Einzelzellcharakterisierung von Kalziumzufluss und HIV-1-Infektion mit einer multiparametern optofluidischen Plattform
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll vor, in dem einzelne Zellen auf akute Ereignisse und produktive HIV-1-Infektionen auf einem nanofluidischen Gerät überwacht werden. Bildgebende Daten definieren Virus-Wirt-Rezeptor-Interaktionen und Signalwegdynamik. Dies ist die erste Methode für nanofluidische Hochdurchsatz-Längskultur und Bildgebung von Einzelzellen, um Signalkinetik und molekulare Wechselwirkungen zu untersuchen.
Abstract
HIV-1 verursacht eine chronische Infektion, von der weltweit mehr als 37 Millionen Menschen betroffen sind. Menschen, die mit dem humanen Immundefizienzvirus (HIV) leben, erleben trotz antiretroviraler Therapie eine Komorbidität im Zusammenhang mit chronischen Entzündungen. Diese entzündlichen Signale wurden jedoch nicht vollständig charakterisiert. Die Rolle von Früheintrittsereignissen bei der Aktivierung zellulärer Signalereignisse und der nachgelagerten Genexpression wurde auf Einzelzellebene nicht erfasst. Hier beschreiben die Autoren eine Methode, die Prinzipien der Lebendzellfluoreszenzmikroskopie auf eine automatisierte Einzelzellplattform anwendet, die Zellen über benutzerspezifische Zeitkurse kulturiert und abbildet, was eine Hochdurchsatzanalyse dynamischer zellulärer Prozesse ermöglicht. Dieser Assay kann die einzellige Live-Fluoreszenzmikroskopie von frühen Ereignissen verfolgen, die unmittelbar auf eine HIV-1-Infektion folgen, insbesondere den Zustrom von Kalzium, der mit der Exposition gegenüber dem Virus einhergeht, und die Entwicklung einer produktiven Infektion mit einem fluoreszierenden Reportervirus. MT-4-Zellen werden mit einem kalziumempfindlichen Farbstoff beladen und in isolierten Pens auf einem nanofluidischen Gerät kultiviert. Die kultivierten Zellen sind mit einem HIV-1-Reportervirus (HIV-1 NLCI) infiziert. Ein Fluoreszenzmikroskop, das über dem nanofluidischen Gerät positioniert ist, misst den Kalziumzustrom über einen Zeitraum von 8 Minuten nach akuter HIV-1-Exposition. Die HIV-1-produktive Infektion wird in denselben Zellen über ein 4-Tage-Intervall gemessen. Bildgebende Daten aus diesen Zeitverläufen werden analysiert, um Virus-Wirt-Rezeptor-Interaktionen und Signalwegdynamik zu definieren. Die Autoren präsentieren eine integrierte, skalierbare Alternative zu herkömmlichen Bildgebungsmethoden mit einer neuartigen optofluidischen Plattform, die in der Lage ist, Einzelzellensortierung, Kultivierung, Bildgebung und Softwareautomatisierung zu ermöglichen. Dieser Assay kann die Kinetik von Ereignissen unter verschiedenen Bedingungen messen, einschließlich Zelltyp, Agonist oder Antagonisteneffekt, während er eine Reihe von Parametern misst. Dies ist die erste etablierte Methode für nanofluidische Hochdurchsatz-Längskultur und Bildgebung: Diese Technik kann breit angepasst werden, um zelluläre Signalkinetik und dynamische molekulare Wechselwirkungen zu untersuchen.
Introduction
Chronische Entzündungen sind eine der Hauptursachen für HIV-assoziierte frühe Morbiditäten und Mortalität1,2,3. Es gibt mehrere Mechanismen, durch die HIV entzündliche Signale aktivieren kann, und neuere Beweise deuten auf eine Rolle für die P2X-Rezeptoren beim HIV-Eintritt hin, die Calcium-gating Adenosintriphosphat (ATP)-Rezeptorensind 3,4,5,6,7,8,9,10. Der P2X-Subtyp der purinergen Rezeptoren (P2XR) kann wichtige Vermittler dieser Entzündung sein. Die molekularen Mechanismen der HIV-P2XR-Interaktionen sind jedoch weitgehend unbekannt und können sich auf frühe und späte Schritte des viralen HIV-1-Lebenszyklus auswirken. Die Definition der Wege und Kinetik, die HIV-assoziierte chronische Entzündungen antreiben, ist entscheidend für die Weiterentwicklung der Behandlungsmöglichkeiten für Menschen mit HIV.
Um zu beurteilen, ob HIV-1 P2X-Rezeptoren direkt quälisiert, müssen P2XR-Aktivierung und HIV-1-Infektion parallel gemessen werden. Assays der P2XR-Aktivität und der HIV-1-Infektion wurden unabhängig voneinander etabliert: Der zelluläre Kalziumzustrom ist ein Indikator für die P2XR-Aktivierung, und die HIV-1-produktive Infektion kann durch RNA-Häufigkeit quantifiziert werden. Der Fluoreszenznachweis von Kalziumzustrom ist mit dem calciumempfindlichen Farbstoff Fluo-4 möglich, und eine HIV-1-Infektion kann mit dem mCherry Fluoreszenz-Reportervirus HIV-NLCI11,12,13,14,15visualisiert werden .
Da diese Indikatoren für die P2X-Aktivierung (akuter zellulärer Kalziumzustrom) und die HIV-1-Infektion (HIV-1-RNA-Synthese) auf unterschiedlichen Zeitskalen (Minuten versus Tage) auftreten, fehlt eine Hochdurchsatzmethode, die eine gepaarte Analyse der P2XR-Aktivierung und der HIV-1-Infektion ermöglicht. Experimentelle Standardtechniken mit hohem Durchsatz, wie die Durchflusszytometrie, ermöglichen die Populationsanalyse, können jedoch den Zusammenhang zwischen akuten und longitudinalen Ereignissen in einzelnen Zellen nicht beurteilen. Alternativ ist die Einzelzellbildgebung mit Standard-Fluoreszenzmikroskopie ein niedriger Durchsatz. Diese experimentellen Einschränkungen erfordern neuartige Hochdurchsatztechniken, um Assoziationen zwischen akuten und longitudinalen zellulären Ereignissen direkt zu messen.
Ein beschriebenes optofluidisches System ist eine neuartige Plattform, die in der Lage ist, Einzelzellensortierung und -isolierung, Kultivierung, Bildgebung und Softwareautomatisierung16,17,18,19zu verwenden. Dieses System stellt eine integrierte Alternative mit hohem Durchsatz zu den Einschränkungen herkömmlicher bildgebender Verfahren dar. Die Beacon-Plattform besteht aus einem Kohlendioxid (CO2)und einem temperaturgesteuerten Inkubator, der die auf einem Chip enthaltenen Zellen unterstützt. Der Chip besitzt lichtempfindliche Transistoren, die als Reaktion auf gezieltes Licht einen elektrischen Gradienten erzeugen. Diese resultierende dielektrophoretische Kraft wird genutzt, um einzelne Zellen über den nanofluidischen Chip in die gewünschten Regionen zu bewegen. Die Zellen werden auf dem Chip in Stifte sortiert, die eine Barriere darstellen, um einzelne Zellen physisch zu isolieren. Ein kontinuierlicher laminarer Fluss von Wachstumsmedien im gesamten Chip verhindert die Zellmigration aus den Pens und ermöglicht gleichzeitig die Diffusion von Nährstoffen und experimentspezifischen Reagenzien mit kleinen Partikeln. Über dem Chip sitzt ein Fluoreszenzmikroskop. Software-Automatisierung wird verwendet, um Bilder des Chips zum benutzerdefinierten Zeitpunkt zu erfassen.
Die gesamte Zellcharakterisierung wurde mit einem optofluidischen System zur Einzelzellselektion und -manipulation durchgeführt. Dieses System besteht aus integrierten mechanischen, mikrofluidischen und optischen Komponenten, die Einzelzellmanipulation, Assay, Kultur und Bildgebung ermöglichen. Die Zellen werden auf das nanofluidische Einweggerät geladen und kultiviert, das aus 3.500 einzelnen Kammern (Pens) besteht, die jeweils ein Sub-Nanoliter-Volumen halten können. Zellen können in Pens mit lichtinduzierten dielektrophoretischen “Käfigen” positioniert und unter temperatur- und CO2-kontrollierten Bedingungenkultiviert werden. Die Mikrofluidik ermöglicht die Perfusion von Medien oder Puffern auf dem Chip zur Zellkultur oder medikamentösen Behandlung. Eine betätigte Nadel ermöglicht den Import und Export von Zellen aus inkubierten und geschlossenen Brunnenplatten. Der Chipbereich kann bei 4- oder 10-facher Vergrößerung in Hellfeld- und Fluoreszenzkanälen (einschließlich DAPI, FITC, TRed oder Cy5) abgebildet werden, um zelluläre Phänotypen oder Funktionsanalysen zu charakterisieren. Das gesamte System wird mithilfe von Software automatisiert, die für vorgefertigte Workflows oder benutzerdefinierte Experimente verwendet werden kann.
Beziehungen zwischen HIV-1-Infektion und P2XR wurden untersucht, aber ein Hochdurchsatzverfahren zur direkten Charakterisierung dieser Wechselwirkungen parallel wurde nicht berichtet. Hier beschreiben die Autoren eine Methodik zur Untersuchung von HIV-P2XR-Interaktionen durch Verfolgung des akuten Kalziumzustroms und der anschließenden HIV-1-produktiven Infektion auf Einzelzellebene. Insbesondere etabliert dies ein neuartiges Werkzeug, das eine direkte Längsmessung mehrerer Ziele in einzelnen Zellen mit hohem Durchsatz ermöglicht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die beschriebene Methodik zur Untersuchung der Beziehung zwischen Kalziumzustrom und HIV-1-produktiver Infektion in einzelnen Zellen kann angepasst werden, um die intrazelluläre Kalziumkinetik als Reaktion auf andere Agonisten oder Antagonisten von Interesse zu untersuchen. Die Vorbereitung der Zellen für die Bildgebung ist einfach, minimal zeitintensiv und Reagenzien sind in praktischen Kits von weit verbreiteten Herstellern erhältlich. Die Calciummessung auf Fluo-4-Basis ist in der Literatur gut beschrieben, und HIV…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind dankbar für die wissenschaftlichen Gespräche mit Dr. Benjamin Chen. Diese Arbeit wurde von K08AI120806 (THS), R01DA052255 (THS und KB) und R21AI152833 (THS und KB) finanziert.
Materials
| Beacon Optofluidic System | Berkeley Lights | ||
| Fetal Bovine Serum | Gibco | ||
| FIJI | Open-source software | PMID: 22743772, 22930834 | |
| Fluo-4 Calcium Imaging Kit | Thermo Fisher | F10489 | |
| HIV-1 NLCINL4-3 | Laboratory of Benjamin Chen | PMID: 28148796 | |
| Hyclone Pennecillin Streptomycin solution | GE Healthcare Life sciences | SV30010 | |
| MT-4 cells | NIH AIDS Reagent | ARP-120 | |
| OptoSelect 3500 chip | Berkeley Lights | ||
| Pipettor Tips | Denville Scientific | P3020-CPS | |
| Prism 9.0.0 | GraphPad | ||
| RPMI-1640 Medium | Sigma-Aldrich | R8758 | |
| Serological Pipettes | Fisher Brand | 13-678-11E | |
| Tissue Culture Hood | Various models | ||
| T75 flasks | Corning | 3073 | |
Referências
- Aberg, J. A. Aging, inflammation, and HIV infection. Topics in Antiviral Medicine. 20 (3), 101-105 (2012).
- Deeks, S. G., Tracy, R., Douek, D. C. Systemic effects of inflammation on health during chronic HIV infection. Immunity. 39 (4), 633-645 (2013).
- Swartz, T. H., Dubyak, G. R., Chen, B. K. Purinergic receptors: Key mediators of HIV-1 infection and inflammation. Fromtiers in Immunology. 6, 585 (2015).
- Giroud, C., Marin, M., Hammonds, J., Spearman, P., Melikyan, G. B. P2X1 receptor antagonists inhibit HIV-1 fusion by blocking virus-coreceptor interactions. Journal of Virology. 89 (18), 9368-9382 (2015).
- Hazleton, J. E., Berman, J. W., Eugenin, E. A. Purinergic receptors are required for HIV-1 infection of primary human macrophages. Journal of Immunology. 188 (9), 4488-4495 (2012).
- Marin, M., et al. High-throughput HIV-cell fusion assay for discovery of virus entry inhibitors. Assay and Drug Development Technology. 13 (3), 155-166 (2015).
- Soare, A. Y., et al. P2X Antagonists inhibit HIV-1 productive infection and inflammatory cytokines interleukin-10 (IL-10) and IL-1β in a human tonsil explant model. Journal of Virology. 93 (1), 01186 (2019).
- Sorrell, M. E., Hauser, K. F. Ligand-gated purinergic receptors regulate HIV-1 Tat and morphine related neurotoxicity in primary mouse striatal neuron-glia co-cultures. Journal of Neuroimmune Pharmacology. 9 (2), 233-244 (2014).
- Swartz, T. H., Esposito, A. M., Durham, N. D., Hartmann, B. M., Chen, B. K. P2X-selective purinergic antagonists are strong inhibitors of HIV-1 fusion during both cell-to-cell and cell-free infection. Journal of Virology. 88 (19), 11504-11515 (2014).
- Soare, A. Y., et al. P2RX7 at the host-pathogen interface of infectious diseases. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 85 (1), (2021).
- Chen, P., Hübner, W., Spinelli, M. A., Chen, B. K. Predominant mode of human immunodeficiency virus transfer between T cells is mediated by sustained Env-dependent neutralization-resistant virological synapses. Journal of Virology. 81 (22), 12582-12595 (2007).
- Dale, B. M., et al. Cell-to-cell transfer of HIV-1 via virological synapses leads to endosomal virion maturation that activates viral membrane fusion. Cell Host Microbe. 10 (6), 551-562 (2011).
- Gee, K. R., et al. Chemical and physiological characterization of fluo-4 Ca(2+)-indicator dyes. Cell Calcium. 27 (2), 97-106 (2000).
- He, M. L., Zemkova, H., Koshimizu, T. A., Tomić, M., Stojilkovic, S. S. Intracellular calcium measurements as a method in studies on activity of purinergic P2X receptor channels. American Journal of Physiology and Cell Physiology. 285 (2), 467-479 (2003).
- Li, H., Zony, C., Chen, P., Chen, B. K. Reduced potency and incomplete neutralization of broadly neutralizing antibodies against cell-to-cell transmission of HIV-1 with transmitted founder envs. Journal of Virology. 91 (9), 02425 (2017).
- Beaumont, K. G., et al. Multiparameter cell characterization using nanofluidic technology facilitates real-time phenotypic and genotypic elucidation of intratumor heterogeneity. bioRxiv. , 457010 (2018).
- Le, K., et al. Assuring clonality on the beacon digital cell line development platform. Biotechnology Journal. 15 (1), 1900247 (2020).
- Mocciaro, A., et al. Light-activated cell identification and sorting (LACIS) for selection of edited clones on a nanofluidic device. Communications in Biology. 1, 41 (2018).
- Winters, A., et al. Rapid single B cell antibody discovery using nanopens and structured light. MAbs. 11 (6), 1025-1035 (2019).
- Wu, N., Nishioka, W. K., Derecki, N. C., Maher, M. P. High-throughput-compatible assays using a genetically-encoded calcium indicator. Science Reports. 9 (1), 12692 (2019).
- Esposito, A. M., et al. A high-throughput cre-lox activated viral membrane fusion assay to identify inhibitors of HIV-1 viral membrane fusion. Journal of Visualized Experiments. (138), e58074 (2018).
- Soare, A. Y., et al. P2X1 selective antagonists block HIV-1 infection through inhibition of envelope conformation-dependent fusion. Journal of Virology. 94 (6), 01622 (2020).
