通過評估成千上萬個單細胞中的抗病毒劑來增強藥物開發(fā)的能力

片上實驗室設(shè)備的一項新增強功能使研究人員可以同時觀察數(shù)千個感染了病毒的單個細胞，從而提供了使用傳統(tǒng)方法無法獲得的有關(guān)感染動態(tài)的重要信息。

來自賓夕法尼亞州立大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一組研究人員增強了他們開發(fā)的舊版本微流控設(shè)備，極大地增加了一次可以觀察到的單個細胞的數(shù)量，并使這種歷來費力的單細胞方法可行用于藥物篩選。描述該設(shè)備的論文還提供了有關(guān)抗病毒藥的作用以及病毒是否可能產(chǎn)生抗藥性的見解，該論文于2019年10月30日在線發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上。

“研究抗病毒藥物對感染細胞的影響的傳統(tǒng)方法集中在許多感染細胞的群體上，”賓州州立大學(xué)生物化學(xué)和分子生物學(xué)艾伯利家族講座教授兼持有人克雷格·卡梅倫說。該論文的高級作者。

“當您以特定劑量向人群施用抗病毒藥物時，您會看到殺死了多少感染細胞，或者抗病毒藥物的功效。但是單個細胞對藥物的反應(yīng)可能不同，這可能對感染結(jié)果和耐藥性。我們以前開發(fā)了一種研究單個感染細胞的方法，在這里我們對這項技術(shù)進行了改進，使一次可以研究的單細胞數(shù)量增加了十倍。”

該團隊使用一種微流控設(shè)備-一種通過微細通道蝕刻的芯片-擁有約5700個單獨的孔，每個孔可以充滿單個感染細胞。他們的第一代設(shè)備依靠的是使大多數(shù)井為空的方法?，F(xiàn)在，該團隊開發(fā)了一種物理疏水閥，將其集成到設(shè)備的一層中，從而提高了占用率，因此它們現(xiàn)在可以填充約90%的井。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的博士后研究員，研究人員在開發(fā)該捕集阱時說：“其他人試圖研究單個細胞中的感染，但是他們必須手動將細胞添加到96孔或384孔板中。” 。“這是乏味且耗時的。借助我們的捕集阱和微流體裝置，我們可以一次觀察5000多個單細胞。”

為了測試更新的設(shè)備，研究小組用脊髓灰質(zhì)炎病毒的改良版本感染了細胞，該病毒產(chǎn)生綠色熒光蛋白，并監(jiān)測熒光量，隨著病毒在細胞中的復(fù)制，熒光量隨著時間的增加而增加。他們還將三種抗病毒化合物之一應(yīng)用于感染的細胞。已知這些化合物可有效治療病毒感染，并通過不同的機制起作用，以病毒或宿主的不同部分為目標，以防止病毒復(fù)制。

研究團隊測量了五個參數(shù)來描述感染的過程，包括病毒何時開始復(fù)制，病毒復(fù)制的速度以及最大的病毒生長量，這些參數(shù)共同提供了抗病毒化合物作用的標志。三種化合物中的每一種都有不同的特征，這支持具有不同特征的化合物可能以不同方式起作用的觀點。將化合物的簽名與已知藥物的簽名進行比較，可以幫助縮小藥物的靶標-在基于人群的研究之后，需要大量后續(xù)研究的信息。

卡梅倫說：“在藥物開發(fā)過程中，我們可能會創(chuàng)造出許多與有希望的抗病毒藥物候選物結(jié)構(gòu)相似的不同化合物。” “現(xiàn)在，通過比較特征，我們可以確定這些類似物是否作用于相同的靶標，并將它們與已知安全的藥物進行比較。”

使用該設(shè)備，研究人員還可以判斷病毒種群中的特定成員是否容易受到治療以及治療在病毒生命周期的哪個階段起作用。例如，一類藥物似乎針對病毒種群中最強的成員，這降低了病毒對治療產(chǎn)生抗藥性的可能性。

卡梅倫說：“這種單細胞方法對于研究抗病毒藥的組合也可能是有用的，因為我們現(xiàn)在可以看到除總殺傷量以外的其他作用。” “例如，一種藥物組合可能會減慢病毒復(fù)制的速度，這可能使宿主的免疫系統(tǒng)有時間清除感染。從人群分析中看不到這一點。”

由于他們可以迅速提供如此多的信息，因此研究小組希望單細胞方法將補充，甚至取代早期的候選藥物篩選。該方法還可以用于篩選藥物，以發(fā)現(xiàn)存在任何監(jiān)測熒光變化的基于細胞的測定的疾病。

卡梅倫說：“該設(shè)備目前制造難度很大，因此我們正在努力使它更易于使用，以便任何人都可以使用。”