ここでは、ヒト細胞におけるジカウイルスの感染と複製をリアルタイムで研究するための非常に簡単で簡単な方法として、細胞ベースの電気インピーダンス(CEI)の使用を示します。さらに、CEIアッセイは抗ウイルス化合物の評価に有用である。
セルベースの電気インピーダンス(CEI)技術は、電極が埋め込まれた培養プレートウェル上の接着細胞単層の成長または操作によって引き起こされるインピーダンスの変化を測定します。この技術は、ジカウイルス(ZIKV)感染と接着細胞複製の影響をリアルタイムで監視するために使用できます, このウイルスは非常に細胞病原性が高いため.これは、標識や侵襲的な方法の使用を必要とせず、リアルタイムデータを提供できるという利点がある簡単なアッセイです。ZIKV感染の動態は、使用する細胞株、ウイルス株、および感染多様性(MOI)に大きく依存しており、従来のエンドポイントアッセイでは簡単に研究することはできません。さらに、CEIアッセイは、抗ウイルス化合物の評価および特性評価にも使用でき、抗ウイルス化合物は感染過程にわたって動的な阻害特性も持つ可能性があります。この方法の記事では、CEIアッセイの実際の実行と、ZIKV研究および抗ウイルス研究全般におけるその潜在的な用途について詳細に説明します。
ジカウイルス(ZIKV)の発生は、小頭症やギランバレー症候群などの重篤な疾患合併症に関連しています1,2,3。蚊媒介生物の分布の広がりや都市化の進展など、さまざまな危険因子により、将来の流行はもっともらしいですが、これまでのところ、ワクチンや抗ウイルス薬はまだ市場に出回っていません3,4。したがって、従来のZIKV研究方法は、このウイルスとその潜在的な抗ウイルス化合物を研究するための新しいツールで補完する必要があります。抗ウイルス研究は、多くの場合、表現型アッセイに基づいており、エンドポイントは、ウイルス誘発性細胞変性効果(CPE)の出現やレポーター遺伝子による特定のウイルス誘導タンパク質の産生などの特定のパラメータの存在です5,6,7。ただし、これらのメソッドにはエンドポイントの読み出しがあり、労働集約的であり、複雑な分析が必要になる場合があります。したがって、インピーダンスベースの方法は魅力的な代替手段を提供します。
セルベースの電気インピーダンス(CEI)は、電極含有ウェルに播種された接着セル層によって引き起こされる、ある電極から別の電極への電流の流れに対する抵抗として定義されます。この方法論で採用されている確立されたCEI技術は、もともとGiaeverとKeese 8,9によって開発された電気セル-基板インピーダンスセンシング(ECIS)です。これは、癌転移、毒物学、創傷治癒などの生物学的研究領域の幅広い分野で使用されています10、11、12。その原理は、周波数の範囲にわたって交流(AC)電圧を連続的に掃引することによって生成される電界に依存しています13。細胞は、これらの非侵襲的電界にばく露され、そして所定の間隔で、細胞増殖または細胞接着もしくは形態の変化によって引き起こされるインピーダンス変化が測定される14。さらに、細胞生存率の変化はインピーダンスの変化にもつながり、この技術は細胞病原性ウイルスの感染を監視するための有用なツールになります15,16,17。細胞層の形態変化をナノスケールで検出するため、高感度な検出ツールとなります。この記事に記載されているCEIアッセイは、細胞のインピーダンス変化を経時的に測定するための簡単で非侵襲的なリアルタイムのラベルフリーの方法です。
CEIは、ZIKV感染の経過またはその潜在的な抗ウイルス薬を評価するために使用されていませんが、診断ツールとしてのCEIの使用は18年以前に調査されています。最近の研究では、A549細胞におけるいくつかのZIKV阻害剤の抗ウイルス活性を決定するためのCEIアッセイの使用が初めて検証されました19。この方法の記事では、このCEIアッセイをより詳細に説明し、さまざまな接着細胞株、およびさまざまな感染多重度(MOI)でのさまざまなZIKV株に拡張します。これにより、フラビウイルス抗ウイルス研究におけるこの方法の多目的な使用が実証される。この方法は、リアルタイムの細胞モニタリングという決定的な利点を有し、重要な感染時点の検出および潜在的な抗ウイルス化合物による動的阻害活性を可能にする。まとめると、CEIテクノロジーは、現在の抗ウイルス方法論の範囲を補完する強力で価値のあるツールを提供します。
この記事では、ZIKV抗ウイルス研究におけるCEIアッセイの使用について説明します。このアッセイにはリアルタイムモニタリングの利点があるため、選択的化合物によるZIKV感染および抗ウイルス阻害の動態を評価するために使用できます。この方法で得られたデータは、ウイルス誘発性CPEおよび潜在的な抗ウイルス化合物の効力の客観的かつ視覚的観察を可能にする。
CEIは非常に感度の高い方法であるため、この細胞アッセイを実行する際には細心の注意を払う必要があります。ピペッティングのばらつきをできるだけ避けるために、正確なピペッティングを行うことが重要です。さらに、細胞数や使用済みウイルスストックなど、実験結果に影響を与える可能性のある他の要因は、実験の繰り返し間で一定に保つ必要があります。これらは、細胞の成長と感染の速度に大きく影響する要因であるため、計算されたCIT50 値やその他のパラメーターの変動につながる可能性があります。
(潜在的な)抗ウイルス化合物の存在下でCEIアッセイを実施する場合、それらがウイルスの非存在下で細胞のインピーダンスに影響を与えるかどうかを判断することが重要です。この技術は非常に感度が高いため、インピーダンスの変化は化合物の細胞毒性濃度19をはるかに下回って測定される可能性があります。
この記事ではZIKVデータのみを示していますが、このアッセイは、最適なCEIモニタリング頻度の決定など、最小限の最適化作業で、他の細胞病原性(フラビ)ウイルスに簡単に適用できます。CEIアッセイの適応は、チクングニア、インフルエンザA、ヒトおよびウマヘルペスウイルスなどのさまざまなヒトおよび動物ウイルスで採用されています25,26,27,28。ここでは、ウイルス力価の定量や抗ウイルス化合物の同定のための簡単な方法としても使用されます。これらの研究では、CEIの代替方法であるリアルタイム細胞分析を使用しました。
CEI技術の使用は、アッセイの原理が電極埋め込みウェル全体に広がる接着細胞の特性に依存しているため、接着細胞タイプに限定されています。フィブロネクチンなどのウェル表面コーティングは、細胞付着を改善するために使用することができる29。この方法論には他にもいくつかの欠点があり、最初の欠点はそのコストに関連しています。CEI監視装置とそれに付随するハードウェアおよびソフトウェアへの投資とは別に、消耗品もやや高価です。さらに、このプロトコルではウイルス感染を数日間監視する必要があるため、週に1枚の96ウェルプレートを評価できます。高コストと相まって、これは使用を低から中程度のスループット設定に制限します。
これらのスループットの問題のため、この技術は抗ウイルススクリーニングの設定には適していません。ただし、特定の疾患関連環境でのZIKV感染の研究のための細胞感受性を評価する場合など、初期の実験段階では非常に魅力的です。この技術は、トランスフェクトまたはノックアウト細胞株でも有用であり、例えば、特定の侵入受容体の有無にかかわらず、感染動態の変化を容易に観察することができます。これは、ZIKV感染における細胞因子の関与を調査するときに興味深いものです。さらに、後の前臨床段階で、特定のリード候補が選択されている場合、CEIアッセイを使用して、選択された化合物のさらなる詳細な特性評価を行うことができます。CEIバイオセンサは、ウイルス18の検出のために、ウイルス特異的抗体などの特定の生体認識要素を固定化することによって修飾することもできる。全体として、これはウイルス学の設定におけるCEIの多様な使用を浮き彫りにします。
The authors have nothing to disclose.
著者は、原稿を校正してくれたClément HeymannとGorrit Lootsmaに感謝します。この研究は、ウイルス学および化学療法研究所(レガ研究所、KUルーヴェン)の内部助成金によって支援されました。
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 |