Szybkie obrazowanie trójwymiarowe struktur komórkowych zakażonych koronawirusem
Aby zrozumieć, w jaki sposób rozprzestrzeniają się choroby wirusowe, takie jak COVID-19, naukowcy przyjrzeli się strukturze zakażonych wirusem komórek gospodarza. Techniki mikroskopii fluorescencyjnej i elektronowej stosowane do tej pory do wizualizacji struktur trójwymiarowych zainfekowanych komórek są bardzo czasochłonne i generują zbyt dużo danych. Naukowcy wspierani w ramach finansowanych przez UE projektów IndiGene i CoCID dostosowali technikę zwaną pełnoobrotową tomografią rentgenowską wykorzystującą promieniowanie o niskiej energii (ang. soft X-ray tomography, SXT) do wytwarzania wysokiej rozdzielczości trójwymiarowych obrazów komórek zakażonych wirusem i ich zmian strukturalnych w czasie poniżej 10 minut. Ich ustalenia zostały opublikowane w czasopiśmie „Cell Reports Methods”. „Komórki najlepiej obrazuje się za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, ponieważ zapewnia ona niezwykle ostre obrazy w nanoskali”, wyjaśnia główny autor, dr Venera Weinhardt z IndiGene i partnerskiej uczelni projektu CoCID – Uniwersytetu Heidelberga (Niemcy), w artykule zamieszczonym na stronie internetowej uczelni. „Ale zeskanowanie w ten sposób jednej komórki zajmuje przynajmniej tydzień. Jednocześnie otrzymywana w ten sposób ilość danych uniemożliwia ich łatwą analizę i interpretację. Używając tomografii rentgenowskiej w zakresie promieniowania o niskiej energii, uzyskujemy użyteczne wyniki w ciągu pięciu do dziesięciu minut”.
Zależy jak to chwycić
Chociaż SXT może obrazować całe komórki, możliwości tej metody udało się wykorzystać w nielicznych badaniach nad komórkami zakażonymi wirusem. Co jest tego przyczyną? Stosowano w nich mikroskopy z uchwytami próbek w postaci płaskich siatek, czyli takich samych uchwytów, jakie stosuje się w tomografii elektronowej. Odchylenie takiego uchwytu zmienia grubość próbki, przez co niektóre struktury komórkowe wychodzą nieostro na obrazie. Jednocześnie płaski uchwyt utrudnia skanowanie komórek pod różnymi kątami, więc na obrazie powstają martwe punkty. To jeszcze nie wszystko. Komórki mogą przylegać do siatki lub rozchodzić się na niej, co wymaga połączenia ze sobą wielu obrazów w celu wizualizacji całej komórki. Ponieważ taka metoda obrazowania umożliwia ukazanie tylko niewielkiej próbki komórki, a nie wszystkich jej struktur, utrudnia ona naukowcom śledzenie zmian komórkowych związanych z przebiegiem infekcji wirusowej. „Aby obejść ten problem, zaczęliśmy umieszczać próbki w cienkościennych, cylindrycznych kapilarach ze szkła. Podczas badania próbki można obracać o pełne 360 stopni i skanować pod każdym kątem”, wyjaśnia dr Weinhardt. Dzięki cylindrycznym uchwytom na próbki zespół badawczy zdołał zobrazować całe komórki ssaków na jednym tomogramie. Co więcej wykonanie pełnoobrotowego tomogramu ludzkich komórek nabłonka płuc zajęło mniej niż 10 minut, „co dowiodło, że metoda SXT umożliwia wizualizację poszczególnych skupisk wirionów SARS-CoV-2 na powierzchni komórki i w pęcherzykach z podwójną błoną, które są miejscami replikacji wirusowego RNA w cytoplazmie zainfekowanych komórek”. Zespół projektu porównał też struktury komórkowe po 6 i 24 godzinach od zakażenia z komórkami zakażonymi pozornie, co pozwoliło ujawnić „znaczne” zmiany w strukturze subkomórkowej wywołane przez wirusa. Wyniki badania dowodzą możliwości wykorzystania metody SXT zarówno do wizualizacji, jak i ilościowego określania zmian w całych komórkach. Gospodarzem projektu IndiGene (Genetics of Individuality) jest Europejskie Laboratorium Biologii Molekularnej w Niemczech. Projekt CoCID (Compact Cell-Imaging Device to provide insight into the cellular origins of diseases and to aid in the development of novel therapeutics) jest koordynowany przez University College w Dublinie. Więcej informacji: strona projektu IndiGene strona projektu CoCID
Słowa kluczowe
IndiGene, CoCID, SARS-CoV-2, wirus, komórka, tomografia rentgenowska w zakresie promieniowania o niskiej energii, koronawirus, COVID-19