13 november

Onderzoekers ontwikkelen virus-livestream om virusinfectie te bestuderen

Terug naar nieuws

Onderzoekers van het Hubrecht Instituut en de Universiteit Utrecht hebben een geavanceerde techniek ontwikkeld waarmee zij een virusinfectie voor het eerst live kunnen volgen. De onderzoekers uit de groepen van Marvin Tanenbaum en Frank van Kuppeveld verwachten dat de techniek ingezet kan worden om een breed scala aan virussen te onderzoeken, waaronder SARS-CoV-2 – het virus dat verantwoordelijk is voor de huidige pandemie. Daarmee vormt de techniek genaamd VIRIM (‘virus infection real-time imaging’) een erg belangrijk middel om meer inzicht te krijgen in de infectie van het menselijk lichaam door virussen. Op den duur kunnen zulke inzichten leiden tot gerichtere behandelingen voor virusinfecties. De resultaten zijn op 13 november gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Cell.

Virussen hebben een gigantische impact op de samenleving, zowel op financieel vlak als op het gebied van de volksgezondheid. De ingrijpende gevolgen van de huidige wereldwijde uitbraak van SARS-CoV-2 voor onder meer onze fysieke- en mentale gezondheid en de economie maken dit wederom duidelijk zichtbaar.

Indringer vermeerdert in rap tempo

RNA-virussen vormen een grote groep virussen. Het genetische materiaal van dit type virus bestaat uit RNA: een molecuul dat lijkt op DNA, het genetisch materiaal van mensen. Een RNA-virus infecteert een cel, ook wel gastheercel genoemd, waarna het virus de gastheercel overneemt en dwingt om nieuwe virusdeeltjes te maken. Op deze manier kan de indringer zich in rap tempo vermeerderen in het lichaam. De nieuwe virusdeeltjes worden veelal via de luchtwegen uitgescheiden en kunnen zo andere mensen infecteren. Voorbeelden van RNA-virussen zijn coronavirussen, het hepatitis-C-virus, het zikavirus en enterovirussen – een grote groep virussen, waaronder rhinovirussen (veroorzakers van verkoudheid), coxsackievirussen (belangrijke veroorzaker van virale hersen(vlies)ontsteking) en het poliovirus (veroorzaker van paralytische polio).

Livestream van virusinfectie

Tot op heden bestonden er technieken waarmee uitsluitend een statische ‘foto’ van de virusinfectie gemaakt kon worden. Dat wil zeggen, onderzoekers konden geïnfecteerde cellen enkel op een bepaald punt in de tijd zien, maar het was niet mogelijk om een virusinfectie van begin tot eind te volgen. Daar komt met de komst van de nieuwe microscopietechnologie VIRIM verandering in: onderzoekers uit de groep van Marvin Tanenbaum ontwikkelden deze geavanceerde techniek in samenwerking met Frank van Kuppeveld (Universiteit Utrecht), waarmee in het lab live het gehele verloop van een virusinfectie met grote precisie gevolgd kan worden (video 1). “Met deze nieuwe methode kunnen we heel veel belangrijke vragen over virussen beantwoorden”, aldus Sanne Boersma, een van de onderzoekers.

Video 1. Single molecule analysis of viral replication. Wanneer een gastheercel wordt geinfecteerd door een virus is een enkel viraal RNA-molecuul aanwezig (stipje bij het begin van de infectie). Tijdens replicatie, vermeerdert het virus het RNA-molecuul (aantal stipjes neemt toe). VIRIM maakt het mogelijk om de replicatie vanaf het begin van de infectie te volgen.

Live capture of virus infected cells
Nadat een virus een gastheercel heeft geinfecteerd probeert het te vermeerderen (in groen). Ook probeert het virus te voorkomen dat de gastheercel zich bemoeit met de virusreplicatie door de celkern aan te vallen (in blauw) en de eiwitproductie van de gastheercel stil te leggen (in rood). Credit: Sanne Boersma © Hubrecht Institute
Lichtgevend virus

De methode gebruikt SunTag – een techniek die eerder al ontwikkeld werd in het lab van Tanenbaum – in een enterovirus, een groep virussen waarmee Van Kuppeveld veel ervaring heeft. De SunTag wordt ingebracht in het RNA van het virus en markeert het de eiwitten van het virus met een fluorescerend label. Deze lichtgevende viruseiwitten kunnen met grote nauwkeurigheid zichtbaar worden gemaakt onder de microscoop. Hierdoor kunnen onderzoekers voor het eerst bekijken wanneer, waar en hoe snel een virus eiwitten produceert en zich vermenigvuldigt in de gastheercel. Waar andere technieken de viruseiwitten pas kunnen waarnemen wanneer het virale RNA gekopieerd is, is VIRIM veel gevoeliger. Zo zijn zelfs de viruseiwitten die van een enkel RNA-molecuul gemaakt worden te zien onder de microscoop. Hierdoor kunnen onderzoekers al vanaf het eerste moment meekijken met het verloop van de virusinfectie.

Wedstrijd tussen virus en gastheercel

De bouwstenen van ons lichaam – onze cellen – hebben elk hun eigen afweersysteem om een virusinfectie op te sporen en uit te schakelen. Zodra een virus een cel in ons lichaam binnendringt, ontstaat als het ware een wedstrijd tussen het virus en de gastheercel: het virus probeert zich zo snel mogelijk te vermenigvuldigen, terwijl de gastheercel dit uit alle macht probeert tegen te gaan. Met VIRIM, konden de onderzoekers de uitkomst van deze wedstrijd zien. In een deel van de cellen zagen ze dat de gastheercel de wedstrijd won (video 2). Boersma: “De gastheercel was geïnfecteerd en het virus probeerde zich te vermeerderen, maar dat lukte niet.” Dit wekte de nieuwsgierigheid van Boersma en haar collega’s en leidde tot een nieuw experiment. 

Achilleshiel van het virus

De onderzoekers hielpen de gastheercellen een handje door hun afweersysteem een boost te geven. Toen bleek dat de allereerste vermenigvuldiging van het virusdeeltje in de gebooste cellen vaak te falen. “De eerste stap in het vermenigvuldigingsproces is dus de achilleshiel van dit virus: dit moment bepaalt of het virus zich verder kan verspreiden,” vertelt Boersma. “Als de gastheercel er helemaal in het begin niet in slaagt om het virus af te weren, dan wint het virus.” Voor de ontwikkeling van VIRIM gebruikten Boersma en haar collega’s een picorna-virus. Leden van de picornafamilie kunnen zorgen voor een onschuldige verkoudheid, maar ook het virus dat Polio veroorzaakt behoort tot deze virusfamilie.

Video 2. Failure to replicate. Wanneer een gastheercel wordt geinfecteerd door een virus is een enkel viraal RNA-molecuul aanwezig (stipje bij het begin van de infectie). Vervolgens wil het virus dit RNA-molecuul repliceren maar dit mislukt (geen toename in stipjes).   

Breed scala aan virussen

VIRIM maakt het mogelijk om de kwetsbare fase van een breed scala aan virussen te identificeren. De onderzoekers verwachten dat de techniek inzetbaar is voor onderzoek naar vele levensbedreigende virussen, waaronder SARS-CoV-2. Boersma legt uit: “Als we beter inzicht hebben in hoe een virus zich vermenigvuldigt en verspreidt, kunnen we zien wat de achilleshiel van dat virus is. Hierdoor kunnen we op den duur betere behandelingen ontwikkelen, bijvoorbeeld een behandeling die ingrijpt op het moment dat het virus het meest kwetsbaar is. Zo creëren we efficiëntere therapieën en kunnen we de impact van virussen op de samenleving hopelijk verkleinen.”

Presentatie

Auteur Marvin Tanenbaum presenteert het onderzoek op maandag 16 november om 16:30 tijdens de online ‘Science for Life’ conferentie. Meer informatie over de online presentatie en Q&A sessie (in het Engels) en de mogelijkheid tot registratie vind je op de website.

Publicatie

Translation and replication dynamics of single RNA viruses. Sanne Boersma, Huib H. Rabouw, Lucas J. M. Bruurs, Tonja Pavlovič, Arno L. W. van Vliet, Joep Beumer, Hans Clevers, Frank J. M. van Kuppeveld, en Marvin E. Tanenbaum. Cell 2020. doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.019

Picture Marvin Tanenbaum

 

 

Marvin Tanenbaum is groepsleider bij het Hubrecht Instituut en Oncode Investigator.

Picture Frank van Kuppeveld

 

Frank van Kuppeveld is groepsleider en hoofd van de divisie Virologie van het departement Infectieziekten & Immunologie, Faculteit Diergeneeskunde, Universiteit Utrecht.