Influenza A virussen (IAVs) zijn besmettelijke respiratoire pathogenen die jaarlijkse epidemieën en occasionele pandemie veroorzaken. Hier beschrijven we een protocol voor het opsporen van virale infecties in vivo met behulp van een roman recombinant plaats en fluorescentie-uitdrukken van bi-reporter iav (birflu). Deze aanpak biedt onderzoekers een uitstekend hulpmiddel om IAV in vivo te bestuderen.
Influenza A virussen (IAVs) veroorzaken menselijke respiratoire aandoeningen die gepaard gaat met aanzienlijke gezondheids-en economische gevolgen. Net als bij andere virussen, het bestuderen van IAV vereist het gebruik van moeizame secundaire benaderingen voor het opsporen van de aanwezigheid van het virus in geïnfecteerde cellen en/of in diermodellen van infectie. Deze beperking is onlangs omzeild met de generatie van recombinant IAVs uitdrukken gemakkelijk traceerbaar fluorescerende of bioluminescente (Luciferase) reporter eiwitten. Echter, onderzoekers zijn gedwongen te selecteren fluorescentie of plaats reporter genen als gevolg van de beperkte capaciteit van de iav genoom voor het opnemen van buitenlandse sequenties. Om deze beperking te overwinnen, hebben we een recombinant replicatie-competente bi-reporter iav (birflu) die stabiel zowel een fluorescerende als een plaats reporter gen uitdrukken om iav-infecties in vitro en in vivo gemakkelijk bij te houden. Hiertoe werden de virale niet-structurele (NS) en hemagglutininen (ha) virale segmenten van influenza A/Puerto Rico/8/34 H1N1 (PR8) aangepast om respectievelijk de fluorescerende Venus en de bioluminescente nanoluc plaats eiwitten te coderen. Hier beschrijven we het gebruik van BIRFLU in een muismodel van IAV-infectie en de detectie van beide reporter genen met behulp van een in vivo imaging System. Met name hebben we een goede correlatie waargenomen tussen de uitingen van zowel verslaggevers als virale replicatie. De combinatie van geavanceerde technieken in de moleculaire biologie, dierlijke onderzoeks-en beeldvormings technologieën, biedt onderzoekers de unieke kans om deze tool te gebruiken voor influenza onderzoek, waaronder de studie van interacties met virus-host en dynamiek van virale infecties. Belangrijk is dat de haalbaarheid om het virale genoom genetisch te veranderen om twee vreemde genen uit verschillende virale segmenten uit te drukken, mogelijkheden biedt om deze aanpak te gebruiken voor: (i) de ontwikkeling van nieuwe IAV-vaccins, (II) de generatie van recombinante IAVs die kan worden gebruikt als vaccin vectoren voor de behandeling van andere humane pathogenen infecties.
Influenza A virus (IAV) is een gehuld enkelvoudig, negatief-zintuig gesegmenteerd RNA-virus van de orthomyxoviridae familie1,2,3. De World Health Organization (WHO) schat 3-5 miljoen jaarlijkse influenza cases en meer dan 250.000 sterfgevallen van influenza wereldwijd4,5,6. Groepen die bijzonder kwetsbaar zijn voor influenza zijn ouderen, immuungecompromitteerde individuen en kinderen7,8,9,10,11. Hoewel vaccins beschikbaar zijn en de meest voorkomende en effectieve interventie tegen virale infectie vormen, kan iav zich snel ontwikkelen en ontsnappen aan de bestaande immuniteit3,12,13, 14 , 15. de heropkomst van een pandemie H1N1-stam in 2009 en de opkomst van pathogene iav herhaalt de voortdurende bedreiging voor de volksgezondheid van de mens wereldwijd4,16.
Tijdens een epidemie of pandemie is het van cruciaal belang om snel de pathogeniteit en overdraagbaarheid van nieuw geïsoleerde virussen te bepalen. Momenteel beschikbare technieken om het virus te detecteren zijn tijdrovend en vereisen soms het gebruik van moeizame benaderingen, die de voltooiing van deze analyses kunnen vertragen17,18,19,20. Bovendien zijn aanwezige virale testen moeilijk op te schalen, wat nodig kan zijn tijdens een uitbraak. Ten slotte wordt het gebruik van gevalideerde diermodellen van infectie, zoals muizen, cavia’s en fretten routinematig gebruikt en zijn ze van vitaal belang voor het bestuderen van influenza-infecties, immuunresponsen en de werkzaamheid van nieuwe vaccins en/of antivirale middelen. Echter, deze modellen zijn beperkend als gevolg van het onvermogen om te observeren virale dynamiek in real time; Dit beperkt de studies tot statische beeldvorming van virale infecties21,22,23,24,25. Dieren die in deze assays worden gebruikt, worden ook geëchaniseerd om de virale last te bepalen, waardoor het aantal dieren dat nodig is om deze studies af te ronden26toeneemt. Om al deze beperkingen te omzeilen, vertrouwen veel onderzoekers op het gebruik van recombinant replicatie-competent, reporter-uitdrukken van IAVs, die in staat zijn om virologische assays te versnellen en virale belasting en verspreiding in vivo in real-time te detecteren26 ,27,28,29,30,31,32,33,34,35 ,36,37,38,39,40,41. Belangrijk is dat deze verslaggevende iavs op dezelfde manier kan repliceren naar wild-type (WT) iavs in celcultuur en in diermodellen van infectie33,42.
Fluorescerende en bioluminescente eiwitten zijn twee reporter systemen die vaak worden gebruikt door onderzoekers vanwege hun gevoeligheid, stabiliteit en gebruiksgemak. Daarnaast is er enorme ondersteuning en vooruitgang in fluorescerende en bioluminescente proteïne detectietechnologieën43,44,45,46,47,48 . Fluorescerende eiwitten en plaats hebben verschillende eigenschappen die hen in staat stellen om te gloeien, specifiek verschillend in hoe opgewonden toestanden worden gegenereerd en hoe licht wordt gedetecteerd43,44,45, 46,47,48. Fluorescerende eiwitten worden eerst opgewekt door het absorberen van energie, die vervolgens wordt vrijgegeven als licht op een andere golflengte als de moleculen dalen tot een lagere energietoestand43. Aan de andere kant, bioluminescentie is afgeleid van een chemische exotherme reactie waarbij een substraat, zuurstof, en soms ATP met het oog op de productie van licht45. Als gevolg van de verschillende eigenschappen van deze twee soorten reporter eiwitten, een misschien voordeliger dan de andere afhankelijk van de studie van belang. Terwijl fluorescerende eiwitten op grote schaal worden gebruikt om cellulaire lokalisatie te observeren28,41, hun in vivo signalen hebben onvoldoende intensiteit en zijn vaak verduisterd door autofluorescentie in levende weefsels49. Daarom vertrouwen onderzoekers op luciferasen om de virale dynamiek in levende organismen te evalueren, hoewel fluorescerende eiwitten de voorkeur kunnen krijgen voor ex-vivo-studies50,51,52,53. In tegenstelling tot fluorescerende eiwitten, luciferases zijn handiger voor in vivo studies en meer toepasbaar in niet-invasieve benaderingen26,27,28,29,30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 54. uiteindelijk, op basis van het type studie, moeten onderzoekers kiezen tussen het gebruik van een fluorescerende of een plaats reporter-eiwit als hun uitlezen, die hun studie onderwerpt aan een trade-off van functionaliteiten en gevoeligheden, en ernstig het nut van de recombinant reporter virussen beperkt. Bovendien is er bezorgdheid over de correlatie tussen de uitdrukking van verschillende reporter genen met behulp van fluorescentie-of plaats-systemen en virale replicatie of verspreiding, die de interpretatie van de verkregen gegevens met Reporter-het uitdrukken van IAVs.
We hebben deze beperking overwonnen door het genereren van een recombinant replicatie-competente bi-reporter iav (birflu) die codeert voor zowel een fluorescerende als een plaats eiwit in hetzelfde virale genoom55 (Figuur 1). Hier werd nanoluc plaats (nluc), een klein en helder bioluminescente eiwit48, stroomopwaarts geplaatst van de hemagglutinine (ha) sequentie in het virale ha segment van influenza a/Puerto Rico/08/1934 H1N1 (PR8)24,33, 40,55,56,57. Daarnaast werd Venus, een veelgebruikt monomere fluorescerende proteïne, ingebracht in het niet-structurele (NS) virale segment32,33,36,41,55. Aangezien birflu codeert voor zowel fluorescerende als plaats-reporter genen, kan ofwel reporter proteïne signaal worden gebruikt als uitlezen om virale replicatie en verspreiding in vitro of in vivo55te bepalen. Meer informatie over het genereren en in vitro of in vivo karakterisering van BIRFLU vindt u in onze recente publicatie55. BIRFLU kan worden gebruikt om de effectiviteit van antivirale geneesmiddelen te testen of om antilichamen te neutraliseren via een nieuwe fluorescentie-en bioluminescente gebaseerde microneutralisatie test55. Bovendien kan BIRFLU ook gebruikt worden om de virale dynamiek te evalueren in een muismodel van infectie55. In dit manuscript beschrijven we de procedures voor het karakteriseren van BIRFLU55 in vitro en het bestuderen van birflu infectie bij muizen met behulp van in vivo luminescentie beeldvormingssystemen voor de detectie van nluc in vivo of van Venus ex vivo.
De combinatie van geavanceerde technieken in de moleculaire biologie, dierlijke onderzoeks-en beeldvormings technologieën, brengt onderzoekers de unieke kans om BIRFLU te gebruiken voor IAV-onderzoek, inclusief de studie van interacties met virus-host, dynamiek van virale infectie; de ontwikkeling van nieuwe vaccin benaderingen voor de therapeutische behandeling van IAV-infecties of het mogelijke gebruik van IAV als vaccin vector voor de behandeling van andere pathogenen infecties.
Onderzoekers hebben vertrouwd op recombinant reporter-het uitdrukken van virussen als vitale moleculaire instrumenten te begrijpen en uit te breiden op het huidige begrip van virale replicatie en pathogenese26,27,28, 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 54. de meest begunstigd reporter genen zijn luciferasen en fluorescerende eiwitten, voornamelijk als gevolg van de technologische vooruitgang in hun identificatie, ontwikkeling van verbeterde varianten en detectie door imaging Technologies43 , 44 , 45 , 46 , 47 , 48. recombinant reporter virussen worden vaak gebruikt om virologische testen te versnellen, de dynamiek van virussen in vitro en in vivo te bestuderen en de effectiviteit van momenteel goedgekeurde of nieuwe vaccin-en therapeutische benaderingen te testen26, 27,28,29,30,31,32,33,34,35, 36,37,38,39,40,41,54. Helaas, in het geval van iav, waren eerdere studies beperkt tot de uitdrukking van één reporter-gen, wat het type studie dat zou kunnen worden uitgevoerd, belemmert dat 26,27,28,29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 54. om deze beperking te vermijden, hebben we een replicatie-competente bi-reporter iav gegenereerd die een nluc plaats en een Venus TL-eiwit (birflu) uitdrukt.
In dit rapport beschrijven we de in vitro karakterisatie van BIRFLU en de experimentele benaderingen om BIRFLU te gebruiken om virale infectie in vivo te volgen met behulp van een muismodel van IAV-infectie. BIRFLU Nluc en Venus expressie correleerde met virale titers. Bovendien bleef de BIRFLU stabiel en bleef hij beide reporter genen uitdrukken na te zijn hersteld uit de longen van geïnfecteerde muizen. Deze aanpak biedt onderzoekers een uitstekende gelegenheid om IAV te bestuderen in gekweekte cellen en in diermodellen, met inbegrip van de identificatie en ontwikkeling van nieuwe therapeutische alternatieven voor de behandeling van IAV-infecties.
Hoewel birflu is gegenereerd met behulp van de ruggengraat van PR8, kan andere recombinant iav met behulp van verschillende type, subtype of virale stam wervels worden gegenereerd met behulp van dezelfde experimentele benadering. Evenzo hebben we in dit verslag de experimentele procedures voor het gebruik van BIRFLU beschreven in een muismodel van IAV. BIRFLU kan echter een waardevolle technologie zijn om de IAV-infectie in andere diermodellen te evalueren.
The authors have nothing to disclose.
Onderzoek naar het influenzavirus in LM-S-laboratorium wordt deels gefinancierd door het New York influenza Center of Excellence (NYICE) (NIH 272201400005C), een lid van de NIAID Centers of Excellence for influenza Research and Surveillance (CEIRS) Contractnr. HHSN272201400005C (NYICE) en door het ministerie van defensie (DoD) peer reviewed medisch onderzoeksprogramma (PRMRP) Grant W81XWH-18-1-0460.
12-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 665102 | |
24-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 662160 | |
6-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 657160 | |
96-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 655-180 | |
Adobe Photoshop CS4 | Adobe | This software is used in 3.1.10 and 4.4.7 | |
Bovin Albumin solution (BA) | Sigma-Aldrich | A7409 | Store at 4° C |
Bovin Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A9647 | Store at 4 °C |
Cell Culture dishes 100mm | Greiner Bio-one | 664-160 | |
ChemiDoc MP Imaging System | BioRad | This instrument is used in 4.4.7 | |
Crystal Violet | Thermo Fisher Scientific | C581-100 | Store at Room temperature |
Dounce Tissue Grinders | Thomas Scientific | 7722-7 | |
Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) | Corning Cellgro | 15-013-CV | Store at 4 °C |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Seradigm | 1500-050 | Store at -20 °C |
Five- to seven-week-old female BALB/c mice | National Cancer Institute (NCI) | 555 | |
Isoflurane | Baxter | 1001936040 | Store at Room temperature |
IVIS Spectrum | PerkinElmer | 124262 | This instrument is used for in vivo imaging (4.2 and 4.3) |
IX81 Motorized Inverted Microscope | Olympus | Olympus IX81 | |
Living Image 4.7.2 software | PerkinElmer | This instrument is used for in vivo imaging (4.2 and 4.3) | |
Lumicount | Packard | This instrument is used for quantifying luciferase activity (3.2.6) | |
Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) epithelial cells | ATCC | CCL-34 | |
Monoclonal Antibody anti-NP Influenza A Virus HB-65 | ATCC | H16-L10-4R5 | Store at -20 °C |
Nano-Glo Luciferase Assay Reagent | Promega | N1110 | This reagent is used to measure Nluc activity. Store at -20 °C |
Neutral Buffered Formalin 10% | EMD | 65346-85 | Store at RT |
Nunc MicroWell 96-Well Microplates | Thermo Fisher Scientific | 269620 | |
Penicillin/Streptomycin (PS) 100x | Corning | 30-00-CI | Store at -20 °C |
Penicillin/Streptomycin/L-Glutamine (PSG) 100x | Corning | 30-009-CI | Store at -20 °C |
Retiga 20000R Fast1394 Camera | Qimaging | Retiga 2000R | |
Scanner | HP | ||
Texas Red-conjugated anti-mouse -rabbit secondary antibodies | Jackson | 715-075-150 | Store at -20 °C |
Tosylsulfonyl phenylalanyl chloromethyl ketone (TPCK)-treated trypsin | Sigma-Aldrich | T8802 | Store at -20 °C |
Triton X-100 | J.T.Baker | X198-07 | Store at RT |
Vmax Kinetic plate reader | Molecular Devices |