眼见为实:NanoLuc®荧光素酶如何照亮病毒感染

艺术家用NanoLuc荧光素酶解释了病毒感染小鼠的体内成像。

研究科学家Pradeep Uchil和博士后研究员Irfan Ullah身穿蓝色手术服,头戴白色口罩,将一只麻醉小鼠带到实验室的成像单元。两天前,这只老鼠感染了一种SARS-CoV-2病毒,这种病毒被设计成产生一种生物发光蛋白。注入生物发光基质后,老鼠的鼻腔和胸部开始发出蓝光,成像装置的摄像头和Uchil的眼睛都能看到。

“我们从未能在逆转录病毒感染中看到这种信号。”乌奇尔是耶鲁大学医学院的一名研究科学家,他的工作重点是逆转录病毒感染的体内成像。正常情况下,老鼠必须被处死,然后“打开”,让来自内部组织的病毒生物发光信号直接成像。

然而,SARS-CoV-2复制活跃,产生了足够的生物发光报告蛋白,可以通过小鼠的身体看到病毒活体成像。在不需要解剖的情况下,Uchil和他的团队可以日复一日地给同一只老鼠拍照,观察蓝色的光芒扩散到小鼠的肺部。第六天,光线到达大脑,老鼠死亡。

最近发表于免疫力本研究描述了第一个用于研究需要生物安全3级预防措施的呼吸道病原体的生物发光平台,在本例中是SARS-CoV-2病毒。通过在活体动物模型上追踪SARS-CoV-2感染的整个过程,研究小组还能够“观察”各种治疗方法,特别是中和抗体治疗,是如何抑制感染的。

两项关键技术使这种病毒在体内成像工作成为可能:小而稳定生物荧光记者配备了影像报告信号的BSL-3实验室。

乌奇尔说:“众所周知,病毒会把你想插入的记者赶出去。”RNA病毒“不想在它们的基因组中保留外源性基因,因为它们已经运行得非常严格了。”

但NanoLuc®荧光素酶的报告基因足够小,可以维持在SARS-CoV-2基因组中,用于多轮病毒复制。

“NLuc改变了我们的游戏,因为它太小了,”Uchil说。

让病毒发光只是挑战的一部分。拥有测量生物发光的仪器,同时也放置在实验室中,这是一种罕见的能力。对于这项研究的作者来说,这个专门的实验室空间来自于Uchil工作的Walther Mothes实验室和耶鲁大学的同事之间的长期合作。

“除非我们有这种水平的仪器,否则我们无法梦想进行这样的研究,”普里蒂·库马尔(Priti Kumar)说。“这是我们在耶鲁大学通过团队合作取得的成就。”库马尔是SARS-CoV-2生物发光研究的主要作者之一,也是耶鲁大学医学院内科、传染病和微生物发病机制副教授。

在BSL-3条件下工作“需要非常高的技术水平、勤奋和纪律。了解手头工作的复杂性和所有为此做出贡献的人是很重要的,”库马尔说。

作为人源小鼠模型中HIV发病机制的领先专家,Kumar的研究重点是开发RNA病毒引起的疾病的治疗方法。与Uchil和Mothes等病毒活体成像专家的长期合作,为快速转向这一SARS-CoV-2研究提供了所需的基础设施和知识。

SARS-CoV-2生物荧光研究的一项基础性研究采用了与HIV-1研究类似的方法,HIV-1是导致人类感染艾滋病毒的病毒。2019年,Kumar、Uchil和Mothes及其合作者,报道了一项研究,他们设计了一种HIV-1病毒携带一种NanoLuc®荧光素酶报告基因. 他们使用这种工程病毒来观察接受抗逆转录病毒治疗的人源化小鼠的艾滋病毒感染情况——这是目前治疗艾滋病毒患者的标准。

“能够精确定位病毒隐藏的位置,就能让黑暗中的一击变成精确的打击。”

Priti库马尔

由于病毒基因组无法容纳其组成中的外来基因,开发仍然具有传染性的报告表达HIV-1是一个真正的挑战。对于该团队来说,NanoLuc®Luciferease是革命性的:NLuc报告的HIV-1可以感染小鼠并引起与人类感染类似的致病效应,在活小鼠模型中,生物发光可以在几天到几个月的时间内测量。

SARS-CoV-2感染类似于对宿主的“加力攻击”,而HIV-1则更像一个潜伏者,渗透到宿主体内,等待在关键时刻发动攻击:现有的艾滋病毒治疗方法可以阻止宿主体内HIV-1的复制,但当这些治疗停止时,复制会反弹,症状会再次出现。

“你永远也摆脱不了病毒。它在被感染的细胞中变成了遗传物质。“关键问题是,你永远无法区分体内哪些细胞被感染了。没有生物标记来区分这些潜在的感染细胞。”

在2019年的研究中,该团队能够使用NLuc reporter HIV-1来可视化人源化小鼠模型中的感染、潜伏期和反弹周期,并确定反弹发生在哪些组织中。库马尔认为,了解HIV-1反弹的部位可以为针对这些部位的治疗打开大门。

库马尔说:“能够精确定位病毒隐藏的位置,将在黑暗中射击转化为精确打击,这是一个全新的视角。”。

“眼见为实,”乌奇尔说。

Kumar和Uchil的团队继续研究病毒体内成像和研究病毒感染,他们的目标之一是在其他细胞类型中加入互补的生物发光报告器,这样他们就可以在病毒感染和复制的同时跟踪其他细胞过程。

Uchil说:“整个领域的下一个前沿是,除了病毒复制之外,还要监测免疫反应。”。

乌奇尔和库马尔的工作的基础是,他们希望他们的研究将导致病毒疾病的治疗。COVID-19大流行带来的痛苦加剧了这些目标。

乌奇尔说:“这感觉就像我们生命中的第一个时刻,如果我们利用我们在艾滋病毒和其他逆转录病毒方面获得的专业知识做些事情,我们可以在自己的有生之年看到我们的工作的应用。”

“希望”的照片,生命的长生不老药。经普里蒂·库马尔(Priti Kumar)许可转载,普里蒂·库马尔是参与体内成像研究的研究人员之一。
©2021普里蒂·库马尔。“希望”,生命的长生不老药。经Priti Kumar许可转载。

在实验室之外,库马尔还利用她的艺术技能处理疫情期间的生活和工作经验。在一幅受毕加索启发的扭曲的画作中格尔尼卡还有Lichtenstein医生的脸沃尔德曼博士库马尔记录了过去18个月的痛苦和悲伤。但在痛苦的画面中,库马尔也描绘了一个充满希望的愿景:

拿着彩虹疫苗的天使


我们在Promega庆祝生物发光技术诞生30周年. 了解更多有关NanoLuc®荧光素酶和其他生物发光系统如何实现创新和发现的信息。

以下两个选项卡更改以下内容。
Jordan是Promega Corporation的科学作家。她在威斯康星大学麦迪逊分校获得化学博士学位,并作为AAAS大众媒体研究员在密尔沃基哨兵杂志担任科学记者。乔丹喜欢阅读,总是在寻找推荐的书。在业余时间,乔丹还喜欢编织、远足和园艺。

Jordan Nutting的最新帖子见识

留下一个回复

该网站使用Akismet来减少垃圾邮件。了解如何处理您的评论数据