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显微镜在病毒学中的应用

引起新型冠状病毒肺炎(Covid-19)的冠状病毒SARS-CoV-2肆虐全球并影响了我们生活的方方面面。对于免疫和治疗方法的搜索研究(即如何抗击该病毒)成为了2020年全人类的第一要务。显微镜在这类研究中起着重要作用。为了了解受体结合、基因组释放、复制、装配和病毒出芽的基本原理以及我们的免疫系统效应,可以使用不同的方法和显微镜。本文概述了为什么显微镜是病毒学和感染生物学的重要工具,并举例说明了不同的显微技术及其在这些研究领域中的应用。

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显微镜在病毒学领域内有着广泛应用

光学显微镜对于病毒学家来说应用范围很广。大多数光学显微镜是基于荧光的。荧光显微镜大致可分为免疫荧光荧光蛋白的利用。免疫荧光利用固定的细胞或组织,用荧光标记的抗体对目标蛋白进行染色,而荧光蛋白也可用于活细胞成像。

病毒学中使用的显微镜包括宽场显微镜、共聚焦显微镜和超分辨显微镜。此外,激光显微切割也具有一定的适用性。

以下参考文献将让您概括了解比较突出的显微镜检查方法及其在病毒学中的应用:

细胞脂质代谢对新型冠状病毒复制的影响

Müller等人研究了细胞脂质代谢对冠状病毒复制的影响。他们用冠状病毒HCov-229E感染Huh-7细胞,并用抗dsRNA、冠状病毒N蛋白和冠状病毒NSP8蛋白的抗体对这些细胞进行染色。此外,他们还利用胞体磷脂PC-A2标记】。然后用配备63x平面复消色差物镜的TCS-SP5共聚焦显微镜 进行成像。研究人员集中研究了dsRNA和PC-A2的共定位。

细胞质磷脂酶A2α(cPLA2α)产生磷脂。当他们用cPLA2α抑制剂处理细胞时,他们可以检测到对人类冠状病毒细胞中病毒RNA和蛋白质积累的显著影响。更详细地说,他们观察到RTC(病毒复制/转录复合物)与含有溶血磷脂的膜结构共定位。有鉴于此,他们得出结论,cPLA2α可能是抗病毒药物的靶点。

https://jvi.asm.org/content/92/4/e01463-17#sec-9

病毒有自己的RNA或DNA。鉴于这一事实,病毒可以通过荧光原位杂交(FISH)技术来进行检测,期间使用荧光探针对病毒核苷酸进行标记。

免疫抑制机制的监测标志物

Jarret等人并没有对病毒进行研究而是对小鼠黏膜屏障的细菌感染进行了研究。通过单分子荧光原位mRNA杂交(smFISH;THUNDER Imager 3D Live Cell) ,他们发现肠神经元产生细胞因子IL-18。他们据此可以证明神经元衍生的IL-18信号在肠道免疫中起主要作用,这一研究成果此前尚未被发现。
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31378-9

免疫抑制机制的监测标志物

免疫抑制可以在病毒感染小鼠模型的帮助下进行研究。对小鼠肺部进行了大型多通道扫描,以监测免疫抑制机制的标志物。用流感病毒感染小鼠,然后研究肺基底样结构的退行性变化 (THUNDER Imager 3D Cell Culture)。

DENV诱导基因表达效应

Sim等人研究了登革热病毒(DENV)在黄热病蚊(埃及伊蚊)唾液腺中诱导的基因表达效应。作者发现,感染DENV后,蚊子唾液腺的转录组发生了改变。利用基因表达芯片进行基因表达分析,他们首次发现了一些基因的表达,这些基因对蚊子寻找和探测寄主的行为有影响。他们使用免疫荧光显微镜来识别蚊子化学感受器中病毒丰富的区域(见图3)。
https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1002631#s4

亨德拉病毒感染细胞的形态

Monaghan等人在显微镜的帮助下对亨德拉病毒感染细胞的形态进行了特征分析。共焦图像 (SP5) 揭示了细胞内病毒蛋白质的分布,而超高分辨率显微镜 (SR-GSD) 甚至可以近距离观察病毒颗粒内的蛋白质分布。
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4254186/

与拉克罗斯病毒(LACV)核衣壳结合的细胞RNA解旋酶

Weber等人利用超高分辨率显微镜对与拉克罗斯病毒(LACV)核衣壳 (SR-GSD)相结合的细胞RNA解旋酶进行了研究。为此要在感染的A549细胞当中使用免疫荧光来对病毒LACV N蛋白质和细胞RNA解旋酶RIG-I进行染色。超高分辨率显微镜提供了RIG-I通过5’ppp dsRNA长链与核衣壳相结合的生化数据。
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5515363/

自然杀伤(NK)细胞

Maze 和Orange研究了病毒中的重要对手——自然杀伤(NK)细胞。这些细胞从属于先天免疫系统,负责监视病毒感染和癌变细胞。通过免疫突触直接分泌特异性外泌体,杀死病毒感染的细胞。用STED纳米显微镜 (TCS SP8 STED) 研究了裂解颗粒与NK细胞骨架的相互作用。
https://www.leica-microsystems.com/science-lab/visualization-of-the-natural-killer-cell-immune-synapse-by-super-resolution-nanoscopy/

STED纳米显微镜成像免疫突触

Zheng等人的另一篇发表文献中阐述了使用STED纳米显微镜 (TCS SP8 STED)对免疫突触进行成像的技术流程。
https://www.jove.com/video/52502/super-resolution-imaging-natural-killer-cell-immunological-synapse-on

STED纳米显微镜揭示寄生虫学问题

除了病毒学和免疫学外,STED纳米显微镜还能够揭示寄生虫学问题,例如红细胞裂殖子入侵。3D STED (TCS SP8 STED) 发现了了疟原虫感染相关蛋白组分的空间信息。
https://www.leica-microsystems.com/science-lab/observing-malaria-infection-at-the-right-spot-in-the-human-host/

冠状病毒对细胞NF-κB信号传输及染色质分布的影响

Poppe等人研究了冠状病毒对细胞NF-κB信号传输染色质分布的影响。借助激光显微切割(LMD6000),他们分离出了表达冠状病毒N蛋白的细胞并提取了其中的全部RNA。利用RT-qPCR和微阵列分析,他们发现了细胞中的哪些mRNAs表达不足或表达过度。此外,他们使用冠状病毒N蛋白质的免疫荧光来监测病毒感染及其在A546细胞(DMIRE2, DMi8)中的分布情况。
https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1006286#sec002)

明场显微镜在病毒学中起着直接的作用,但只是次要的作用,因为荧光显微镜更好地满足了研究人员的需求。尽管如此,在研究动物组织时,明场显微镜还是有用武之地的。例如,研究人员可以检查病毒感染后组织的形态变化等。

此外,明场显微镜会在细胞培养实验室当中用于检查已经受到感染或者即将受到感染的细胞 (DM IL, DMi1, PAULA)的健康和生长状态(见图5) 。

这份显微镜检查方法的清单并不全面。还有其他一些技术也可以用来可视化病毒,但不在本文的讨论范围内。例如,电子显微镜(EM)可以分辨病毒颗粒。单分子检测 (TCS SP8 SMD和荧光寿命成像(FLIM) (STELLARIS 8 FALCON)以及多光子显微镜 (SP8 DIVE) 是适用于病毒学研究的其他方法(见参考资料)。

SARS-CoV和SARS-CoV-2都能感染肠上皮细胞

Lamers等人研究了冠状病毒SARS-CoV-2是否不仅仅感染呼吸系统,还会感染人肠道。使用共焦显微镜 (SP8) 和电子显微镜(EM样本制备:EM UC7) 检查人类小肠类类器官后,他们发现SARS-CoV和SARS-CoV-2都能感染肠道上皮细胞。

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/30/science.abc1669

如需了解更多有关电子显微镜的内容,敬请参阅以下参考资料以及相关主题文章中所给出的示例。

References

共焦显微镜在病毒学中的应用

荧光显微镜的单一病毒:分子成像模式、互作和结构让人们重新了解病毒复制

活体显微镜观察溶瘤病毒与宿主的相互作用

细胞溶质磷脂酶A2α抑制细胞培养中冠状病毒复制的早期步骤

使用超高分辨和常规成像了解不同细胞类型中亨德拉病毒感染的详细形态学特征

西尼罗河病毒非结构蛋白组装的病毒特异性囊泡的特性研究

宿主鞘磷脂促进体内西尼罗河病毒感染

一种基于改良牛痘病毒安卡拉载体,表达寨卡病毒结构蛋白,控制寨卡病毒在小鼠体内复制的疫苗

抑制乙酰辅酶A羧化酶靶向宿主代谢降低小鼠黄病毒感染

荧光寿命成像(FLIM)在病毒学中的应用

定量FRET-FLIM-BlaM用于评估活细胞中HIV-1的融合进程

单分子探测(SMD)在病毒学中的应用

动态3步式机制推动HIV-1融合前反应

托瑞米芬与埃博拉病毒糖蛋白相互作用并使其不稳定

Dynamin-2以低寡聚状态稳定HIV-1融合孔

星形胶质细胞抵抗HIV-1融合且吞噬受感染的巨噬细胞

多光子显微镜在病毒学中的应用

单细胞糖酵解活性调节膜张力和HIV-1融合34

宽场显微镜在病毒学中的应用

埃及伊蚊唾液腺和化学感受器感染登革热病毒可诱导基因调控感染和吸血行为

超分辨率显微镜在病毒学中的应用

使用超高分辨和常规成像研究不同细胞类型中亨德拉病毒感染的详细形态学特征

进行性多灶性白质脑病(PML)中的JC病毒包涵体:骨架型早幼粒细胞白血病核体随着少突胶质细胞核中S-to-G2样状态的细胞周期变化而增长

含有5′三磷酸化基因组的RNA病毒核衣壳激活RIG-I和抗病毒信号

单个HIV-1成像揭示了通过CA依赖的核孔对接、脱壳和核转运等环节的感染进展

激光显微切割在病毒学中的应用

人冠状病毒229E感染细胞NF-κB依赖和非依赖的转录组和染色质分布

电子显微镜在病毒学中的应用

微波辅助透射电子显微镜快速诊断植物病毒病

HIV-1 Gag管状阵列的冷冻电镜解析未成熟病毒装配必备结构

微波辅助植物样品制备快速诊断烟草花叶病

SARS-CoV-2有效地感染人肠道肠上皮细胞

EMBL 科学家利用电子显微镜观察被冠状病毒感染的细胞

其他传染原

在人体宿主靶点观察疟疾感染

炎症

显微镜下的慢性炎症

超高分辨率纳米显微镜下对自然杀伤(NK)细胞免疫突触的可视化观察

玻璃支撑平面脂质双层上自然杀伤细胞免疫突触的超分辨成像

细胞培养

哺乳动物细胞培养概论-形态和细胞类型及组织

分辨率

超分辨率 – 关于光学显微镜分辨率的启发性观点

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