K18 hACE2 Transgenik Farelerde Viral Enfeksiyonun Canlı Görüntülenmesi ve Raporlayıcı İfade Eden Rekombinant SARS-CoV-2 Kullanılarak Ölçülmesi
Summary
Bu protokol, SARS-CoV-2 enfeksiyonlarını in vivo olarak incelemek için gereken ikincil yaklaşımların ihtiyacının üstesinden gelmek için K18 hACE2 transgenik farelerde lusiferaz ve floresan eksprese eden rekombinant (r) SARS-CoV-2 ve bir in vivo görüntüleme sistemi (IVIS) kullanarak viral enfeksiyonların dinamiklerini açıklamaktadır.
Abstract
Koronavirüs hastalığı 2019 (COVID-19) pandemisine şiddetli akut solunum sendromu koronavirüs 2 (SARS-CoV-2) neden olmuştur. SARS-CoV-2, bugüne kadar dünya çapında 242 milyondan fazla enfeksiyondan ve 4,9 milyondan fazla ölümden sorumlu olmuştur. Diğer virüslere benzer şekilde, SARS-CoV-2’yi incelemek, enfekte olmuş hücrelerde ve / veya hayvan modellerinde virüs varlığını tespit etmek için deneysel yöntemlerin kullanılmasını gerektirir. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, biyolüminesan (nanoluferaz, Nluc) veya floresan (Venüs) proteinlerini eksprese eden replikasyon yetkin rekombinant (r) SARS-CoV-2 ürettik. Bu muhabir eksprese eden rSARS-CoV-2, Nluc ve Venüs muhabir genlerinin ekspresyonuna dayanarak in vitro ve in vivo viral enfeksiyonların izlenmesine izin verir. Burada çalışma, daha önce tarif edilen K18 insan anjiyotensin dönüştürücü enzim 2 (hACE2) transgenik fare enfeksiyon modelinde in vivo görüntüleme sistemleri (IVIS) kullanarak SARS-CoV-2 enfeksiyonunu tespit etmek ve izlemek için rSARS-CoV-2 / Nluc ve rSARS-CoV-2 / Venüs’ün kullanımını açıklamaktadır. Bu rSARS-CoV-2/Nluc ve rSARS-CoV-2/Venüs, rSARS-CoV-2/WT benzeri patojeniteyi ve viral replikasyonu in vivo olarak göstermektedir. Önemli olarak, Nluc ve Venüs ekspresyonu, enfekte farelerde viral enfeksiyonları in vivo ve ex vivo olarak doğrudan izlememize izin verir. Bu rSARS-CoV-2/Nluc ve rSARS-CoV-2/Venüs, SARS-CoV-2’nin biyolojisini in vivo olarak incelemek, viral enfeksiyonu ve ilişkili COVID-19 hastalığını anlamak ve SARS-CoV-2 enfeksiyonuyla mücadele etmek için etkili profilaktik ve/veya terapötik tedavileri tanımlamak için mükemmel bir seçeneği temsil etmektedir.
Introduction
Şiddetli akut solunum sendromu koronavirüs 2 (SARS-CoV-2), Coronaviridae ailesindeki Betacoronavirus soyuna ait zarflı, pozitif anlamlı, tek sarmallı bir RNA virüsüdür1. Bu viral aile Alfa, Beta, Gama ve Delta-koronavirüs1’e ayrılmıştır. Alfa ve Betakoronavirüsler esas olarak memelileri enfekte ederken, Gama ve Deltakoronavirüs neredeyse sadece kuşları enfekte eder2. Bugüne kadar, yedi koronavirüs (CoV) tür bariyerlerini aştı ve insan koronavirüsleri (HCoV) olarak ortaya çıktı: iki alfa-CoVs (HCoV-229E ve HCoV-NL63) ve beş beta-CoVs (HCoV-OC43, HCoV-HKU1, SARS-CoV, Orta Doğu solunum sendromu koronavirüs [MERS-CoV] ve SARS-CoV-2) 3,4,5,6. SARS-CoV, MERS-CoV ve SARS-CoV-2 oldukça patojeniktir ve ciddi alt solunum yolu enfeksiyonuna neden olur7. SARS-CoV-2’nin ortaya çıkmasından önce, CoV’lerin neden olduğu iki salgın salgın vardı: 2002-2003 yılları arasında Çin’in Guangdong Providence kentinde SARS-CoV, vaka ölüm oranı (CFR) yaklaşık% 9.7; ve 2012’den günümüze kadar Orta Doğu’da MERS-CoV, yaklaşık% 34’lük bir CFR ile 7,8. SARS-CoV-2, genel CFR’nin% 3.4 ila% 49 arasında bir CFR’ye sahiptir ve altta yatan koşullar daha yüksek bir CFR 8,9’a katkıda bulunur. SARS-CoV-2, Aralık 2019’da Çin’in Wuhan kentinde keşfinden bu yana, dünya çapında 242 milyondan fazla insan enfeksiyonundan ve4,9 milyondan fazla insan ölümünden 7,10,11,12 sorumludur. Özellikle, 2020’nin sonlarından bu yana, yeni SARS-CoV-2 endişe varyantları (VoC) ve ilgi çekici varyantlar (VoI), bulaşma ve antijenite 9,13 ve COVID-19 pandemisinin genel yönü dahil olmak üzere virüs özelliklerini etkilemiştir. SARS-CoV-2 enfeksiyonlarının tedavisi için şu anda sadece bir Amerika Birleşik Devletleri (ABD) bulunmaktadır. Gıda ve İlaç İdaresi (FDA) terapötik antiviral (remdesivir) ve bir Acil Kullanım İzni (EUA) ilacı (baricitinib, remdesivir ile kombinasyon halinde uygulanacak)14. Ayrıca 6 onaylı EUA monoklonal antikoru vardır: REGEN-COV (birlikte uygulanan casirivimab ve imdevimab), sotrovimab, tocilizumab ve bamlanivimab ve etesevimab birlikte uygulanır 15,16,17,18,19. Şu anda sadece bir FDA onaylı profilaktik aşı olan Pfizer-BioNTech ve diğer iki profilaktik aşı (Moderna ve Janssen) EUA onaylı 20,21,22,23,24 olmuştur. Bununla birlikte, kontrolsüz enfeksiyon oranı ve VoC ve VoI’nin ortaya çıkmasıyla SARS-CoV-2 hala insan sağlığı için bir tehdit oluşturmaktadır. Bu nedenle, SARS-CoV-2 enfeksiyonunu ve halen devam eden COVID-19 pandemisini kontrol etmek için etkili profilaktik ve terapötikleri tanımlamak için acilen yeni yaklaşımlara ihtiyaç vardır.
SARS-CoV-2’yi incelemek, enfekte hücrelerde ve / veya doğrulanmış hayvan enfeksiyon modellerinde virüsün varlığını tanımlamak için zahmetli teknikler ve ikincil yaklaşımlar gerektirir. Ters genetiğin kullanımı, viral enfeksiyonların biyolojisindeki önemli soruları cevaplamak için rekombinant virüslerin üretilmesine izin vermiştir. Örneğin, ters genetik teknikler viral enfeksiyon, patogenez ve hastalık mekanizmalarını ortaya çıkarmak ve anlamak için araçlar sağlamıştır. Benzer şekilde, ters genetik yaklaşımlar, viral patogenezdeki katkılarını anlamak için viral proteinlerden yoksun rekombinant virüslerin mühendisliğinin yolunu açmıştır. Ek olarak, viral enfeksiyonların tedavisi için profilaktik ve / veya terapötik yaklaşımların belirlenmesi de dahil olmak üzere, in vitro ve in vivo uygulamalar için muhabir genlerini eksprese eden rekombinant virüsler üretmek için ters genetik teknikleri kullanılmıştır. Floresan ve biyolüminesan proteinler, hassasiyetleri, stabiliteleri ve yeni teknolojilerin geliştirilmesine dayanan kolay tespitleri nedeniyle en sık kullanılan muhabir genleridir25,26. In vitro, floresan proteinlerin enfekte hücrelerde virüslerin lokalizasyonu için daha iyi bir seçenek olarak hizmet ettiği gösterilmiştir, lusiferazlar ise niceleme çalışmaları için daha uygundur27,28,29. İn vivo, lusiferazlar tüm hayvan görüntülemede floresan proteinlere göre tercih edilirken, enfekte hücrelerin tanımlanmasında veya ex vivo görüntülemede floresan proteinler tercih edilir30,31,32. Muhabir tarafından ifade edilen rekombinant virüslerin kullanımı, flavivirüsler, enterovirüsler, alfavirüsler, lentivirüsler, arenavirüsler ve influenza virüsleri 28,33,34,35,36 dahil olmak üzere birçok ailedeki virüslerin incelenmesi için güçlü bir araç olarak hizmet etmiştir.
SARS-CoV-2’yi incelemek ve gerçek zamanlı SARS-CoV-2 enfeksiyonunu in vivo olarak karakterize etmek için ikincil yaklaşımlara duyulan ihtiyacın üstesinden gelmek için, E. coli’de tek bir kopya olarak tutulan daha önce tanımlanmış bakteriyel yapay kromozomlarımızı (BAC) tabanlı ters genetiğimizi kullanarak biyolüminesan (nanolusiferaz, Nluc) veya floresan (Venüs) proteinlerini eksprese eden replikasyon yetkin rekombinant (r) SARS-CoV-2 ürettik. bakterilerde yayılması sırasında virüs dizilerinin toksisitesini en aza indirmek için37,38. Özellikle, rSARS-CoV-2 / Nluc ve rSARS-CoV-2 / Venüs, rSARS-CoV-2 / WT benzeri patojeniteyi in vivo olarak göstermiştir. rSARS-CoV-2 / Venüs’ten gelen yüksek Venüs ekspresyonu seviyesi, enfekte K18 hACE2 transgenik farelerin akciğerlerinde viral enfeksiyonun in vivo görüntüleme sistemi (IVIS) 39 kullanılarak tespit edilmesine izin verdi. Venüs ekspresyon seviyeleri, akciğerlerde tespit edilen viral titrelerle iyi korelasyon gösterdi ve Venüs ekspresyonunun SARS-CoV-2 enfeksiyonunun geçerli bir vekili olarak kullanılmasının fizibilitesini gösterdi. rSARS-CoV-2 / Nluc kullanarak, viral enfeksiyonun dinamiklerini gerçek zamanlı olarak izleyebildik ve K18 hACE2 transgenik farelerde aynı IVIS yaklaşımını kullanarak SARS-CoV-2 enfeksiyonunu in vivo olarak uzunlamasına değerlendirebildik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, viral enfeksiyonları in vivo izlemek için muhabir genlerini eksprese eden bu rSARS-CoV-2’yi kullanmanın fizibilitesini göstermektedir. Her iki muhabir eksprese eden rekombinant virüs, SARS-CoV-2 enfeksiyonlarını in vivo olarak incelemek için mükemmel bir araç sağlar. Tanımlanan ex vivo (rSARS-CoV-2/Venüs) ve in vivo (rSARS-CoV-2/Nluc) görüntüleme sistemleri, SARS-CoV-2 enfeksiyonunun dinamiklerini, viral patogenezi anlamak ve viral enfeksiyondan sonra farkl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
COVID-19 salgını sırasında tesislerimizi tamamen çalışır durumda ve güvenli tutma çabaları için enstitümüzdeki (Texas Biomedical Research Institute) üyelere teşekkür ederiz. Ayrıca, protokollerimizi zaman açısından verimli bir şekilde gözden geçirdikleri için Kurumsal Biyogüvenlik Komitemize (IBC) ve spell’e (IACUC) teşekkür ederiz. Sina Dağı’ndaki Icahn Tıp Fakültesi’nden Dr. Thomas Moran’a SARS-CoV çapraz reaktif 1C7C7 nükleokapsid (N) protein monoklonal antikorunu sağladığı için teşekkür ederiz. Martinez-Sobrido’nun laboratuvarındaki SARS-CoV-2 araştırması şu anda NIAID / NIH hibeleri RO1AI161363-01, RO1AI161175-01A1 ve R43AI165089-01 tarafından desteklenmektedir; Savunma Bakanlığı (DoD) W81XWH2110095 ve W81XWH2110103’ü verir; Precision Therapeutic için San Antonio Ortaklığı; Teksas Biyomedikal Araştırma Enstitüsü Forumu; San Antonio’daki Teksas Üniversitesi Sağlık Bilimleri Merkezi; San Antonio Tıp Vakfı; ve NIAID tarafından finanse edilen İnfluenza Araştırma ve Müdahale Mükemmeliyet Merkezi (CEIRR, sözleşme # 75N93021C00014) tarafından finanse edilen İnfluenza Patogenezi ve İletimi Araştırma Merkezi (CRIPT) tarafından.
Materials
| 0.5% Triton X-100 | J.T.Baker | X198-07 | Store at room temperature (RT) |
| 1% DEAE-Dextran | MP Biomedicals | 195133 | |
| 10% Formalin solution, neutral buffered | Sigma-Aldrich | HT501128 | |
| Agar | Oxoid | LP0028 | |
| 24-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 662160 | |
| 5% Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S-5761 | |
| 6-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 657160 | |
| 96-well Cell Culture Plate | Greiner Bio-one | 655-180 | |
| African green monkey kidney epithelial cells (Vero E6) | ATCC | CRL-1586 | |
| Ami HT | Spectral Instruments Imaging | ||
| Aura Imaging Software 3.2.0 | Spectral Instruments Imaging | Image analysis software | |
| Bovine Serum Albumin (BSA), 35% | Sigma-Aldrich | A9647 | Store at 4 °C |
| Cell culture grade water | Corning | 25-055-CV | |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) | Corning Cellgro | 15-013-CV | Store at 4 °C |
| Anesthesia gas machine | Veterinary Anesthesia Systems, Inc. | VAS 2001R | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Seradigm | 1500-050 | Store at -20 °C |
| Four- to six-week-old female K18-hACE2 transgenic mice | The Jackson Laboratory | 34860 | |
| Graphpad Prism Version 9.1.0 | GraphPad | ||
| Isoflurane | Baxter | 1001936040 | Store at RT |
| MARS Data Analysis Software | BMG LABTECH | ||
| MB10 tablets | QUIP Laboratories | MBTAB1.5 | Store at RT |
| Nano-Glo Luciferase Assay Reagent | Promega | N1110 | This reagent is used to measure Nluc activity. Store at -20 °C |
| Nunc MicroWell 96-Well Microplates | ThermoFisher Scientific | 269620 | |
| Nunc MicroWell 96-Well Microplates | ThermoFisher Scientific | 269620 | |
| Penicillin/Streptomycin/L-Glutamine (PSG) 100x | Corning | 30-009-CI | Store at -20 °C |
| PHERAstar FSX | BMG LABTECH | PHERAstar FSX | |
| Precelleys Evolution homogenizer | Bertin Instruments | P000062-PEVO0-A | |
| Soft tissue homogenizing CK14 – 7 mL | Bertin Instruments | P000940-LYSK0-A | |
| T75 EasYFlask | ThermoFisher Scientific | 156499 | |
| VECTASTAIN ABC-HRP Kit, Peroxidase | Vector Laboratories | PK-4002 | ABC kit and DAB Peroxidase Substrate kit |
References
- V’Kovski, P., Kratzel, A., Steiner, S., Stalder, H., Thiel, V. Coronavirus biology and replication: implications for SARS-CoV-2. Nature Reviews Microbiology. 19 (3), 155-170 (2021).
- Pal, M., Berhanu, G., Desalegn, C., Kandi, V. Severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2): An update. Cureus. 12 (3), 7423 (2020).
- Su, S., et al. Epidemiology, genetic recombination, and pathogenesis of coronaviruses. Trends in Microbiology. 24 (6), 490-502 (2016).
- Cui, J., Li, F., Shi, Z. L. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nature Reviews Microbiology. 17 (3), 181-192 (2019).
- Lu, R., et al. Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. Lancet. 395 (10224), 565-574 (2020).
- Evans, J. P., Liu, S. L. Role of host factors in SARS-CoV-2 entry. Journal of Biological Chemistry. 297 (1), 100847 (2021).
- Petersen, E., et al. Comparing SARS-CoV-2 with SARS-CoV and influenza pandemics. Lancet Infectious Diseases. 20 (9), 238-244 (2020).
- Alfaraj, S. H., et al. Clinical predictors of mortality of Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) infection: A cohort study. Travel Medicine and Infectious Disease. 29, 48-50 (2019).
- Harvey, W. T., et al. SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. Nature Reviews Microbiology. 19 (7), 409-424 (2021).
- Dong, E., Du, H., Gardner, L. An interactive web-based dashboard to track COVID-19 in real time. Lancet Infectious Diseases. 20 (5), 533-534 (2020).
- Bar-On, Y. M., Flamholz, A., Phillips, R., Milo, R. ARS-CoV-2 (COVID-19) by the numbers. Elife. 9, 57309 (2020).
- Roussel, Y., et al. SARS-CoV-2: fear versus data. International Journal of Antimicrobial Agents. 55 (5), 105947 (2020).
- Scialo, F., et al. SARS-CoV-2: One year in the pandemic. What have we learned, the new vaccine era and the threat of SARS-CoV-2 variants. Biomedicines. 9 (6), 611 (2021).
- . Coronavirus (COVID-19) update: FDA authorizes additional monoclonal antibody for treatment of COVID-19 Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-additional-monoclonal-antibody-treatment-covid-19 (2021)
- Dougan, M., et al. Bamlanivimab plus Etesevimab in Mild or Moderate Covid-19. New England Journal of Medicine. 385 (15), 1382-1392 (2021).
- Ledford, H. COVID antibody treatments show promise for preventing severe disease. Nature. 591 (7851), 513-514 (2021).
- Tuccori, M., et al. An overview of the preclinical discovery and development of bamlanivimab for the treatment of novel coronavirus infection (COVID-19): reasons for limited clinical use and lessons for the future. Expert Opinion on Drug Discovery. , 1-12 (2021).
- Phan, A. T., Gukasyan, J., Arabian, S., Wang, S., Neeki, M. M. Emergent inpatient administration of casirivimab and imdevimab antibody cocktail for the treatment of COVID-19 pneumonia. Cureus. 13 (5), 15280 (2021).
- O’Brien, M. P., et al. Subcutaneous REGEN-COV antibody combination in early SARS-CoV-2 infection. medRxiv. , (2021).
- Beigel, J. H., et al. Remdesivir for the treatment of Covid-19 – Final report. New England Journal of Medicine. 383 (19), 1813-1826 (2020).
- Li, L., et al. Effect of convalescent plasma therapy on time to clinical improvement in patients with severe and life-threatening COVID-19: A randomized clinical trial. Journal of the American Medical Association. 324 (5), 460-470 (2020).
- Polack, F. P., et al. Safety and efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 vaccine. New England Journal of Medicine. 383 (27), 2603-2615 (2020).
- Oliver, S. E., et al. The advisory committee on immunization practices’ interim recommendation for use of Pfizer-BioNTech COVID-19 vaccine – United States, December 2020. Morbidity and Mortality Weekly Report. 69 (50), 1922-1924 (2020).
- Oliver, S. E., et al. The advisory committee on immunization practices’ interim recommendation for use of Janssen COVID-19 vaccine – United States, February 2021. Morbidity and Mortality Weekly Report. 70 (9), 329-332 (2021).
- Zhao, H., et al. Emission spectra of bioluminescent reporters and interaction with mammalian tissue determine the sensitivity of detection in vivo. Journal of Biomedical Optics. 10 (4), 41210 (2005).
- Shaner, N. C., Steinbach, P. A., Tsien, R. Y. A guide to choosing fluorescent proteins. Nature Methods. 2 (12), 905-909 (2005).
- Nogales, A., et al. A novel fluorescent and bioluminescent bireporter Influenza A Virus to evaluate viral infections. Journal of Virology. 93 (10), 00032 (2019).
- Nogales, A., et al. Replication-competent fluorescent-expressing influenza B virus. Virus Research. 213, 69-81 (2016).
- Welsh, D. K., Noguchi, T. Cellular bioluminescence imaging. Cold Spring Harbor Protocols. 2012 (8), (2012).
- Tran, V., Moser, L. A., Poole, D. S., Mehle, A. Highly sensitive real-time in vivo imaging of an influenza reporter virus reveals dynamics of replication and spread. Journal of Virology. 87 (24), 13321-13329 (2013).
- Schoggins, J. W., et al. Dengue reporter viruses reveal viral dynamics in interferon receptor-deficient mice and sensitivity to interferon effectors in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (36), 14610-14615 (2012).
- Luker, G. D., et al. Noninvasive bioluminescence imaging of herpes simplex virus type 1 infection and therapy in living mice. Journal of Virology. 76 (23), 12149-12161 (2002).
- Li, X., et al. Development of a rapid antiviral screening assay based on eGFP reporter virus of Mayaro virus. Antiviral Research. 168, 82-90 (2019).
- Kirui, J., Freed, E. O. Generation and validation of a highly sensitive bioluminescent HIV-1 reporter vector that simplifies measurement of virus release. Retrovirology. 17 (1), 12 (2020).
- Shang, B., et al. Development and characterization of a stable eGFP enterovirus 71 for antiviral screening. Antiviral Research. 97 (2), 198-205 (2013).
- Zou, G., Xu, H. Y., Qing, M., Wang, Q. Y., Shi, P. Y. Development and characterization of a stable luciferase dengue virus for high-throughput screening. Antiviral Research. 91 (1), 11-19 (2011).
- Ye, C., et al. Rescue of SARS-CoV-2 from a single bacterial artificial chromosome. mBio. 11 (5), 02168 (2020).
- Avila-Perez, G., Park, J. G., Nogales, A., Almazan, F., Martinez-Sobrido, L. Rescue of recombinant Zika virus from a bacterial artificial chromosome cDNA clone. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (148), e59537 (2019).
- Chiem, K., et al. A bifluorescent-based assay for the identification of neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 variants of concern in vitro and in vivo. Journal of Virology. , (2021).
- Committee for the update of the guide for the care and use of laboratory animals., Institute for laboratory animal research (U.S) & National Academies Press (U.S.). Guide for the care and use of laboratory animals. 8th edn. National Research Council (US). , (2011).
- Ye, C., et al. Analysis of SARS-CoV-2 infection dynamic in vivo using reporter-expressing viruses. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 118 (41), (2021).
