Här demonstrerar vi användningen av cellbaserad elektrisk impedans (CEI) som en mycket enkel och okomplicerad metod för att studera Zika-virusinfektion och replikation i mänskliga celler i realtid. Dessutom är CEI-analysen användbar för utvärdering av antivirala föreningar.
Cellbaserad elektrisk impedans (CEI) -teknik mäter förändringar i impedans orsakad av ett växande eller manipulerat vidhäftande cellmonolager på odlingsplattbrunnar inbäddade med elektroder. Tekniken kan användas för att övervaka konsekvenserna av zikavirusinfektion (ZIKV) och vidhäftande cellreplikation i realtid, eftersom detta virus är mycket cytopatogent. Det är en enkel analys som inte kräver användning av etiketter eller invasiva metoder och har fördelen att tillhandahålla realtidsdata. Kinetiken för ZIKV-infektion är starkt beroende av den använda cellinjen, virusstammen och infektionsmultipliciteten (MOI), som inte lätt kan studeras med konventionella slutpunktsanalyser. Dessutom kan CEI-analysen också användas för utvärdering och karakterisering av antivirala föreningar, som också kan ha dynamiska hämmande egenskaper under infektionen. Denna metodartikel ger en detaljerad förklaring av det praktiska genomförandet av CEI-analysen och dess potentiella tillämpningar inom ZIKV-forskning och antiviral forskning i allmänhet.
Zikavirus (ZIKV) utbrott är förknippade med allvarliga sjukdomskomplikationer, såsom mikrocefali och Guillain-Barrés syndrom 1,2,3. Även om framtida epidemier är troliga på grund av olika riskfaktorer som spridning av myggvektordistribution och ökad urbanisering, har hittills inget vaccin eller antiviralt läkemedel kommit ut på marknaden ännu 3,4. Därför bör traditionella ZIKV-forskningsmetoder kompletteras med nya verktyg för att studera detta virus och dess potentiella antivirala föreningar. Antiviral forskning baseras ofta på fenotypiska analyser, där slutpunkten är närvaron av en specifik parameter, såsom uppkomsten av en virusinducerad cytopatisk effekt (CPE) eller produktion av ett visst virusinducerat protein med hjälp av en reportergen 5,6,7. Dessa metoder har dock slutpunktsavläsningar, är arbetsintensiva och kan kräva komplex analys. Därför erbjuder impedansbaserade metoder ett attraktivt alternativ.
Cellbaserad elektrisk impedans (CEI) definieras som motståndet mot strömflödet från en elektrod till en annan, orsakad av ett vidhäftande cellskikt sådd på elektrodinnehållande brunnar. Den etablerade CEI-tekniken som används i denna metod är Electric Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS), ursprungligen utvecklad av Giaever och Keese 8,9. Detta används inom ett brett fält av biologiska forskningsområden, såsom cancermetastaser, toxikologi och sårläkning10,11,12. Dess princip bygger på ett elektriskt fält som genereras av en kontinuerlig svepning av växelström (AC) spänningar över ett frekvensområde13. Cellerna utsätts för dessa icke-invasiva elektriska fält, och med förutbestämda intervall mäts impedansförändringarna orsakade av celltillväxt eller förändringar i cellvidhäftning eller morfologi14. Dessutom leder förändrad cellviabilitet också till impedansförändringar, vilket gör tekniken till ett användbart verktyg för att övervaka infektion med cytopatogena virus15,16,17. Eftersom morfologiska förändringar i cellskiktet kommer att detekteras i nanoskala erbjuder tekniken ett mycket känsligt detektionsverktyg. CEI-analysen som beskrivs i denna artikel är en enkel, icke-invasiv, etikettfri metod i realtid för att mäta impedansförändringarna i cellskiktet över tiden.
Även om CEI inte har använts för att utvärdera förloppet av ZIKV-infektion eller dess potentiella antivirala medel, har dess användning som ett diagnostiskt verktyg undersökts före18. I en nyligen genomförd studie validerades användningen av CEI-analysen för att bestämma den antivirala aktiviteten hos flera ZIKV-hämmare i A549-celler för första gången19. Denna metodartikel beskriver denna CEI-analys mer detaljerat och expanderar den till olika vidhäftande cellinjer, liksom en mängd olika ZIKV-stammar vid olika infektionsmultipliciteter (MOI). Härmed demonstreras den mångsidiga användningen av denna metod i flavivirus antiviral forskning. Metoden har den avgörande fördelen av cellövervakning i realtid, vilket möjliggör detektering av viktiga infektionstidpunkter och den dynamiska hämmande aktiviteten av potentiella antivirala föreningar. Sammantaget erbjuder CEI-tekniken ett kraftfullt och värdefullt verktyg för att komplettera det nuvarande utbudet av antivirala metoder.
Denna artikel beskriver användningen av CEI-analysen i ZIKV antiviral forskning. Analysen har fördelen av realtidsövervakning och kan därför användas för att utvärdera kinetiken för ZIKV-infektion och antiviral hämning med selektiva föreningar. De data som erhållits med denna metod möjliggör en objektiv och visuell observation av virusinducerad CPE och styrkan hos en potentiell antiviral förening.
Eftersom CEI är en mycket känslig metod måste stor försiktighet iakttas vid utförandet av denna cellulära analys. Det är viktigt att exakt pipettering utförs för att undvika pipettering variation så mycket som möjligt. Dessutom måste andra faktorer som kan påverka experimentella resultat, såsom cellantal och använt viralt lager, hållas konstant mellan experimentupprepningar. Dessa är faktorer som i hög grad påverkar kinetiken för celltillväxt och infektion och kan därför leda till variation i beräknade CIT50-värden och/eller andra parametrar.
Vid utförande av CEI-analysen i närvaro av (potentiella) antivirala föreningar är det viktigt att bestämma om de påverkar cellernas impedans i frånvaro av ett virus. Tekniken är så känslig att impedansförändringar kan mätas långt under föreningens cytotoxiska koncentrationer19.
Även om endast ZIKV-data visas i den här artikeln kan analysen enkelt tillämpas på andra cytopatogena (flavi) virus, med endast minimal optimeringsinsats, såsom optimal CEI-övervakningsfrekvensbestämning. Anpassningar av CEI-analysen har använts med olika human- och djurvirus, såsom chikungunya, influensa A och humana och hästherpesvirus25,26,27,28. Här används den också som en enkel metod för kvantifiering av virala titrar eller för identifiering av antivirala föreningar. Dessa studier använde realtidscellanalys, en alternativ CEI-metod.
Användningen av CEI-tekniken är begränsad till vidhäftande celltyper, eftersom analysens princip bygger på egenskaperna hos vidhäftande celler för att sprida sig över de elektrodinbäddade brunnarna. Tja ytbeläggningar såsom fibronektin kan användas för att förbättra cellfästning29. Metoden har några andra nackdelar, den första relaterad till dess kostnad. Förutom investeringen i CEI-övervakningsenheten och medföljande hård- och mjukvara är förbrukningsvarorna också något dyra. Vidare, eftersom protokollet kräver övervakning av virusinfektion i flera dagar, kan en 96-brunnsplatta per vecka utvärderas. Tillsammans med den höga kostnaden begränsar detta användningen till inställningar med lågt till medelhögt dataflöde.
På grund av dessa genomströmningsproblem är tekniken olämplig för antivirala screeninginställningar. Det är dock mycket tilltalande i initiala experimentella faser, till exempel vid utvärdering av cellkänslighet för studier av ZIKV-infektion i en viss sjukdomsrelaterad miljö. Tekniken är också användbar med transfekterade eller knockout-cellinjer för att enkelt observera förändringar i infektionskinetik, till exempel i närvaro eller frånvaro av vissa inträdesreceptorer. Detta är intressant när man undersöker involveringen av cellulära faktorer vid ZIKV-infektion. Vidare, i senare prekliniska faser, när en viss huvudkandidat har valts, kan CEI-analysen användas för ytterligare djupgående karakterisering av en vald substans. CEI-biosensorer kan också modifieras genom immobilisering av vissa bioigenkänningselement, såsom virusspecifika antikroppar, för detektion av virus18. Sammantaget belyser detta den mångsidiga användningen av CEI i en virologimiljö.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar Clément Heymann och Gorrit Lootsma för korrekturläsningen av manuskriptet. Studien stöddes av interna bidrag från laboratoriet för virologi och kemoterapi (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 |