Медиатека

Университет Дьюка опубликовал минутную видеозапись, на которой можно увидеть крошечную вирусную частицу, хаотично перемещающуюся среди плотно упакованных клеток кишечника человека. На короткое время вирус вступает в контакт с клеткой, однако вскоре продолжает свой путь в межклеточном пространстве. Назревает вопрос: что это, видеоигра или симуляция? Оказывается, это реальная запись, полученная на настоящем микроскопе.

Команда ученых Университета Дьюка — Кортни Джонсон, Джек Эксел, Юсинь Линь, Джонатан Агилар и Кевин Д. Уэлшер — смогла разработать способ 3D-съемки вирусов, передвигающихся внутри организма, в реальном времени. Результаты исследования были опубликованы 10 ноября 2022 года в журнале Nature Methods.

В наш организм различными способами непрерывно проникают миллионы частиц, в том числе вирусы. С большинством из них организм успешно справляется, однако некоторые могут преодолеть защитные барьеры и спровоцировать развитие инфекции. Вирус-нарушитель связывается с клеткой и проникает внутрь, где перехватывает управление клеточными процессами, чтобы начать размножаться, создавая множество своих копий. Однако, прежде чем вирус сможет проникнуть внутрь клетки, ему необходимо преодолеть одну из первых линий защиты — покрытый слизью слой клеток, выстилающих дыхательные пути и кишечник.

Исследователи Университета Дьюка хотели выяснить, как вирусам удается это сделать — непрекращающаяся пандемия продемонстрировала острую необходимость глубоких исследований механизмов вирусной инфекции для более эффективного противодействия ей. Методы отслеживания одиночных частиц (Single-particle tracking, SPT) — мощный инструмент для понимания вирусных инфекций, который помог выявить множество механизмов связывания вирусов с клеточной поверхностью. Несмотря на эти достижения, ранние стадии взаимодействия вируса с клеткой долгое время ускользали от наблюдения. Это связано с быстрым движением вирусов в глубоком межклеточном пространстве и присутствием крупных трехмерных клеточных структур, в сотни раз превышающих размер вирусной частицы. Даже самые передовые методы SPT, такие как конфокальная микроскопия с вращающимся диском (Spinning disk confocal microscopy, SDC) и микроскопия плоскостного освещения (light sheet fluorescence microscopy, LSFM), не могут решить проблему одновременного отслеживания и отображения объектов разного масштаба на одной платформе.

Кортни Джонсон и ее коллеги разработали новый метод под названием 3D Tracking and Imaging Microscopy (3D-TrIm). Это мультифункциональный инструмент, который объединяет два метода в одном: 3D-SMART отслеживает местоположение помеченного флуоресцентной меткой вируса с помощью лазера, в то время как 3D-FASTR делает трехмерные изображения окружающих клеток. Обе установки соединены через конфокальный микроскоп, пьезоэлектрический предметный столик и объектив микроскопа. Ценность такого подхода огромна, поскольку подобный результат нельзя получить с помощью его компонентов по отдельности. Кроме того, он даёт недоступное ранее представление о начальных моментах взаимодействия вируса и клетки.

Рис. 1. а) Экспериментальная установка. Флуоресцентно меченные вирусные частицы добавляют к живым клеткам на покровном стекле. Держатель образца с нагреванием установлен на пьезоэлектрическом предметном столике. b) Отслеживание одиночных вирусных частиц с помощью лазера 3D-SMART. Пьезоэлектрический столик перемещается, чтобы центрировать вирус в области сканирования. с) Генерация объемного изображения с помощью 3D-FASTR. d) Построение объемов в 3D-TrIm. По мере движения вируса 3D-SMART отслеживает образец, а система визуализации 3D-FASTR собирает последовательные объемы из разных областей вокруг частицы. Полученные данные можно объединить для создания единого глобального объема. ¹

Пока, как и у любых новых разработок, у метода 3D-TrIm есть ограничения. Во-первых, вирус должен быть помечен флуоресцентной меткой. Во-вторых, на данный момент удаётся отслеживать его только в течение нескольких минут. Однако исследователи надеются, что в будущем можно будет наблюдать за вирусами в реальном времени за пределами покровного стекла и отслеживать другие биологические процессы.

Литература

1. Johnson C. et al. Capturing the start point of the virus–cell interaction with high-speed 3D single-virus tracking. Nature Methods, 2022.