Als Courtney „CJ“ Johnson Aufnahmen von ihrem Ph.D. Dissertation, es ist, als würde sie einen versuchten Einbruch auf einer Überwachungskamera zu Hause beobachten.
Der Eindringling überfällt sein Ziel, ohne einen Fuß hinein zu setzen, und sucht nach einem Eintrittspunkt. Aber dieser Eindringling ist kein typischer Einbrecher. Es ist ein Virus.
Das über zweieinhalb Minuten gefilmte Filmmaterial zeigt ein winziges Viruspartikel, das tausendmal kleiner als ein Sandkorn ist, während es zwischen dicht gepackten menschlichen Darmzellen taumelt und schwankt, indem es seinen Standort 1.000 Mal pro Sekunde genau bestimmt.
Für einen flüchtigen Moment nimmt das Virus Kontakt mit einer Zelle auf und gleitet über ihre Oberfläche, bleibt aber nicht haften, bevor es wieder abspringt. Wenn dies ein tatsächlicher Wohnungseinbruch wäre, sagt Johnson, „wäre dies der Teil, in dem der Einbrecher das Fenster noch nicht eingeschlagen hat.“
Ein mikroskopisches Video zeigt ein Virus (lila Spur), wie es seinen Weg an die Oberfläche menschlicher Darmzellen (grün) findet. Bildnachweis: The Welsher Lab, Duke University
Johnson ist Teil eines Teams der Duke University, das von Chemie-Assistenzprofessor Kevin Welsher geleitet wird. Zusammen mit Welshers Postdoktorand Jack Exell und Kollegen haben sie eine Möglichkeit gefunden, Echtzeit-3D-Aufnahmen von Viren zu machen, während sie sich ihren zellulären Zielen nähern. Ihre Forschung wird heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmethoden.
Wir atmen ein, nehmen auf und nehmen auf Millionen von Viren jeden Tag. Die meisten von ihnen sind harmlos, aber einige von ihnen – wie die Viren, die die Grippe oder COVID-19 verursachen – können uns krank machen.
Demonstration des Funktionsprinzips von 3D-Trim. Die Animationssequenz beginnt mit einem Überblick über den experimentellen Aufbau, in dem eine erhitzte Probe, die virusähnliche Partikel (VLP) und lebende Zellen enthält, auf einem piezoelektrischen Tisch mit einer Objektivlinse montiert ist, die sowohl von Tracking- als auch von Bildgebungsmikroskopquellen gemeinsam genutzt wird. Auf diesen Überblick folgt eine Animation des 3D-SMART-Echtzeit-Trackings, die zeigt, wie ein Paar elektrooptischer Deflektoren (EOD) ein seitliches Knight’s Tour-Gittermuster erzeugt, gefolgt von der Verwendung eines abstimmbaren akustischen Gradienten (TAG-Linse). Scannen Sie einen Fokusbereich über und unter der Mitte des Fokusvolumens. Eine abschließende Animation demonstriert das Prinzip der 3D-FASTR-Punktscan-Bildgebung. Anerkennung: Naturmethoden (2022). DOI: 10.1038/s41592-022-01672-3
Die Infektion beginnt, wenn ein Virus an eine Zelle bindet und in diese eindringt, wo es die Zellmaschinerie entführt, um Kopien von sich selbst anzufertigen. Aber bevor es einbrechen kann, muss zuerst ein Virus die Zelle erreichen, sagte Johnson.
Das bedeutet oft, die Schutzschicht aus Zellen und Schleim zu durchdringen, die die Atemwege und den Darm auskleiden – eine der ersten Verteidigungslinien des Körpers gegen Infektionen.
VSV-G untersucht die extrazelluläre Matrix, bezogen auf Abb. 2a,b. 3D-Rekonstruktion der Echtzeit-VSV-G-VLP-Trajektorie in der extrazellulären Matrix von lebenden GM701-Zellen (gefärbt mit F-Aktin-Label SiR650-Aktin) aus einem 4D-Datensatz, der 10 lokale Volumina bei 16 FPV abdeckt. Die Flugbahn (~162 s) wird in 25 Segmente pro Sekunde (25 Bilder pro Sekunde bei einer Wiedergaberate von 1×) segmentiert und nach Zeit farblich abgebildet. Der Fortschrittsbalken zeigt, wie die Trajektorie weiter kategorisiert wird: (1) Freie Diffusionsperiode (Wiedergaberate: 2×): 0–14 s, 18–38 s, 44–62 s, 70–108 s. (2) Skimming-Periode (Wiedergaberate: 1×): 14–18 s, 38–44 s, 62–70 s, 108–122 s. (3) Ablösung (Wiedergaberate: 2×): 122–162 s. Sphere stellt die VLP-Position im aktuellen Frame dar (die Aktualisierungsrate stimmt mit der Flugbahn überein, d. h. 25 FPS bei 1-facher Wiedergaberate). Bildvolumina, die aus der Projektion maximaler Intensität im Laufe der Zeit aus lokalen Volumina gebildet wurden, die über 16 Frame-Zeiten erfasst wurden. In a sind die Zellen nach Bildgebungsintensität farbcodiert, während in b die Zellen je nach Entfernung des Virus von der Zelloberfläche farbcodiert sind. Die Tafeln a und b haben die gleiche Farbskala für die Flugbahn, den gleichen Kamerawinkel und den gleichen Kameraweg; jedoch ist a im Vergleich zu b vergrößert. Anerkennung: Naturmethoden (2022). DOI: 10.1038/s41592-022-01672-3
Die Forscher wollten verstehen, wie Viren diese Frontlinienabwehr durchbrechen. „Wie navigieren Viren durch diese komplexen Barrieren?“ sagte Waliser. Aber diese kritischen frühen Momente vor Beginn der Infektion seien mit den bestehenden Mikroskopiemethoden lange schwierig, wenn nicht gar unmöglich zu beobachten, fügte er hinzu.
Ein Grund dafür ist, dass sich Viren in dem unbeschränkten Raum außerhalb der Zelle um zwei bis drei Größenordnungen schneller bewegen als in ihrem überfüllten Inneren. Um die Sache aus bildgebender Sicht noch komplizierter zu machen, sind Viren hundertmal kleiner als die Zellen, die sie infizieren.
„Deshalb ist es so schwierig, dieses Problem zu untersuchen“, sagte Johnson. Unter dem Mikroskop „ist es so, als würde man versuchen, eine Person zu fotografieren, die vor einem Wolkenkratzer steht. Man kann nicht den ganzen Wolkenkratzer bekommen und die Details der Person davor mit einem Bild sehen.“
Daher entwickelte das Team eine neue Methode namens 3D Tracking and Imaging Microscopy (3D-Trim), die im Wesentlichen zwei Mikroskope in einem kombiniert. Das erste Mikroskop „rastet“ auf das sich schnell bewegende Virus ein und führt einen Laser Zehntausende Male pro Sekunde um das Virus herum, um seine Position zu berechnen und zu aktualisieren. Während das Virus im schwülen Äußeren der Zelle herumhüpft und herumwirbelt, passt sich der Mikroskoptisch kontinuierlich an, um es im Fokus zu halten.
Während das erste Mikroskop das Virus verfolgt, nimmt das zweite Mikroskop 3D-Bilder der umgebenden Zellen auf. Der kombinierte Effekt, sagte Welsher, ähnelt dem Navigieren mit Google Maps: Es zeigt nicht nur Ihren aktuellen Standort während der Fahrt, sondern auch das Gelände, Sehenswürdigkeiten und die allgemeine Lage des Landes, aber in 3D.
„Manchmal, wenn ich diese Arbeit präsentiere, fragen die Leute: ‚Ist das ein Videospiel oder eine Simulation?’“, sagte Johnson, jetzt Postdoktorand am Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus. „Nein, das ist etwas, das von einem echten Mikroskop stammt.“
Mit ihrer Methode können die Forscher beispielsweise nicht einfach zusehen, wie ein gesunder Mensch Viruspartikel einatmet, die durch Husten oder Niesen eines Infizierten entstehen. Zum einen müssen sie ein spezielles fluoreszierendes Etikett an einem Virus anbringen, bevor sie es verfolgen können – was das Mikroskop verfolgt, ist die Bewegung des leuchtenden Flecks. Und derzeit können sie einen Virus nur wenige Minuten am Stück verfolgen, bevor er dunkel wird.
„Die größte Herausforderung für uns besteht jetzt darin, hellere Viren zu produzieren“, sagte Exell.
Aber Welsher sagte, er hoffe, dass die Technik es ermöglichen werde, Viren in Aktion über das Deckglas hinaus und in realistischeren gewebeähnlichen Umgebungen zu verfolgen, in denen Infektionen zuerst Fuß fassen.
„Das ist das eigentliche Versprechen dieser Methode“, sagte Welsher. „Wir denken, dass wir jetzt die Möglichkeit dazu haben.“
Mehr Informationen:
Courtney Johnson et al., Erfassung des Startpunkts der Virus-Zell-Interaktion mit Hochgeschwindigkeits-3D-Einzelvirus-Verfolgung, Naturmethoden (2022). DOI: 10.1038/s41592-022-01672-3