在这里,我们展示了使用基于细胞的电阻抗(CEI)作为一种非常简单直接的方法来实时研究寨卡病毒感染和人类细胞中的复制。此外,CEI测定可用于评估抗病毒化合物。
基于细胞的电阻抗 (CEI) 技术测量由嵌入电极的培养板孔上生长或操纵的贴壁细胞单层引起的阻抗变化。该技术可用于实时监测寨卡病毒(ZIKV)感染和贴壁细胞复制的后果,因为这种病毒具有高度细胞致病性。这是一种简单的检测方法,不需要使用标记或侵入性方法,并且具有提供实时数据的好处。ZIKV感染的动力学高度依赖于所采用的细胞系,病毒株和感染的多重性(MOI),这不能用传统的终点测定轻松研究。此外,CEI测定还可用于评估和表征抗病毒化合物,抗病毒化合物在感染过程中也具有动态抑制特性。本文详细介绍了CEI测定的实际执行及其在ZIKV研究和抗病毒研究中的潜在应用。
寨卡病毒 (ZIKV) 暴发与严重疾病并发症有关,例如小头畸形和吉兰-巴雷综合征1,2,3。尽管由于各种风险因素,例如传播蚊媒分布和城市化进程加快,未来的流行病是合理的,但迄今为止,还没有疫苗或抗病毒药物进入市场3,4。因此,传统的ZIKV研究方法应辅以研究该病毒及其潜在抗病毒化合物的新工具。抗病毒研究通常基于表型测定,其中终点是特定参数的存在,例如病毒诱导的细胞病变效应(CPE)的出现或通过报告基因5,6,7产生特定病毒诱导的蛋白质。但是,这些方法具有终点读数,是劳动密集型的,并且可能需要复杂的分析。因此,基于阻抗的方法提供了一种有吸引力的替代方案。
基于电池的电阻抗(CEI)定义为由接种在含电极孔上的贴壁细胞层引起的从一个电极流向另一个电极的电流阻力。该方法中采用的既定CEI技术是电电池基板阻抗传感(ECIS),最初由Giaever和Keese8,9开发。这用于广泛的生物学研究领域,例如癌症转移,毒理学和伤口愈合10,11,12。其原理依赖于由交流电(AC)电压在频率范围内连续扫描产生的电场13。细胞暴露于这些非侵入性电场中,并以预定的间隔测量由细胞生长引起的阻抗变化或细胞粘附或形态的变化14。此外,细胞活力的改变也会导致阻抗变化,使该技术成为监测细胞致病性病毒感染的有用工具15,16,17。由于细胞层的形态变化将在纳米级范围内检测,因此该技术提供了一种高度灵敏的检测工具。本文中描述的CEI测定是一种简单,无创,实时,无标记的方法,用于测量细胞层随时间的变化。
尽管CEI尚未用于评估ZIKV感染的病程或其潜在的抗病毒药物,但在18之前已对其用作诊断工具进行了研究。在最近的一项研究中,首次验证了使用CEI测定法确定A549细胞中几种ZIKV抑制剂的抗病毒活性19。本文更详细地描述了该CEI测定,并将其扩展到各种贴壁细胞系,以及各种感染多重性(MOI)的各种ZIKV菌株。因此,证明了该方法在黄病毒抗病毒研究中的多功能用途。该方法具有实时细胞监测的关键优势,允许检测重要的感染时间点和潜在抗病毒化合物的动态抑制活性。综上所述,CEI技术提供了一个强大而有价值的工具,以补充当前的抗病毒方法范围。
本文介绍了CEI测定在ZIKV抗病毒研究中的使用。该测定具有实时监测的优点,因此可用于评估ZIKV感染的动力学和选择性化合物的抗病毒抑制。用这种方法获得的数据可以客观和目视地观察病毒诱导的CPE和潜在抗病毒化合物的效力。
由于CEI是一种非常灵敏的方法,因此在进行这种细胞测定时必须格外小心。进行精确的移液以尽可能避免移液变化至关重要。此外,可能影响实验结果的其他因素,如细胞数量和使用的病毒储备,必须在实验重复之间保持恒定。这些因素高度影响细胞生长和感染的动力学,因此可能导致计算的CIT50 值和/或其他参数的变化。
当在存在(潜在)抗病毒化合物的情况下进行CEI测定时,重要的是要确定它们是否在没有病毒的情况下影响细胞的阻抗。该技术非常敏感,以至于阻抗变化的测量值可能远低于化合物的细胞毒性浓度19。
虽然本文仅显示ZIKV数据,但该测定可以很容易地应用于其他细胞致病性(黄)病毒,只需最少的优化工作,例如最佳CEI监测频率测定。CEI测定的适应性已用于各种人类和动物病毒,例如基孔肯雅热,甲型流感以及人类和马疱疹病毒25,26,27,28。在这里,它也被用作病毒滴度定量或抗病毒化合物鉴定的简单方法。这些研究使用实时细胞分析,这是一种替代CEI方法。
CEI技术的使用仅限于贴壁细胞类型,因为该测定的原理依赖于贴壁细胞的特性,以扩散到电极嵌入的孔中。孔表面涂层如纤连蛋白可用于改善细胞附着29。该方法还有其他一些缺点,第一个缺点与其成本有关。除了对CEI监控设备以及随附的硬件和软件的投资外,耗材也有些昂贵。此外,由于该方案需要监测病毒感染数天,因此可以每周评估一个96孔板。再加上成本高,这限制了对中低通量设置的使用。
由于这些吞吐量问题,该技术不适合抗病毒筛选设置。然而,它在初始实验阶段非常有吸引力,例如,在评估细胞敏感性以研究某种疾病相关环境中的ZIKV感染时。该技术还可用于转染或敲除细胞系,以轻松观察感染动力学的变化,例如,是否存在某些进入受体。在研究细胞因子参与ZIKV感染时,这很有趣。此外,在后期的临床前阶段,当选择了某种先导候选药物时,CEI测定可用于对所选化合物进行进一步深入表征。CEI生物传感器也可以通过固定某些生物识别元件(例如病毒特异性抗体)来修改,以检测病毒18。总之,这突出了CEI在病毒学环境中的多功能性。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢Clément Heymann和Gorrit Lootsma校对手稿。该研究得到了病毒学和化疗实验室(鲁汶大学雷加研究所)的内部资助。
A549 cells | American Type Culture Collection (ATCC) | CCL-185 | These cells are cultured in MEM Rega-3 supplemented with 10% FBS, 2 mM L-glutamine, 0.075% sodium bicarbonate. |
Acridine Orange/Propidium Iodide Stain | Logos Biosystems | F23001 | Live/dead stain |
Cellstar polypropylene tubes, 15 mL | Greiner bio-one | 1,88,271 | |
Cellstar polypropylene tubes, 50 mL | Greiner bio-one | 2,27,261 | |
Dulbecco's Modified Essential Medium (DMEM) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 41965-039 | Cell culture medium for U87 and HEL 299 cells |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 14190-094 | |
ECIS cultureware 96W20idf | Applied BioPhysics | 96W20idf PET | Assay plate for CEI device |
Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) Z array station | Applied BioPhysics | CEI device, including 96 well station, external control module and laptop with control, acquisition and display software. The necessary software is installed before shipment. NOTE: this device is currently out of production and has been replaced by the more advanced ECIS Z-Theta device | |
Falcon polystyrene tubes, 5 mL | Corning | 352054 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Cytiva | SV30160.03 | Cell culture medium additive for all used cells |
HEL 299 cells | ATCC | CCL-137 | These cells are cultured in DMEM supplemented with 10% FBS and 0.01 M HEPES. |
HEPES buffer, 1 M | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 15630-056 | Cell culture medium additive for U87 cells |
Labyrinthopeptin A1 | Kind gift from Prof. Dr. Roderich Süssmuth, Technische Universität Berlin, Germany | Antiviral compound used as an example in this protocol. It is dissolved in DMSO. | |
L-Glutamine, 200 mM | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 25030-024 | Cell culture medium additive for A549 cells |
Luna cell counting slides | Logos Biosystems | L12001 | |
Luna-FL dual fluoresence cell counter | Logos Biosystems | L20001 | Cell viability counter |
Minimum Essential Medium Rega-3 (MEM Rega-3) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 19993013 | Cell culture medium for A549 cells |
Sodium Bicarbonate, 7.5% | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 25080-060 | Cell culture medium additive for A549 cells |
Tissue culture flask T75 | TPP | Y9076 | |
Trypsin-EDTA, 0.25% | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 25200-056 | Dissociation reagent |
U87 cells | ATCC | HTB-14 | These cells are cultured in DMEM supplemented with 10% FBS and 0.01 M HEPES. |
Virkon Rely+On tablets | Lanxess | 115-0020 | Disinfectant sollution |
Zika virus (ZIKV) MR766 | ATCC | VR-84 | ZIKV prototype strain, isolated from sentinel Rhesus monkey in Uganda in 1968 |
ZIKV PRVABC59 | ATCC | VR-1843 | ZIKV strain isolated from patient in Puerto Rico in 2015 |