应用报告 | AFM 剖析类病毒颗粒以帮助抗击丙肝病毒

2024-01-30 20:08:03, 牛津仪器 牛津仪器科技(上海)有限公司


丙肝病毒(hepatitis C virus,HCV)会导致慢性肝炎,甚至发展为癌症。针对丙肝病毒的疫苗尚未研发成功,而类病毒颗粒(Virus-Like Particle,VLP)因其无传染性的自我组装结构,成为了疫苗发开路线的潜力股之一。在这篇文献中,澳洲的研究者使用Cypher ES原子力显微镜,对四类丙肝类病毒颗粒进行了形貌表征和纳米力学测量,表征了它们的生物功能和纳米级机械性质等信息来研究HCV,提高这些纳米级颗粒的基础理解,是开发有效的丙型肝炎疫苗的基础工程。 

实验目的与方案: 

形貌扫描和机械性能表征都通过牛津仪器Cypher ES AFM,在缓冲液中进行,全程使用小振幅成像,以适应纳米级结构;此外,对每种类型的完整病毒样颗粒,研究者们测量了超过100条力曲线/每个颗粒。 

Cypher ES具有特别设计的机械回路,实现了高空间分辨率、超低底噪声、以及精确的力控制及高灵敏度,可以对类病毒颗粒进行精准、无损的测量。同时,Cypher ES的封闭样品腔可以最大限度避免溶液的挥发,保持缓冲液的离子浓度、pH、以及温度恒定,进一步确保了测量的重复性和准确性。系统自带的软件简化了弹性模量的模型拟合与计算,大大方便了力曲线分析处理。 

结果与分析: 

在本文中,作者们使用了多种方法来探测和压片类病毒颗粒,包括原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等。这是第一次使用振幅调制(AM)-AFM和力谱对所有四种HCV VLPs(基因型1a,1b,2a和3a)进行形态和生物力学特征描述,揭示了这些粒子的表面形貌、粗糙度、电荷分布等特点。

根据细胞进入实验测定,所有HCV VLPs都被认为是具有生物学功能,并且都装饰有类似于天然HCV的高甘露糖型N-连接糖,这是疫苗开发的基础。HCV颗粒是由核酸和蛋白质外壳组成的,类病毒颗粒的尺寸小于200nm,表面富含柔软的脂质。如图1所示,可以观察到HCV核心或包膜糖蛋白的一些结构组织细节,但就像袋子里的豆子一样。表面粗糙度的变化可能影响病毒与宿主细胞的相互作用,从而影响病毒进入细胞的能力。此外,电荷分布也可能影响病毒与宿主细胞膜的结合能力。因此,了解HCV粒子的表面特性对于研究病毒的传播机制、疫苗设计和抗病毒药物的开发具有重要意义。

图1 上:展示了HCV病毒颗粒和VLPs的组装图解。将野生型HCV颗粒与VLPs中间截开,可以看到都具有E1/E2蛋白和脂质膜,但VLPs不含遗传物质。

下:通过AFM获得了不同表型的HCV的纳米尺度图像。VLP的几何特征以1b中的两个颗粒来突出显示。实验中观察到许多具有这种特征的颗粒,这里展示了表现出异质性、多形态表面形态的颗粒,以更准确地表示整个VLP制剂。标尺为50 nm。 

对单个粒子进行原位形态成像和纳米机械性能测量,不仅指出不同基因型的粒子大小存在显著差异,而且所有基因型间的平均模量大小存在显著差异。如图2所示,VLPs的弹性模量在十几MPa的范围内,与其他报道的病毒或VLP相比,本文中的弹性模量相对较低;实际上这个结果与脂质体的模量类似,这可能是某些包膜病毒的特征。  

图2 左:对测得的HCV VLP基因型进行粒度分析,统计直径分布。所有基因型都显示出大致正态分布,但尾部较长,代表有少量较大的颗粒。

右:拟合压痕曲线测算弹性模量(E)。使用Hertz/Sneddon方法进行拟合的实验方案,为进行说明,测量了在硬云母表面上获得的数据(黑色线) 以及基因型1a的数据(蓝色圈)。最终得到了每个基因型的平均弹性模量。 

总的来说,这篇文章为我们提供了关于丙型肝炎病毒类颗粒表面特性的详细信息,有助于我们更好地理解这一领域的现状和未来的研究方向。通过使用不同的探针和压力条件,研究人员可以更深入地了解这些粒子的表面特性,这对于理解病毒的传播方式、疫苗设计以及抗病毒药物的研发等方面具有重要意义。 

引用:

S. Collett, J. Torresi, L. Earnest-Silveira et al., Probing and pressing surfaces of hepatitis C virus-like particles. J. Colloid Interface Sci. 45, 259 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.03.022

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