Aqui, demonstramos o uso da impedância elétrica baseada em células (CEI) como um método muito fácil e direto para estudar a infecção e replicação do vírus Zika em células humanas em tempo real. Além disso, o ensaio CEI é útil para a avaliação de compostos antivirais.
A tecnologia de impedância elétrica baseada em células (CEI) mede as mudanças na impedância causadas por uma monocamada celular aderente crescente ou manipulada em poços de placa de cultura embutidos com eletrodos. A tecnologia pode ser usada para monitorar as consequências da infecção pelo vírus Zika (ZIKV) e a replicação celular aderente em tempo real, já que esse vírus é altamente citopatogênico. É um ensaio simples que não requer o uso de rótulos ou métodos invasivos e tem o benefício de fornecer dados em tempo real. A cinética da infecção pelo VZIK é altamente dependente da linhagem celular empregada, da cepa viral e da multiplicidade de infecção (MOI), que não podem ser facilmente estudadas com ensaios convencionais de desfecho. Além disso, o ensaio CEI também pode ser usado para a avaliação e caracterização de compostos antivirais, que também podem ter propriedades inibitórias dinâmicas ao longo da infecção. Este artigo de métodos fornece uma explicação detalhada da execução prática do ensaio CEI e suas potenciais aplicações na pesquisa do VZIK e na pesquisa antiviral em geral.
Surtos do vírus Zika (VZIK) estão associados a complicações graves da doença, como microcefaliae síndrome de Guillain-Barré1,2,3. Embora futuras epidemias sejam plausíveis devido a vários fatores de risco, como a disseminação da distribuição do mosquito vetor e o aumento da urbanização, até o momento, nenhuma vacina ou medicamento antiviral chegou ao mercadoaté o momento 3,4. Portanto, os métodos tradicionais de pesquisa do VZIK devem ser complementados com novas ferramentas para estudar este vírus e seus potenciais compostos antivirais. A pesquisa antiviral é frequentemente baseada em ensaios fenotípicos, onde o desfecho é a presença de um parâmetro específico, como o aparecimento de um efeito citopático induzido por vírus (CPE) ou a produção de uma determinada proteína induzida por vírus por meio de um gene repórter 5,6,7. No entanto, esses métodos têm leituras de endpoint, são trabalhosos e podem exigir análises complexas. Portanto, os métodos baseados em impedância oferecem uma alternativa atraente.
A impedância elétrica baseada em células (CEI) é definida como a resistência ao fluxo de corrente de um eletrodo para outro, causada por uma camada celular aderente semeada em poços contendo eletrodos. A tecnologia CEI estabelecida empregada nesta metodologia é o Electric Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS), originalmente desenvolvido por Giaever e Keese 8,9. É utilizado em um amplo campo de domínios de pesquisa biológica, como metástase de câncer, toxicologia e cicatrização de feridas10,11,12. Seu princípio baseia-se em um campo elétrico que é gerado por uma varredura contínua de tensões de corrente alternada (CA) em uma faixa de frequências13. As células são expostas a esses campos elétricos não invasivos e, em intervalos pré-determinados, são medidas as mudanças de impedância causadas pelo crescimento celular ou alterações na aderência ou morfologiacelular14. Além disso, a viabilidade celular alterada também leva a alterações de impedância, tornando a tecnologia uma ferramenta útil para monitorar a infecção por vírus citopatogênicos15,16,17. Como mudanças morfológicas da camada celular serão detectadas na faixa nanométrica, a tecnologia oferece uma ferramenta de detecção altamente sensível. O ensaio CEI descrito neste artigo é um método fácil, não invasivo, em tempo real e livre de rótulos para medir as mudanças de impedância da camada celular ao longo do tempo.
Embora o CEI não tenha sido usado para avaliar o curso da infecção pelo VZIK ou seus potenciais antivirais, seu uso como ferramenta diagnóstica foi investigado antesde 18. Em um estudo recente, o uso do ensaio CEI para determinar a atividade antiviral de vários inibidores do VZIK em células A549 foi validado pela primeira vez19. Este artigo de métodos descreve este ensaio CEI em mais detalhes e expande-o para várias linhagens celulares aderentes, bem como uma variedade de cepas ZIKV em várias multiplicidades de infecção (MOI). Assim, o uso versátil deste método na pesquisa antiviral de flavivírus é demonstrado. O método tem o benefício crucial do monitoramento celular em tempo real, que permite a detecção de pontos de tempo importantes de infecção e a atividade inibidora dinâmica por potenciais compostos antivirais. Em conjunto, a tecnologia CEI oferece uma ferramenta poderosa e valiosa para complementar a gama atual de metodologias antivirais.
Este artigo descreve o uso do ensaio CEI na pesquisa antiviral do ZIKV. O ensaio tem o benefício do monitoramento em tempo real e, portanto, pode ser usado para avaliar a cinética de infecção pelo VZIK e a inibição antiviral com compostos seletivos. Os dados obtidos com este método permitem uma observação objetiva e visual do ECP induzido pelo vírus e da potência de um potencial composto antiviral.
Como o CEI é um método muito sensível, muito cuidado deve ser tomado ao realizar este ensaio celular. É fundamental que a pipetagem precisa seja realizada para evitar ao máximo a variação da pipetagem. Além disso, outros fatores que podem influenciar os resultados experimentais, como o número de células e o estoque viral utilizado, devem ser mantidos constantes entre as repetições do experimento. Esses são fatores que influenciam fortemente a cinética de crescimento celular e infecção e, portanto, podem levar à variação nos valores calculados de CIT50 e/ou outros parâmetros.
Ao realizar o ensaio CEI na presença de compostos antivirais (potenciais), é importante determinar se eles influenciam a impedância das células na ausência de um vírus. A técnica é tão sensível que as alterações de impedância podem ser medidas bem abaixo das concentrações citotóxicas do composto19.
Embora apenas os dados do VZIK sejam mostrados neste artigo, o ensaio pode ser facilmente aplicado a outros vírus citopatogênicos (flavi), com apenas um mínimo esforço de otimização, como a determinação da frequência de monitoramento ideal do CEI. Adaptações do ensaio CEI têm sido empregadas com vários vírus humanos e animais, como chikungunya, influenza A e herpesvírus humano e equino25,26,27,28. Aqui, também é usado como um método simples para a quantificação de títulos virais ou para a identificação de compostos antivirais. Esses estudos utilizaram a análise celular em tempo real, um método alternativo de ICE.
O uso da tecnologia CEI é limitado aos tipos de células aderentes, pois o princípio do ensaio baseia-se nas propriedades das células aderentes para se espalharem pelos poços embutidos no eletrodo. Revestimentos superficiais de poços, como a fibronectina, podem ser usados para melhorar a fixação celular29. A metodologia tem algumas outras desvantagens, a primeira relacionada ao seu custo. Além do investimento no dispositivo de monitoramento CEI e no software que o acompanha, os consumíveis também são um pouco caros. Além disso, como o protocolo requer o monitoramento da infecção viral por vários dias, uma placa de 96 poços por semana pode ser avaliada. Juntamente com o alto custo, isso limita o uso a configurações de baixa a média taxa de transferência.
Devido a esses problemas de rendimento, a tecnologia não é adequada para configurações de triagem antiviral. No entanto, é altamente atraente em fases experimentais iniciais, por exemplo, quando se avalia a suscetibilidade celular para o estudo da infecção pelo VZIK em um determinado cenário relacionado à doença. A tecnologia também é útil com linhagens celulares transfectadas ou nocaute para observar facilmente mudanças na cinética de infecção, por exemplo, na presença ou ausência de certos receptores de entrada. Isso é interessante quando se investiga o envolvimento de fatores celulares na infecção pelo VZIK. Além disso, em fases pré-clínicas posteriores, quando um determinado candidato a chumbo foi selecionado, o ensaio CEI pode ser usado para uma caracterização mais aprofundada de um composto selecionado. Os biossensores CEI também podem ser modificados pela imobilização de certos elementos de biorreconhecimento, como anticorpos vírus-específicos, para a detecção de vírus18. Em conjunto, isso destaca o uso versátil de CEI em um ambiente de virologia.
The authors have nothing to disclose.
Os autores agradecem a Clément Heymann e Gorrit Lootsma pela revisão do manuscrito. O estudo foi apoiado por subsídios internos do Laboratório de Virologia e Quimioterapia (Rega Institute, KU Leuven).
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 |