이 프로토콜은 SARS-CoV-2 변이체의 감염성과 중화 항체에 대한 민감도를 신속하게 정량화하기 위한 플랫폼으로 새로운 하이브리드 알파바이러스-SARS-CoV-2 슈도바이러스(Ha-CoV-2)의 적용을 설명합니다.
코로나바이러스 질병 2019 팬데믹(COVID-19)은 신종 SARS-CoV-2 변이체의 감염성과 바이러스 변이체에 대한 백신 유도 중화 항체의 효과를 정확하게 측정하기 위한 신속한 분석의 필요성을 강조했습니다. 이러한 분석은 팬데믹 감시와 백신 및 변이별 부스터 샷 검증에 필수적입니다. 이 원고는 SARS-CoV-2 변종 감염성 및 바이러스 변종에 대한 백신 유도 중화 항체의 빠른 정량화를 위해 새로운 하이브리드 알파바이러스-SARS-CoV-2 슈도바이러스(Ha-CoV-2)의 적용을 보여줍니다. Ha-CoV-2는 바이러스 구조 단백질(S, M, N, E)과 알파바이러스인 셈리키 숲 바이러스(SFV)에서 유래한 빠르게 발현되는 RNA 게놈으로 구성된 SARS-CoV-2 바이러스 유사 입자입니다. Ha-CoV-2는 또한 녹색 형광 단백질(GFP)과 루시페라아제 리포터 유전자를 모두 포함하고 있어 바이러스 감염도를 빠르게 정량화할 수 있습니다. 예를 들어, SARS-CoV-2 델타(B.1.617.2) 및 오미크론(B.1.1.529) 변이의 감염도를 정량화하고 중화 항체(27VB)에 대한 민감도도 측정합니다. 이러한 예는 SARS-CoV-2 변이체와 중화 항체에 대한 감수성의 신속한 정량화를 위한 강력한 플랫폼으로서 Ha-CoV-2의 큰 잠재력을 보여줍니다.
2023년 5월 현재 COVID-19 확진자는 7억 6,600만 명을 넘어섰습니다1. 전 세계적인 예방 접종 캠페인에도 불구하고 SARS-CoV-2는 델타(B.1.617.2) 및 오미크론(B.1.1.529)과 같은 새로운 변종의 출현으로 인해 지속적으로 순환하고 사람들을 감염시킵니다 2,3,4. SARS-CoV-2가 지속적으로 진화하고 있다는 점을 감안할 때 새로운 변이의 감염성과 이러한 변이에 대한 백신 유도 중화 항체의 효과를 정확하게 측정할 수 있는 빠른 분석을 개발하는 것이 중요합니다. 이러한 분석은 팬데믹 감시와 백신 및 변이 바이러스별 부스터의 효능을 결정하는 데 필수적입니다.
SARS-CoV-2의 전염성이 높기 때문에 질병통제예방센터(CDC)는 SARS-CoV-2 및 그 변종에 대한 연구를 생물안전 수준(BSL) 3 시설 5,6에서 수행할 것을 요구합니다. 이 BSL-3 요구 사항은 일반 연구 및 임상 실험실에서 바이러스 변이체 및 중화 항체의 감염성을 정량화하기 위해 살아있는 바이러스의 사용을 제한합니다. 또한, 복제가 가능한 살아있는 바이러스를 사용하는 플라크 또는 세포병증 효과 기반 분석법과 같은 기존의 SARS-CoV-2 중화 분석법은 시간이 많이 걸리고 긴 잠복기가 필요하다7. 중화 항체 8,9,10,11,12의 효과를 정량화하기 위해 여러 스파이크(S) 단백질 유사형 SARS-CoV-2 유사바이러스가 개발되었습니다. SARS-CoV-2에서 S 단백질은 바이러스 진입을 매개하는 주요 단백질입니다13, SARS-CoV-2 백신 9,10,14,15,16에 사용되는 주요 항원입니다. 수포성 구내염 바이러스(VSV-G) 또는 렌티바이러스와 같은 S 단백질 유사형 비리온은 중화 항체 17,18,19의 정량화에 사용되었습니다. 그럼에도 불구하고, 렌티바이러스 기반 유사 바이러스는 보고자 신호를 정량화하기 위해 일반적으로 2-3일의 감염이 필요합니다. VSV 기반 유사 바이러스 시스템에는 잔류 VSV 바이러스가 포함되어 있는 경우가 많으며, 이로 인해 위양성 결과가 발생할 수 있으며 일반적으로 24시간 동안 감염이 필요합니다20.
새로운 SARS-CoV-2 유사바이러스 시스템인 하이브리드 알파바이러스-SARS-CoV-2 유사바이러스(Ha-CoV-2)가 최근 Hetrick etal 12에 의해 개발되었습니다. Ha-CoV-2는 일반적인 BSL-2 실험실에서 바이러스 감염률과 중화 항체에 대한 바이러스 민감도를 신속하게 정량화할 수 있는 새로운 도구를 제공합니다. 구조적으로 Ha-CoV-2는 SARS-CoV-2 비리온 입자와 유사하며, S 단백질(S), 막(M), 뉴클레오캡시드(N) 및 외피(E)를 포함한 SARS-CoV-2 구조 단백질로 구성되어 있으며 다른 바이러스의 구조 단백질은 없습니다. 또한 Ha-CoV-2 입자는 세포에서 빠른 리포터 발현을 위해 알파바이러스의 빠르게 발현되는 RNA 게놈을 포함합니다. Ha-CoV-2는 백신 접종을 받은 사람 및 회복기 환자의 혈청에서 항체의 중화 활성을 빠르게 측정하는 것으로 나타났다12. Hetrick et al.에 의해 입증된 바와 같이, 시간 경과 분석에서 렌티바이러스 기반 SARS-CoV-2 유사 바이러스와 비교했을 때, Ha-CoV-2는 감염 후 2-4시간 이내에 Luc 리포터를 발현한 반면, 렌티바이러스-유사 바이러스는 24시간 후 Luc를 발현했습니다12. 또한, 중화 항체를 정량화하기 위한 Ha-CoV-2 변이체의 잠재적 응용은 표준 단클론 중화 항체인 27BV를 사용하여 추가로 입증됩니다( 보충 그림 1 참조)12. 이 연구에서는 델타(B.1.617.2) 및 오미크론(B.1.1.529) 변종을 예로 들어 SARS-CoV-2 변종의 감염력을 신속하게 정량화하기 위해 Ha-CoV-2 플랫폼을 사용하는 방법을 자세히 설명합니다. 또한, 중화 항체를 정량화하기 위한 Ha-CoV-2 변이체의 잠재적 응용은 표준 단클론 중화 항체인 27BV12를 사용하여 추가로 입증됩니다.
1. 바이러스 및 바이러스 입자 조립
2. 바이러스 감염 분석
3. Ha-CoV-2의 RNA 추출 및 정량적 역전사 효소 PCR(RT-qPCR)
4. 중화항체 분석
5. 정량화 및 통계 분석
Ha-CoV-2 입자는 HEK293T 세포에서 Ha-CoV-2 RNA 게놈과 SARS-CoV-2의 구조 단백질(M, N, E, S)을 발현하는 5개의 서로 다른 DNA 벡터를 사용하여 조립되었습니다. S 단백질 벡터는 S 변이체에 따라 달라집니다. 원래 Ha-CoV-2 우한 균주(야생형, Wt)의 S 단백질을 양성 대조군으로 사용했으며, 다른 두 변종인 델타(B.1.617.2) 또는 오미크론(B.1.1.529) 각각의 S 단백질과 함께 조립했습니다. 동일한 M, N, E가 모든 변형에 사용되었습니다. Ha-CoV-2(Wt) 및 변이체 입자는 cotransfection 48시간 후에 수집된 후 HEK293T(ACE2/TMPRSS2) 세포를 감염시키는 데 사용되었습니다. 감염성은 감염 후 18시간에 루시페라아제의 발현에 의해 측정되었습니다. 이 시스템에서 루시페라아제 신호의 발현 수준이 높을수록 Ha-CoV-2에 의한 세포 감염이 더 높다는 것을 나타냅니다. 루시페라아제 신호는 각 변이체에 대해 RT-qPCR에 의해 게놈 RNA 카피로 정규화되었습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 Ha-CoV-2 오미크론 변종은 원래 Ha-CoV-2(Wt)보다 4배에서 10배 더 높은 신호를 생성하여 더 높은 전염성을 시사합니다.
또한 HaCoV-2(Wt), 델타 및 오미크론 변종을 중화하는 27BV의 능력을 정량화했습니다. 27BV는 SARS-COV-2 S1 단백질의 RBD 도메인에 대해 개발된 토끼 단클론 항체입니다. 중화 분석을 위해 27BV의 연속 희석을 96웰 플레이트에서 수행하고 Ha-CoV-2로 사전 배양한 다음 HEK293T(ACE2/TMPRSS2) 표적 세포에 추가했습니다. 그 결과 27BV는 테스트된 모든 변이체에 대해 중화 활성을 보였다(그림 2). 흥미롭게도, 오미크론에 대한 27VB의 ID50은 Ha-CoV-2(WT) 및 Ha-CoV-2(Delta; 그림 2). 이러한 결과는 Ha-COV-2 플랫폼이 새로운 변이에서 백신 유도 중화 항체를 정량화하는 신속한 방법으로 사용될 수 있음을 보여줍니다.
그림 1. Ha-CoV-2 변이체의 조립 및 정량화. (A) Ha-CoV-2 및 변이 입자의 조립 그림. Ha-CoV-2 리포터 게놈과 구조 단백질(M, S, N, E)을 발현하는 벡터는 HEK293T 세포에서 cotransfection됩니다. 입자는 cotransfection 48시간 후에 수거되었습니다(비리온 입자 및 HEK293T 세포의 이미징은 Biorender.com 로 생성됨). (B) Ha-CoV-2 변이체의 감염성 정량화. 두 변이(델타 및 오미크론)의 상대적 감염성은 개별 Ha-CoV-2(Luc) 변이체의 게놈 RNA 사본을 사용하여 정량화되고 정규화됩니다. 야생형은 Ha-COV-2(Wt)로 비교를 위한 대조군으로 사용됩니다. 감염 및 루시페라아제 분석은 3회 수행되었습니다. RU, 상대 단위. 평균 및 표준 편차(SD)가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. Ha-CoV-2(Luc) 변이체에 대한 27BV 중화 활성의 정량화 27BV의 중화 활성은 HEK293T(ACE2/TMPRSS2) 세포의 감염 후 18시간 후에 분석되었습니다. ID50 은 상대 감염률(루시페라아제 활성) 대 27BV 농도를 사용하여 계산되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. HEK293T(ACE2/TMPRSS2)와 Ha-CoV-2(GFP) 감염. Ha-CoV-2(GFP) 입자를 조립한 다음 HEK293T(ACE2/TMPRSS2) 세포를 감염시키는 데 사용했습니다. GFP 발현은 형광 현미경을 사용하여 감염 후 48시간에 관찰되었습니다. 감염된 세포의 흰색 필드가 왼쪽에 표시되고 GFP 이미징이 오른쪽에 표시됩니다. 흰색 막대는 100μm를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1. 그래픽 초록. Ha-CoV-2 유사 바이러스 구조 및 응용 프로그램. Biorender.com 로 만든 이미지입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1. 단백질 서열. SARS-CoV-2 S, M, N 및 E 단백질의 염기서열 목록. S 단백질 염기서열에는 SARS-CoV-2 변이인 오미크론(B.1.1.529)과 델타(B.1.617.2)도 포함됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Ha-CoV-2 플랫폼은 바이러스 변이체를 정량화하고 항체를 중화하기 위한 빠르고 강력하며 간단한 워크플로우를 제공합니다. 그러나 주의가 필요한 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. Ha-CoV-2 유사 바이러스의 생산은 생존력이 높은 HEK293T 세포를 사용하여 수행해야 합니다. cotransfection 효율은 Ha-CoV-2 게놈의 GFP 리포터 유전자를 사용하여 transfection 후 24시간 동안 모니터링할 수 있습니다. Ha-CoV-2 게놈은 2개의 리포터(GFP 및 Luc)를 포함할 수 있으며, GFP는 표적 세포의 cotransfection 및 Ha-CoV-2 감염 후 발현될 수있다 12. 감염으로 인한 GFP+ 세포는 일반적으로 낮은 비율(1%에서 5%)이지만 감염된 각 세포는 강력한 GFP 신호를 나타냅니다(그림 3). 이 낮은 GFP 백분율은 감염된 세포의 전체적인 인구를 정량화하는 Luc 보고자와 비교된 항체 중화를 정량화하기를 위한 튼튼한 독서로 GFP의 사용을, 제한할지도 모릅니다.
중화 분석을 수행할 때 웰 이송 간에 피펫 팁을 변경하고 항체와 무혈청 배지가 완전히 혼합되어 정확한 결과를 얻을 수 있도록 하는 것이 중요합니다. 또한 루시페라아제 분석 프로토콜을 수행할 때 세포의 완전한 용해와 루시페라아제 효소의 방출을 보장하기 위해 최소 3분 동안 세포를 완전히 용해해야 합니다. 이렇게 하면 분석의 정확성이 보장됩니다. 또한, Firefly 루시페라아제 분석 용액이 광학 백색벽 96웰 플레이트에 추가되면, 초기 광 방출이 높지만 ATP가 고갈됨에 따라 시간이 지남에 따라 감소하기 때문에 플레이트를 10분 이내에 분석해야 합니다21.
더 많은 SARS-CoV-2 변이가 계속 진화함에 따라 Ha-CoV-2와 같은 플랫폼이 변이 감염성 및 백신 유도 중화 항체에 대한 변이 민감도를 신속하게 스크리닝해야 할 필요성이 증가하고 있습니다. Ha-CoV-2 플랫폼은 기존 유사 바이러스 기반 중화 분석에 비해 더 빠른 속도, 더 높은 신호 대 잡음비 및 간단한 프로토콜을 제공합니다 8,9,10,11. Ha-CoV-2 플랫폼은 또한 BSL-2 실험실에서 사용할 수 있고 BSL-3 시설을 사용할 필요가 없다는 이점을 제공합니다. 이를 통해 SARS-CoV-2는 일반 연구 및 임상 실험실에서 연구를 진행할 수 있습니다. 또한 Ha-CoV-2 플랫폼은 다른 시스템에 비해 빠른 결과를 제공합니다. 예를 들어, 전염성 SARS-CoV-2 바이러스에 대한 중화 항체 연구는 종종 플라크 감소 중화 테스트(PRINT)22를 사용합니다. PRINT는 신뢰할 수 있는 결과를 생성하지만, 플라크 형성 단위(PFU)의 수동 계수는 느리고 결과를 얻는 데 3-5일이 소요됩니다 23,24. 렌티바이러스-슈도바이러스(lentivirus-pseudovirus)와 같은 다른 유사형 시스템은 검출 가능한 리포터 신호(12)를 생성하기 위해 24-72시간이 필요하다. 이에 비해 Ha-CoV-2 중화 분석은 18시간 이내에 결과를 생성할 수 있습니다. Ha-CoV-2는 바이러스 변이체의 신속한 스크리닝 및 정량화와 팬데믹 모니터링을 위한 중화 항체를 위한 편리한 도구를 제공합니다.
SARS-CoV-2의 감염성 모니터링은 더 많은 우려 변이(VOC)가 계속 등장함에 따라 필수적입니다. Ha-CoV-2는 VOC의 감염성을 신속하게 결정할 수 있는 이점을 제공합니다. 이전 연구에서는 인공 지능(AI) 기반 모델링을 사용하여 오미크론 하위 변종과 델타 변종25와 같은 다른 SARS-CoV-2 변종의 감염력을 정량적으로 분석했습니다. 이 연구는 오미크론 변이가 원래 바이러스보다 전염성이 더 강하고 중화항체를 회피할 가능성이 더 높다는 것을 보여주었다25. 이 연구에서 Ha-CoV-2를 사용하여 유사한 표현형이 관찰되었습니다. 또한 항체 중화 분석에서 오미크론 변이는 우한 및 델타 균주보다 27BV에 의해 중화될 가능성이 10배 낮습니다. 이러한 결과는 또한 수용체 결합 도메인(RBD)에 최소 15개의 돌연변이가 있는 오미크론 변이의 전염성이 더 높다고 보고된 것과 일치하며, ACE2 수용체에 대한 바이러스 결합 친화도를 향상시켜 더 높은 전염성과 더 큰 면역 회피를 가능하게 할 가능성이 있다26.
George Mason University에서 특허를 출원했으며 제품 개발을 위해 Virongy Biosciences Inc.에 라이선스를 부여했습니다. Y.W.는 Virongy Biosciences의 창립자이자 자문위원회 위원입니다. B. H는 현재 Virongy Biosciences의 CEO 겸 최고 과학 책임자입니다. 저자는 다른 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 조지 메이슨 대학교 내부 연구 기금의 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
27VB1 20 µg SARS-CoV-2 Standard Neutralizing Antibody | Virongy Biosciences | 27VBI-01 | |
500 mL - US Origin FBS | Neuromics | FBS001 | |
AB Mixing Plate: Olympus 96-Well PCR Plate, Non-Skirted UltraThin Wall, Natural, 25 Plates/Unit | Genesee Scientific | Cat# 24-300 | |
Allegra 6R Centrifuge | Beckman Coulter | 2043-30-1158 | |
DMEM (1x) | ThermoFisher | 11995-073 | |
GenClone 25-209, TC Treated Flasks, 250ml, Vent Growth Area: 75.0cm2, 5 per Sleeve, 100 Flasks/Unit | Genesee Scientfic | 25-209 | |
GlowMax Discover Microplate reader | Promega | GM3000 | |
Ha-CoV-2 E Vector | Virongy Biosciences | pCoV2_E | |
Ha-CoV-2 M Vector | Virongy Biosciences | pCoV2_M | |
Ha-CoV-2 N Vector | Virongy Biosciences | pCoV2_N | |
Ha-CoV-2 WT S Vector | Virongy Biosciences | pCoV2_WT S | |
Hek293T cells | ATCC | CRL-3214 | |
Illumination Firefly Luciferase Enhanced Assay Kit 1000 assays | Gold Bio | I-930-1000 | |
Infection Plate: 96-Well Tissue Culture Plate, Greiner Bio-One (With Lid, μClear White Flat Round, Chimney) | VWR | Cat# 82050-758 | |
pAlphaPro-Luc-GFP-PreΨ (Ha-CoV-2 Genome) Vector | In house | ||
PEI-based Transfection Reagent | Virongy Biosciences | Transfectin | |
Penicillin-Streptomycin-Glutamine (100X) | Invitrogen | 10378016 | |
Polyethylenimine, branched | Millipore Sigma | 408727-100ML | |
QuantStudio 7 Pro Real-Time PCR System | ThermoFisher | A43163 | |
Ready to use (HEK293T)(ACE2/TMPRSS2) Cells | Virongy Biosciences | Ready-To-Use-Cells | |
SARS-CoV-2 S Omicron (B.1.1.529) Vector | Virongy Biosciences | pCoV2-B.1.1.529 | |
SARS-CoV-2 S Delta (B.1.617.2) Vector | Virongy Biosciences | pCoV2- B.1.617.2 | |
Syringe Filters, PES, 0.22µm | Genesee Scientfic | 25-244 | |
TaqMan Fast Virus 1-Step Master Mix | ThermoFisher | 4444432 | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | ThermoFisher | 15250061 |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유