV-productie en is opgenomen in het genoom van het pseudovirus7.
Er bestaan momenteel verschillende soorten PV-kernen, waaronder lentivirale deeltjes op basis van het HIV-1-genoom. Het grote voordeel van op HIV-1 gebaseerde PV’s ten opzichte van andere platforms is hun intrinsieke integratieproces in het genoom van de doelcel8. Hoewel HIV-1 een zeer besmettelijk virus is en de veroorzaker van aids is, zijn deze lentivirale vectoren veilig te gebruiken vanwege de uitgebreide optimalisatiestappen door de jaren heen. Optimale veiligheidsomstandigheden werden bereikt met de introductie van lentivirale vectoren van de 2e generatie, waarin virale genen werden uitgeput zonder de transductiemogelijkheden te beïnvloeden9. De3e en 4egeneratie droegen bij aan de verhoogde veiligheid van de behandeling van lentivirale vectoren met de verdere splitsing van het virale genoom in afzonderlijke plasmiden10,11. De nieuwste generaties PV’s worden over het algemeen gebruikt om lentivirale vectoren voor gentherapie te produceren.
PV’s kunnen worden gebruikt om interacties tussen virussen en gastheercellen te bestuderen, zowel tijdens de productie- als de infectiefase. PV’s worden vooral gebruikt in pseudovirusneutralisatietests (PVNA). PVNA’s worden op grote schaal gevalideerd om het neutralisatiepotentieel van serum of plasma te beoordelen door zich te richten op het virale glycoproteïne op de PV-envelop12,13. Neutralisatieactiviteit, uitgedrukt als de remmende concentratie 50 (IC50), wordt gedefinieerd als de verdunning van serum/plasma die 50% van de toegang tot virale deeltjes blokkeert14. In dit protocol beschreven we de opzet van een PVNA om de antilichaamactiviteit tegen Severe Acute Respiratory Syndrome – Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) te testen in sera die zijn verzameld voor en na ontvangst van een boostervaccindosis.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel het gebruik van een wildtype virus de werkelijke infectie simuleert, zijn lentivirale PV’s een veiligere optie om de mechanismen te bestuderen die verband houden met het binnendringen en infecteren van virussen zonder de strikte veiligheidseisen die nodig zijn om met pathogene virussen te werken 4,20,21. PV’s zijn samengesteld uit een replicatie-defecte virale kern omgeven door het glycoproteïne van een pathogeen virus, …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We erkennen de bijdrage van de vrijwilligers van de gezondheidswerkers. Dit project werd ondersteund door het Department of Excellence 2023/2027, MUR, Italië. AR en DZ werden ondersteund door PRIN2022 (EU-financiering; NextGenerationEU)
Materials
| 0.45 μm filter | SARSTEDT | 83 1826 | |
| 6-well plate | SARSTEDT | 83 3920 | |
| 96-well plate | SARSTEDT | 8,33,924 | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | Merck | 10403892 | |
| Black Opaque 96-well Microplate | Perkin Elmer | 60005270 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | SIGMA-ALDRICH | D6546 – 500ML | |
| Dulbecco's phosphate buffered saline (PBS 1x) | AUROGENE | AU-L0615-500 | |
| Foetal Bovine Serum | AUROGENE | AU-S1810-500 | |
| Graphpad Prism version 7 | graphpad dotmatics | NA | In the manuscript, we replace the commercial name with 'data analysis program' |
| HEK293T cells | ATCC | CRL-3216 | |
| HEK293T/ACE2 cells | ATCC | CRL-3216 | HEK293T has been transduced to overexpress ACE2 with a lentiviral vector. |
| L-glutamine | AUROGENE | AU-X0550-100 | |
| Luminometer – Victor3 | Perkin Elmer | HH35000500 | In the manuscript, we replace the commercial name with 'luminometer' |
| Opti-MEM | Thermo Fisher Scientific | 11058021 | In the manuscript, we replace the commercial name with 'reduced serum medium' |
| p8.91 packaging plasmid | Di Genova et al., 2021 | A kind gift from Prof. Nigel Temperton (ref 16.) | |
| pCSFLW reporter plasmid | Di Genova et al., 2021 | A kind gift from Prof. Nigel Temperton (ref 16.) | |
| Penicillin/streptomycin | AUROGENE | AU-L0022-100 | |
| Polyethylenimine, branched (PEI) (25 kDa) | SIGMA-ALDRICH | 408727 | |
| RRL.sin.cPPT.SFFV/Ace2.IRES-puro.WPRE (MT126) | Addgene | 145839 | This plasmid was used to generate HEK293Tcells/ACE2 |
| SARS-CoV-2 Spike expressing plasmid | Addgene | pGBW-m4137382 | |
| steadylite plus Reporter Gene Assay System | Perkin Elmer | 6066759 | In the manuscript, we replaced the commercial name with 'luciferase reading reagent' |
| Trypsin EDTA 1x | AUROGENE | AU-L0949-100 |
References
- Ozaki, D. A., et al. International technology transfer of a GCLP-compliant HIV-1 neutralizing antibody assay for human clinical trials. Plos One. 7 (1), e30963 (2012).
- Pouget, M., et al. Generation of liposomes to study the effect of Mycobacterium tuberculosis lipids on HIV-1 cis- and trans-infections. International Journal of Molecular Sciences. 22 (4), 1945 (2021).
- McKay, L. G. A., et al. The HCV envelope glycoprotein down-modulates NF-κB signalling and associates with stimulation of the host endoplasmic reticulum stress pathway. Frontiers in Immunology. 13, 831695 (2022).
- Xiang, Q., Li, L., Wu, J., Tian, M., Fu, Y. Application of pseudovirus system in the development of vaccine, antiviral-drugs, and neutralizing antibodies. Microbiological Research. 258, 126993 (2022).
- Li, Q., Liu, Q., Huang, W., Li, X., Wang, Y. Current status on the development of pseudoviruses for enveloped viruses. Reviews in Medical Virology. 28, e1963 (2018).
- D’Apice, L., et al. Comparative analysis of the neutralizing activity against SARS-CoV-2 Wuhan-Hu-1 strain and variants of concern: Performance evaluation of a pseudovirus-based neutralization assay. Frontiers in Immunology. 13, 981693 (2022).
- Falzarano, D., Groseth, A., Hoenen, T. Development and application of reporter-expressing mononegaviruses: current challenges and perspectives. Antiviral Research. 103, 78-87 (2014).
- Gutierrez-Guerrero, A., Cosset, F. -. L., Verhoeyen, E. Lentiviral vector pseudotypes: Precious tools to improve gene modification of hematopoietic cells for research and gene therapy. Viruses. 12, 1016 (2020).
- Zufferey, R., Nagy, D., Mandel, R. J., Naldini, L., Trono, D. Multiply attenuated lentiviral vector achieves efficient gene delivery in vivo. Nature Biotechnology. 15 (9), 871-875 (1997).
- Dull, T. A third-generation lentivirus vector with a conditional packaging system. Journal of Virology. 72 (11), 8463-8471 (1998).
- Berkhout, B. A Fourth generation lentiviral Vector: Simplifying genomic gymnastics. Molecular Therapy. 25 (8), 1741-1743 (2017).
- Wu, X. Development and evaluation of a pseudovirus-luciferase assay for rapid and quantitative detection of neutralizing antibodies against Enterovirus 71. Plos One. 8 (6), e64116 (2013).
- Ferrara, F., et al. Development of lentiviral vectors pseudotyped with Influenza B hemagglutinins: application in vaccine immunogenicity, mAb potency, and sero-surveillance studies. Frontiers in Immunology. 12, 661379 (2021).
- Hu, J., et al. Development of cell-based pseudovirus entry assay to identify potential viral entry inhibitors and neutralizing antibodies against SARS-CoV-2. Genes & Diseases. 7 (4), 551-557 (2020).
- Dalle Carbonare, L., et al. Serology study after BTN162b2 vaccination in participants previously infected with SARS-CoV-2 in two different waves versus naïve. Communications Medicine. 1 (1), 38 (2021).
- Di Genova, C., et al. Production, titration, neutralisation, storage and lyophilisation of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) lentiviral pseudotypes. Bio-protocol. 11 (21), e4236 (2021).
- Chmielewska, A. M., Czarnota, A., Bieńkowska-Szewczyk, K., Grzyb, K. Immune response against SARS-CoV-2 variants: The role of neutralization assays. NPJ Vaccines. 6 (1), 1-8 (2021).
- Chen, Q., et al. Development and optimization of a sensitive pseudovirus-based assay for HIV-1 neutralizing antibodies detection using A3R5 cells. Human Vaccines & Immunotherapeutics. 14 (1), 199-208 (2018).
- Gauger, P. C., Vincent, A. L. Serum virus neutralization assay for detection and quantitation of serum neutralizing antibodies to influenza A virus in swine. Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J). 2123, 321-333 (2020).
- Miglietta, R., Pastori, C., Venuti, A., Ochsenbauer, C., Lopalco, L. Synergy in monoclonal antibody neutralization of HIV-1 pseudoviruses and infectious molecular clones. Journal of Translational Medicine. 12 (1), 346 (2014).
- Chen, M., Zhang, X. -. E. Construction and applications of SARS-CoV-2 pseudoviruses: A mini review. International Journal of Biological Sciences. 17 (6), 1574-1580 (2021).
- Zipeto, D., et al. Induction of human immunodeficiency virus neutralizing antibodies using fusion complexes. Microbes and Infection. 8 (6), 1424-1433 (2006).
- WHO Coronavirus (COVID-19) Dashboard. Available from: https://covid19.who.int (2022)
- Zhou, P. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 579 (7798), 270-273 (2020).
- Chen, X., Huang, H., Ju, J., Sun, R., Zhang, J. Impact of vaccination on the COVID-19 pandemic in U.S. states. Scientific Reports. 12 (1), 1554 (2022).
- Stefani, C., Fantoni, T., Bissoli, M., Thomas, J., Ruggiero, A. HIV and SARS-CoV-2 Co-Infection: From Population Study Evidence to In Vitro Studies. Life. 12 (12), 2089 (2022).
- Watson, O. J., et al. Global impact of the first year of COVID-19 vaccination: a mathematical modelling study. The Lancet Infectious Diseases. 22 (9), 1293-1302 (2022).
- Cantoni, D. Analysis of antibody neutralisation activity against SARS-CoV-2 variants and seasonal human coronaviruses NL63, HKU1, and 229E induced by three different COVID-19 vaccine olatforms. Vaccines. 11 (1), 58 (2023).
- Siracusano, G., et al. Different decay of antibody response and VOC sensitivity in naïve and previously infected subjects at 15 weeks following vaccination with BNT162b2. Journal of Translational Medicine. 20 (1), 22 (2022).
- Ruggiero, A. SARS-CoV-2 vaccination elicits unconventional IgM specific responses in naïve and previously COVID-19-infected individuals. eBioMedicine. 77, (2022).
- Piubelli, C. Subjects who developed SARS-CoV-2 specific IgM after vaccination show a longer humoral immunity and a lower frequency of infection. eBioMedicine. 89, 104471 (2023).
- Zhang, G. F. Infectivity of pseudotyped SARS-CoV-2 variants of concern in different human cell types and inhibitory effects of recombinant spike protein and entry-related cellular factors. Journal of Medical Virology. 95 (1), e28437 (2023).
- da Costa, K. A. S. Influenza A (N1-N9) and Influenza B (B/Victoria and B/Yamagata) neuraminidase pseudotypes as tools for pandemic preparedness and improved influenza vaccine design. Vaccines. 10 (9), 1520 (2022).
- Condor Capcha, J. M. Generation of SARS-CoV-2 spike pseudotyped virus for viral entry and neutralization assays: a 1-week protocol. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 7, 618651 (2021).
- Diomede, L., et al. Doxycycline inhibition of a pseudotyped virus transduction does not translate to inhibition of SARS-CoV-2 infectivity. Viruses. 13 (9), 1745 (2021).
