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Immunologia e infezioni

Live-Bildgebung und Quantifizierung von Virusinfektionen in transgenen K18-hACE2-Mäusen mit Reporter-exprimierendem rekombinantem SARS-CoV-2

Published: November 05, 2021
doi:
10.3791/63127
, , , , ,
1Texas Biomedical Research Institute

Summary

Dieses Protokoll beschreibt die Dynamik von Virusinfektionen unter Verwendung von Luciferase- und Fluoreszenz-exprimierenden rekombinanten (r)SARS-CoV-2 und einem in vivo Bildgebungssystem (IVIS) in transgenen K18 hACE2-Mäusen, um den Bedarf an sekundären Ansätzen zu überwinden, die zur Untersuchung von SARS-CoV-2-Infektionen in vivo erforderlich sind.

Abstract

Die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) Pandemie wurde durch das schwere akute Atemwegssyndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursacht. Bis heute war SARS-CoV-2 weltweit für über 242 Millionen Infektionen und mehr als 4,9 Millionen Todesfälle verantwortlich. Ähnlich wie bei anderen Viren erfordert die Untersuchung von SARS-CoV-2 die Verwendung experimenteller Methoden, um das Vorhandensein von Viren in infizierten Zellen und / oder in Tiermodellen nachzuweisen. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben wir replikationskompetente rekombinante (r)SARS-CoV-2 erzeugt, die biolumineszierende (Nanoluciferase, Nluc) oder fluoreszierende (Venus) Proteine exprimiert. Diese Reporter-exprimierenden rSARS-CoV-2 ermöglichen die Verfolgung von Virusinfektionen in vitro und in vivo basierend auf der Expression von Nluc- und Venus-Reportergenen. Hier beschreibt die Studie die Verwendung von rSARS-CoV-2/Nluc und rSARS-CoV-2/Venus zum Nachweis und zur Verfolgung einer SARS-CoV-2-Infektion im zuvor beschriebenen transgenen K18-Modell der Infektion mit humanem Angiotensin-Converting-Enzym 2 (hACE2) unter Verwendung von In-vivo-Bildgebungssystemen (IVIS). Diese rSARS-CoV-2/Nluc und rSARS-CoV-2/Venus zeigen rSARS-CoV-2/WT-ähnliche Pathogenität und virale Replikation in vivo. Wichtig ist, dass die Nluc- und Venusexpression es uns ermöglicht, Virusinfektionen in vivo und ex vivo bei infizierten Mäusen direkt zu verfolgen. Diese rSARS-CoV-2/Nluc und rSARS-CoV-2/Venus stellen eine ausgezeichnete Option dar, um die Biologie von SARS-CoV-2 in vivo zu untersuchen, Virusinfektionen und assoziierte COVID-19-Erkrankungen zu verstehen und wirksame prophylaktische und/oder therapeutische Behandlungen zur Bekämpfung der SARS-CoV-2-Infektion zu identifizieren.

Introduction

Das Severe Acute RespiratorySyndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ist ein umhülltes, positiv-sense, einzelsträngiges RNA-Virus, das zur Betacoronavirus-Linie in der Familie der Coronaviridae 1 gehört. Diese virale Familie ist in Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Coronavirus1 unterteilt. Alpha- und Betacoronaviren infizieren hauptsächlich Säugetiere, während Gamma- und Deltacoronaviren fast ausschließlich Vögel infizieren2. Bisher haben sieben Coronaviren (CoV) Artenbarrieren überschritten und sind als humane Coronaviren (HCoV) entstanden: zwei Alpha-CoVs (HCoV-229E und HCoV-NL63) und fünf Beta-CoVs (HCoV-OC43, HCoV-HKU1, SARS-CoV, Middle East respiratory syndrome coronavirus [MERS-CoV] und SARS-CoV-2)3,4,5,6. SARS-CoV, MERS-CoV und SARS-CoV-2 sind hochpathogen und verursachen eine schwere Infektion der unteren Atemwege7. Vor der Entstehung von SARS-CoV-2 gab es zwei durch CoVs verursachte epidemische Ausbrüche: SARS-CoV in Guangdong Providence, China, von 2002-2003, mit einer Todesfallrate (CFR) von etwa 9,7%; und MERS-CoV im Nahen Osten von 2012 bis heute, mit einem CFR von etwa 34%7,8. SARS-CoV-2 hat einen Gesamt-CFR zwischen 3,4% und 49%, wobei die zugrunde liegenden Bedingungen zu einem höheren CFRvon 8,9 beitragen. Seit seiner Entdeckung im Dezember 2019 in Wuhan, China, ist SARS-CoV-2 für über 242 Millionen Infektionen beim Menschen und mehr als 4,9 Millionen Todesfälle bei Menschen weltweitverantwortlich 7,10,11,12. Insbesondere seit Ende 2020 haben neue SARS-CoV-2-Varianten der Besorgnis (VoC) und Varianten von Interesse (VoI) die Virusmerkmale, einschließlich Übertragung und Antigenität 9,13, und die allgemeine Richtung der COVID-19-Pandemie beeinflusst. Für die Behandlung von SARS-CoV-2-Infektionen gibt es derzeit nur eine US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) therapeutisches antivirales (Remdesivir) und ein Emergency Use Authorization (EUA) Medikament (Baricitinib, in Kombination mit Remdesivir zu verabreichen)14. Es gibt auch 6 zugelassene monoklonale EUA-Antikörper: REGEN-COV (Casirivimab und Imdevimab, zusammen verabreicht), Sotrovimab, Tocilizumab und Bamlanivimab und Etesevimab, die zusammenverabreicht werden 15,16,17,18,19. Derzeit gibt es nur einen von der FDA zugelassenen prophylaktischen Impfstoff, Pfizer-BioNTech, und zwei weitere prophylaktische Impfstoffe (Moderna und Janssen) wurdenvon der EUA zugelassen 20,21,22,23,24. Mit der unkontrollierten Infektionsrate und dem Aufkommen von VoC und VoI stellt SARS-CoV-2 jedoch immer noch eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar. Daher sind dringend neue Ansätze erforderlich, um effiziente Prophylaxe- und Therapeutika zur Kontrolle der SARS-CoV-2-Infektion und der noch anhaltenden COVID-19-Pandemie zu identifizieren.

Die Untersuchung von SARS-CoV-2 erfordert aufwändige Techniken und sekundäre Ansätze, um das Vorhandensein des Virus in infizierten Zellen und/oder validierten Tiermodellen der Infektion zu identifizieren. Die Verwendung der umgekehrten Genetik hat es ermöglicht, rekombinante Viren zu erzeugen, um wichtige Fragen in der Biologie von Virusinfektionen zu beantworten. Zum Beispiel haben Techniken der umgekehrten Genetik Mittel zur Verfügung gestellt, um die Mechanismen von Virusinfektionen, Pathogenese und Krankheiten aufzudecken und zu verstehen. Ebenso haben Ansätze der Reverse Genetik den Weg geebnet, rekombinante Viren ohne virale Proteine zu entwickeln, um ihren Beitrag zur viralen Pathogenese zu verstehen. Darüber hinaus wurden Techniken der Umkehrgenetik eingesetzt, um rekombinante Viren zu erzeugen, die Reportergene für In-vitro- und In-vivo-Anwendungen exprimieren, einschließlich der Identifizierung prophylaktischer und/oder therapeutischer Ansätze zur Behandlung von Virusinfektionen. Fluoreszierende und biolumineszierende Proteine sind aufgrund ihrer Empfindlichkeit, Stabilität und einfachen Detektion aufgrund der Verbesserung neuer Technologien die am häufigsten verwendeten Reportergene25,26. In vitro hat sich gezeigt, dass fluoreszierende Proteine als bessere Option für die Lokalisierung von Viren in infizierten Zellen dienen, während Luciferasen für Quantifizierungsstudien bequemer sind27,28,29. In vivo werden Luciferasen gegenüber fluoreszierenden Proteinen für die Bildgebung ganzer Tiere bevorzugt, während fluoreszierende Proteine für die Identifizierung infizierter Zellen oder Ex-vivo-Bildgebung 30,31,32 bevorzugt werden. Die Verwendung von Reporter-exprimierenden rekombinanten Viren hat in vielen Familien als leistungsfähiges Werkzeug für die Untersuchung von Viren gedient, darunter Flaviviren, Enteroviren, Alphaviren, Lentiviren, Arenaviren und Influenzaviren 28,33,34,35,36.

Um den Bedarf an sekundären Ansätzen zur Untersuchung von SARS-CoV-2 und zur Charakterisierung der Echtzeit-SARS-CoV-2-Infektion in vivo zu überwinden, haben wir replikationskompetente rekombinante (r)SARS-CoV-2-Proteine erzeugt, die biolumineszierende (Nanoluciferase, Nluc) oder fluoreszierende (Venus) Proteine unter Verwendung unserer zuvor beschriebenen bakteriellen künstlichen Chromosomen (BAC) -basierten umgekehrten Genetik exprimieren, die als eine einzige Kopie in E. coli beibehalten werden. um die Toxizität von Virussequenzen während ihrer Ausbreitung in Bakterienzu minimieren 37,38. Insbesondere rSARS-CoV-2/Nluc und rSARS-CoV-2/Venus zeigten in vivo eine rSARS-CoV-2/WT-ähnliche Pathogenität. Die hohe Venusexpression von rSARS-CoV-2/Venus ermöglichte den Nachweis einer Virusinfektion in der Lunge infizierter transgener K18 hACE2-Mäuse mit einem In-vivo-Bildgebungssystem (IVIS)39. Die Spiegel der Venusexpression korrelierten gut mit viralen Titern, die in der Lunge nachgewiesen wurden, was die Machbarkeit der Verwendung der Venusexpression als gültiger Ersatz der SARS-CoV-2-Infektion zeigt. Mit rSARS-CoV-2/Nluc konnten wir die Dynamik der Virusinfektion in Echtzeit verfolgen und die SARS-CoV-2-Infektion in vivo mit dem gleichen IVIS-Ansatz bei transgenen K18-hACE2-Mäusen longitudinal bewerten.

Protocol

Protokolle mit transgenen K18-hACE2-Mäusen wurden vom Institutional Biosafety Committee (IBC) des Texas Biomedical Research Institute (TBRI) und dem Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) genehmigt. Alle Experimente folgen den Empfehlungen im Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Versuchstieren des Nationalen Forschungsrats40. Bei der Arbeit mit Mäusen ist die entsprechende persönliche Schutzausrüstung (PSA) erforderlich. 1. Verwendung von …

Representative Results

rSARS-CoV-2/Nluc-Infektion in transgenen K18-hACE2-Mäusen (Abbildungen 1 und 2)Abbildung 1A zeigt eine schematische Darstellung des rSARS-CoV-2/WT (oben) und rSARS-CoV-2/Nluc (unten), das zur Beurteilung von Infektionen in vivo verwendet wird. Abbildung 1B zeigt das schematische Flussdiagramm, das zur Bewertung der rSARS-CoV-2/Nluc-Infektionsdynamik in transgenen K18-hACE2-Mäusen ange…

Discussion

Dieses Protokoll demonstriert die Machbarkeit der Verwendung dieser rSARS-CoV-2-exprimierenden Reportergene zur Überwachung von Virusinfektionen in vivo. Beide Reporter-exprimierenden rekombinanten Viren bieten ein hervorragendes Werkzeug für die Untersuchung von SARS-CoV-2-Infektionen in vivo. Die beschriebenen ex vivo (rSARS-CoV-2/Venus) und in vivo (rSARS-CoV-2/Nluc) Bildgebungssysteme stellen eine ausgezeichnete Option dar, um die Dynamik der SARS-CoV-2-Infektion, der viralen Pat…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir möchten den Mitgliedern unseres Instituts (Texas Biomedical Research Institute) für ihre Bemühungen danken, unsere Einrichtungen während der COVID-19-Pandemie voll funktionsfähig und sicher zu halten. Wir möchten uns auch bei unserem Institutional Biosafety Committee (IBC) und Spell (IACUC) für die zeiteffiziente Überprüfung unserer Protokolle bedanken. Wir danken Dr. Thomas Moran von der Icahn School of Medicine am Mount Sinai für die Bereitstellung des monoklonalen SARS-CoV-Kreuzreaktiv-1C7C7-Nukleokapsids (N)-Protein-Antikörpers. Die SARS-CoV-2-Forschung im Martinez-Sobrido-Labor wird derzeit durch die NIAID/NIH-Zuschüsse RO1AI161363-01, RO1AI161175-01A1 und R43AI165089-01 unterstützt; das Verteidigungsministerium (DoD) gewährt W81XWH2110095 und W81XWH2110103; die San Antonio Partnership for Precision Therapeutic; das Texas Biomedical Research Institute Forum; das Health Science Center der University of Texas in San Antonio; die San Antonio Medical Foundation; und vom Center for Research on Influenza Pathogenesis and Transmission (CRIPT), einem NIAID-finanzierten Exzellenzzentrum für Influenza-Forschung und -Reaktion (CEIRR, Vertrag # 75N93021C00014).

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
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Riferimenti

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Morales Vasquez, D., Chiem, K., Silvas, J., Park, J., Ye, C., Martínez-Sobrido, L. Live Imaging and Quantification of Viral Infection in K18 hACE2 Transgenic Mice Using Reporter-Expressing Recombinant SARS-CoV-2. J. Vis. Exp. (177), e63127, doi:10.3791/63127 (2021).
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