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宾州州立大学新闻

通过评估抗病毒药物在成千上万个单细胞中的作用来增强药物发现的能力

一个增强的微流控设备可以让研究人员同时观察到数千个被病毒感染的细胞。这个装置的特写显示了18个孔,每个孔包含一个单元

大学公园,爸爸。芯片上的实验室设备有了新的改进,研究人员可以同时观察数千个感染病毒的单个细胞,提供有关感染动态的重要信息,这是传统方法无法提供的。

来自宾夕法尼亚州立大学德克萨斯大学奥斯汀分校的一组研究人员对他们开发的一个较老版本的微流体设备进行了改进,极大地增加了一次可以观察到的单个细胞的数量,使这种历来费力的单细胞方法成为药物筛选的可行方法。10月30日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志网络版上的一篇描述该装置的论文,也提供了抗病毒药物如何工作以及病毒是否可能产生耐药性的洞见。

“传统方法来研究一个抗病毒感染细胞的影响关注人口很多感染细胞,”克雷格·卡梅伦说,教授和持有人希伯家族的椅子在宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学的研究和论文的资深作者。

“当你将一种特定剂量的抗病毒药物应用于人群时,你可以看到有多少受感染的细胞被杀死,或抗病毒药物的疗效。但单个细胞对药物的反应可能不同,这可能对感染结果和耐药性有重要影响。我们之前开发了一种研究单个感染细胞的方法,现在我们采用了这种技术,使我们可以同时研究的单个细胞数量增加了10倍。”

该团队使用了一种微流控设备——一种蚀刻有微小通道的芯片——大约有5700个独立的孔,每个孔都可以填满单个的受感染细胞。他们的第一代装置依靠的是一种方法,这种方法使大多数井都是空的。现在,该团队已经开发了一种物理陷阱,他们将其整合到设备的一个层中,从而提高了占用率,现在他们可以填满大约90%的井。

“其他人试图研究单细胞感染,但他们必须手动将细胞添加到96孔或384孔的培养皿中,”吴刘(音)说。“这既乏味又耗时。利用我们的捕集器和微流体装置,我们一次可以观察到5000多个单细胞。”

为了测试更新的设备,研究小组用一种产生绿色荧光蛋白的改良版脊髓灰质炎病毒感染细胞,并监测随着病毒在细胞内复制而增加的荧光量。他们还将三种抗病毒化合物中的一种应用于受感染的细胞。这些化合物被认为是有效的治疗病毒感染和通过不同的机制,针对病毒或宿主的不同部分,以防止病毒复制。

研究小组测量了描述感染过程的5个参数——包括病毒何时开始复制,复制的速度有多快,以及病毒生长的最大数量——这5个参数共同提供了抗病毒化合物效果的特征。这三种化合物都有不同的特征,这支持了具有不同特征的化合物可能以不同的方式运作的观点。将一种化合物的特征与已知药物的特征进行比较,可能有助于缩小药物的靶标范围——基于人群的研究需要大量的后续研究。

“在药物研发过程中,我们可能会创造出许多不同的化合物,它们在结构上类似于一种有前途的抗病毒候选药物,”Cameron说。“现在,通过比较签名,我们可以确定这些类似物是否作用于相同的靶点,并将它们与已知的安全药物进行比较。”

使用该设备,研究人员还可以判断病毒种群中的特定成员是否容易受到治疗,以及治疗在病毒生命周期的哪个阶段起作用。例如,有一类药物似乎针对病毒种群中最强壮的成员,这降低了病毒对治疗产生耐药性的可能性。

“这种单细胞方法对于研究抗病毒药物的组合也可能是有用的,因为我们现在看到的效果不仅仅是杀死的总数,”Cameron说。例如,一种药物组合可能会减慢病毒复制的速度,这可能会给宿主的免疫系统时间来清除感染。从人口分析中是看不到这一点的。”

因为它们能迅速提供如此多的信息,研究小组希望单细胞方法能补充,甚至取代早期候选药物的筛选。该方法也可用于筛选任何疾病的药物,只要存在一种基于细胞的检测方法来监测荧光的变化。

“这款设备目前制造起来很有挑战性,”卡梅伦说,“所以我们正在努力让它更容易使用,这样任何人都可以使用它。”

除了现在在北卡罗莱纳大学的卡梅隆和现在在卡内基梅隆大学的刘,研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的博士后学生安德鲁·伍德曼;杰米·阿诺德,宾州州立大学的高级研究员,现在在北卡罗莱纳大学;和张明茂,化学工程研究生在研究时,现在在细胞芯片公司;以及德克萨斯大学奥斯汀分校的梅米特·卡格拉和克劳斯·沃克。这项研究由美国国家过敏和传染病研究所、美国国立卫生研究院和美国心脏协会资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.psu.edu/story/586169/2019/10/30/research/empowering-drug-discovery-evaluating-antivirals-thousands-single