Microfluidics hjælper ingeniører med at se virusinfektion i realtid

En virus binder sig til en celle, plukker låsen og går ind, tager derefter kontrol over den genetiske produktion og pumper mange versioner af sig selv ud, der eksploderer ud gennem cellevæggen.

Få dine popcorn. Ingeniører og virologer har en ny måde at se virusinfektion gå ned på.

Teknikken bruger mikrofluidik - submillimeterkontrol af væsker inden for en præcis, geometrisk struktur. På hvad der dybest set er et narret mikroskopobjektglas, kemiske ingeniører fra Michigan Technological University har været i stand til at manipulere vira i en mikrofluidisk enhed ved hjælp af elektriske felter. Studiet, udgivet denne sommer i Langmuir , ser på ændringer i cellemembranen og giver forskerne en klarere idé om, hvordan antivirale midler virker i en celle for at stoppe spredningen af ​​infektion.

Viral infektion starter med capsid

Virus bærer rundt på en ydre skal af proteiner kaldet en capsid. Proteinerne virker som et låsehak, fastgøres til og lirke op i en celles membran. Virussen kaprer derefter cellens indre funktion, tvinger den til at masseproducere virussens genetiske materiale og konstruere mange, mange virale replikaer. Meget ligesom popcornkerner, der skubber låget af en overfyldt gryde, de nye vira eksploderer gennem cellevæggen. Og cyklussen fortsætter med flere viruslockpicks på fri fod.

"Når du ser på traditionelle teknikker - fluorescerende mærkning for forskellige stadier, billeddannelse, kontrol af levedygtighed - pointen er at vide, hvornår membranen er kompromitteret, " sagde Adrienne Minerick, studie medforfatter, dekan ved College of Computing og professor i kemiteknik. "Problemet er, at disse teknikker er et indirekte mål. Vores værktøjer ser på afgiftsfordeling, så det er stærkt fokuseret på, hvad der sker mellem cellemembranen og virusoverfladen. Vi opdagede med større opløsning, hvornår virussen rent faktisk går ind i cellen."

Dielektroforese:ladet samtale

At se den virale infektionscyklus og overvåge dens stadier er afgørende for at udvikle nye antivirale lægemidler og få en bedre forståelse af, hvordan en virus spredes. Dielektroforese sker, når polariserbare celler bliver skubbet rundt i et uensartet elektrisk felt. Bevægelsen af ​​disse celler er praktisk til diagnosticering af sygdomme, blodtypebestemmelse, studerer kræft og mange andre biomedicinske applikationer. Når det anvendes til at studere virusinfektion, det er vigtigt at bemærke, at vira har en overfladeladning, så inden for det begrænsede rum i en mikrofluidisk enhed, dielektroforese afslører den elektriske samtale mellem viruskapsiden og proteinerne i en cellemembran.

"Vi undersøgte interaktionen mellem virus og celle i forhold til tid ved hjælp af mikrofluidiske enheder, " sagde Sanaz Habibi, der ledede studiet som doktorand i kemiteknik ved Michigan Tech. "Vi viste, at vi kunne se tidsafhængige virus-celle-interaktioner i det elektriske felt."

At se en virusinfektion ske i realtid er som en krydsning mellem en zombie-gyserfilm, malingtørring og et Bollywood-epos på repeat. Cellerne i den mikrofluidiske enhed danser rundt, skifte til distinkte mønstre med et dielektrisk musiksignal. Der skal være det rigtige forhold mellem virus og celler for at se infektion ske - og det sker ikke hurtigt. Habibis eksperiment kører i 10-timers skift, efter åbningsscenerne af viral tilknytning, et langt mellemspil af indtrængen, og til sidst den tragiske finale, da de nye vira bryder ud, ødelægge cellen i processen.

Før de brister, cellemembraner danner strukturer kaldet blebs, som ændrer det elektriske signal målt i den mikrofluidiske enhed. Det betyder, at dielektroforesemålingerne giver høj opløsning forståelse af de elektriske skift, der sker på overfladen af ​​cellen gennem hele cyklussen.

Indtast osmolytten

Virale infektioner er top of mind lige nu, men ikke alle vira er ens. Mens mikrofluidiske enheder, der bruger dielektroforese, en dag kunne bruges til on-site, hurtig test for virussygdomme som COVID-19, Michigan Tech-teamet fokuserede på en velkendt og nærstuderet virus, porcine parvovirus (PPV), som inficerer nyreceller hos grise.

Men så ønskede holdet at skubbe kappen:De tilføjede osmolytten glycin, en vigtig intervention, som deres samarbejdspartnere studerer i viral overfladekemi og vaccineudvikling.

"Ved at bruge vores system, vi kunne vise tidsafhængig adfærd af virus og cellemembran. Så tilføjede vi osmolytten, som kan fungere som en antiviral forbindelse, " forklarede Habibi. "Vi troede, det ville stoppe interaktionen. I stedet, det så ud til, at interaktionen fortsatte med at ske i starten, men så kunne de nye vira ikke komme ud af cellen."

Det skyldes, at glycin sandsynligvis afbryder den nye capsiddannelse for de replikerede vira i selve cellen. Mens den specifikke del af den virale dans sker bag forhænget af cellevæggen, de dielektriske målinger viser et skift mellem en inficeret cyklus, hvor capsiddannelse sker, og en inficeret celle, hvor capsiddannelsen afbrydes af glycin. Denne forskel i elektrisk ladning indikerer, at glycin forhindrer de nye vira i at danne capsider og forhindrer de potentielle virale lockpickere i at ramme deres mål.

"Når du arbejder med så små partikler og organismer, når du er i stand til at se denne proces ske i realtid, det er givende at spore disse ændringer, " sagde Habibi.

Denne nye opfattelse af interaktionerne mellem viruscapsider og cellemembraner kunne fremskynde testning og karakterisering af vira, fjerne dyr og tidskrævende billedteknologi. Måske i en fremtidig pandemi, der vil være point-of-care, håndholdte enheder til at diagnosticere virusinfektioner, og vi kan håbe, at medicinske laboratorier vil blive udstyret med andre mikrofluidiske enheder, der hurtigt kan screene og afsløre de mest effektive antivirale lægemidler.