通過(guò)評(píng)估成千上萬(wàn)個(gè)單細(xì)胞中的抗病毒劑來(lái)增強(qiáng)藥物開(kāi)發(fā)的能力

片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的一項(xiàng)新增強(qiáng)功能使研究人員可以同時(shí)觀察數(shù)千個(gè)感染了病毒的單個(gè)細(xì)胞，從而提供了使用傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的有關(guān)感染動(dòng)態(tài)的重要信息。

來(lái)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(qiáng)了他們開(kāi)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(gè)細(xì)胞的數(shù)量，并使這種歷來(lái)費(fèi)力的單細(xì)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(jiàn)解，該論文于2019年10月30日在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

“研究抗病毒藥物對(duì)感染細(xì)胞的影響的傳統(tǒng)方法集中在許多感染細(xì)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(shuō)。該論文的高級(jí)作者。

“當(dāng)您以特定劑量向人群施用抗病毒藥物時(shí)，您會(huì)看到殺死了多少感染細(xì)胞，或者抗病毒藥物的功效。但是單個(gè)細(xì)胞對(duì)藥物的反應(yīng)可能不同，這可能對(duì)感染結(jié)果和耐藥性。我們以前開(kāi)發(fā)了一種研究單個(gè)感染細(xì)胞的方法，在這里我們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使一次可以研究的單細(xì)胞數(shù)量增加了十倍。”

該團(tuán)隊(duì)使用一種微流控設(shè)備-一種通過(guò)微細(xì)通道蝕刻的芯片-擁有約5700個(gè)單獨(dú)的孔，每個(gè)孔可以充滿單個(gè)感染細(xì)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(tuán)隊(duì)開(kāi)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(kāi)發(fā)該捕集阱時(shí)說(shuō)：“其他人試圖研究單個(gè)細(xì)胞中的感染，但是他們必須手動(dòng)將細(xì)胞添加到96孔或384孔板中。” 。“這是乏味且耗時(shí)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(gè)單細(xì)胞。”

為了測(cè)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(xì)胞，該病毒產(chǎn)生綠色熒光蛋白，并監(jiān)測(cè)熒光量，隨著病毒在細(xì)胞中的復(fù)制，熒光量隨著時(shí)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(xì)胞。已知這些化合物可有效治療病毒感染，并通過(guò)不同的機(jī)制起作用，以病毒或宿主的不同部分為目標(biāo)，以防止病毒復(fù)制。

研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了五個(gè)參數(shù)來(lái)描述感染的過(guò)程，包括病毒何時(shí)開(kāi)始復(fù)制，病毒復(fù)制的速度以及最大的病毒生長(zhǎng)量，這些參數(shù)共同提供了抗病毒化合物作用的標(biāo)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(diǎn)。將化合物的簽名與已知藥物的簽名進(jìn)行比較，可以幫助縮小藥物的靶標(biāo)-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(shuō)：“在藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們可能會(huì)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(guò)比較特征，我們可以確定這些類(lèi)似物是否作用于相同的靶標(biāo)，并將它們與已知安全的藥物進(jìn)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(gè)階段起作用。例如，一類(lèi)藥物似乎針對(duì)病毒種群中最強(qiáng)的成員，這降低了病毒對(duì)治療產(chǎn)生抗藥性的可能性。

卡梅倫說(shuō)：“這種單細(xì)胞方法對(duì)于研究抗病毒藥的組合也可能是有用的，因?yàn)槲覀儸F(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(huì)減慢病毒復(fù)制的速度，這可能使宿主的免疫系統(tǒng)有時(shí)間清除感染。從人群分析中看不到這一點(diǎn)。”

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(xì)胞方法將補(bǔ)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(cè)熒光變化的基于細(xì)胞的測(cè)定的疾病。

卡梅倫說(shuō)：“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。”