通过评估成千上万个单细胞中的抗病毒剂来增强药物开发的能力

片上实验室设备的一项新增强功能使研究人员可以同时观察数千个感染了病毒的单个细胞，从而提供了使用传统方法无法获得的有关感染动态的重要信息。

来自宾夕法尼亚州立大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的一组研究人员增强了他们开发的旧版本微流控设备，极大地增加了一次可以观察到的单个细胞的数量，并使这种历来费力的单细胞方法可行用于药物筛选。描述该设备的论文还提供了有关抗病毒药的作用以及病毒是否可能产生抗药性的见解，该论文于2019年10月30日在线发表在《科学进展》杂志上。

“研究抗病毒药物对感染细胞的影响的传统方法集中在许多感染细胞的群体上，”宾州州立大学生物化学和分子生物学艾伯利家族讲座教授兼持有人克雷格·卡梅伦说。该论文的高级作者。

“当您以特定剂量向人群施用抗病毒药物时，您会看到杀死了多少感染细胞，或者抗病毒药物的功效。但是单个细胞对药物的反应可能不同，这可能对感染结果和耐药性。我们以前开发了一种研究单个感染细胞的方法，在这里我们对这项技术进行了改进，使一次可以研究的单细胞数量增加了十倍。”

该团队使用一种微流控设备-一种通过微细通道蚀刻的芯片-拥有约5700个单独的孔，每个孔可以充满单个感染细胞。他们的第一代设备依靠的是使大多数井为空的方法。现在，该团队开发了一种物理疏水阀，将其集成到设备的一层中，从而提高了占用率，因此它们现在可以填充约90%的井。

宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员，研究人员在开发该捕集阱时说：“其他人试图研究单个细胞中的感染，但是他们必须手动将细胞添加到96孔或384孔板中。” 。“这是乏味且耗时的。借助我们的捕集阱和微流体装置，我们可以一次观察5000多个单细胞。”

为了测试更新的设备，研究小组用脊髓灰质炎病毒的改良版本感染了细胞，该病毒产生绿色荧光蛋白，并监测荧光量，随着病毒在细胞中的复制，荧光量随着时间的增加而增加。他们还将三种抗病毒化合物之一应用于感染的细胞。已知这些化合物可有效治疗病毒感染，并通过不同的机制起作用，以病毒或宿主的不同部分为目标，以防止病毒复制。

研究团队测量了五个参数来描述感染的过程，包括病毒何时开始复制，病毒复制的速度以及最大的病毒生长量，这些参数共同提供了抗病毒化合物作用的标志。三种化合物中的每一种都有不同的特征，这支持具有不同特征的化合物可能以不同方式起作用的观点。将化合物的签名与已知药物的签名进行比较，可以帮助缩小药物的靶标-在基于人群的研究之后，需要大量后续研究的信息。

卡梅伦说：“在药物开发过程中，我们可能会创造出许多与有希望的抗病毒药物候选物结构相似的不同化合物。” “现在，通过比较特征，我们可以确定这些类似物是否作用于相同的靶标，并将它们与已知安全的药物进行比较。”

使用该设备，研究人员还可以判断病毒种群中的特定成员是否容易受到治疗以及治疗在病毒生命周期的哪个阶段起作用。例如，一类药物似乎针对病毒种群中最强的成员，这降低了病毒对治疗产生抗药性的可能性。

卡梅伦说：“这种单细胞方法对于研究抗病毒药的组合也可能是有用的，因为我们现在可以看到除总杀伤量以外的其他作用。” “例如，一种药物组合可能会减慢病毒复制的速度，这可能使宿主的免疫系统有时间清除感染。从人群分析中看不到这一点。”

由于他们可以迅速提供如此多的信息，因此研究小组希望单细胞方法将补充，甚至取代早期的候选药物筛选。该方法还可以用于筛选药物，以发现存在任何监测荧光变化的基于细胞的测定的疾病。

卡梅伦说：“该设备目前制造难度很大，因此我们正在努力使它更易于使用，以便任何人都可以使用。”