顯微鏡在病毒學中的應用

顯微技術

引起新型病毒肺炎的冠狀病毒SARS-CoV-2肆虐全球并影響了我們生活的方方面面。對于免疫和治療方法的搜索研究（即如何抗擊該病毒）成為了2020年人類的第一要務。顯微鏡在這類研究中起著重要作用。

為了了解受體結合、基因組釋放、復制、裝配和病毒出芽的基本原理以及我們的免疫系統效應，可以使用不同的方法和顯微鏡。本文概述了為什么顯微鏡是病毒學和感染生物學的重要工具，并舉例說明了不同的顯微技術及其在這些研究領域中的應用。

｜顯微鏡在病毒學領域內有著廣泛應用｜

光學顯微鏡對于病毒學家來說應用范圍很廣。大多數光學顯微鏡是基于熒光的。熒光顯微鏡大致可分為免疫熒光和熒光蛋白的利用。免疫熒光利用固定的細胞或組織，用熒光標記的抗體對目標蛋白進行染色，而熒光蛋白也可用于活細胞成像。

病毒學中使用的顯微鏡包括寬場顯微鏡、共聚焦顯微鏡和超分辨顯微鏡。此外，激光顯微切割也具有一定的適用性。

以下參考文獻將讓您概括了解比較突出的顯微鏡檢查方法及其在病毒學中的應用：

細胞脂質代謝對新型病毒復制的影響

Müller等人研究了細胞脂質代謝對冠狀病毒復制的影響。他們用冠狀病毒HCov-229E感染Huh-7細胞，并用抗dsRNA、冠狀病毒N蛋白和冠狀病毒NSP8蛋白的抗體對這些細胞進行染色。此外，他們還利用胞體磷脂PC-A2標記。然后用配備63x平場復消色差物鏡的TCS SP5共聚焦顯微鏡進行成像。研究人員集中研究了dsRNA和PC-A2的共定位。

細胞質磷脂酶A2α（cPLA2α）產生磷脂。當他們用cPLA2α抑制劑處理細胞時，他們可以檢測到對人類冠狀病毒細胞中病毒RNA和蛋白質積累的顯著影響。進一步研究之后，他們觀察到RTC（病毒復制/轉錄復合物）與含有溶血磷脂的膜結構共定位。有鑒于此，他們得出結論，cPLA2α可能是抗病毒的藥物靶點。

病毒有自己的RNA或DNA。鑒于這一事實，病毒可以通過熒光原位雜交(FISH)技術來進行檢測，期間使用熒光探針對病毒核苷酸進行標記。

圖1：病毒粒子的典型結構：蛋白質如聚合酶、核酸（RNA或DNA）、脂質雙層（包被）、包膜蛋白、核糖核蛋白和衣殼。

免疫抑制機制的監測標志物

Jarret等人并沒有對病毒進行研究而是對小鼠黏膜屏障的細菌感染進行了研究。通過單分子熒光原位mRNA雜交（smFISH；THUNDER Imager 3D Live Cell) ，他們發現腸神經元產生細胞因子IL-18。他們據此可以證明神經元衍生的IL-18信號在腸道免疫中起主要作用，這一研究成果此前尚未被發現。

免疫抑制機制的監測標志物

免疫抑制可以在病毒感染小鼠模型的幫助下進行研究。對小鼠肺部進行了大型多通道掃描，以監測免疫抑制機制的標志物。用流感病毒感染小鼠，然后研究肺基底樣結構的退行性變化 (THUNDER Imager 3D Cell Culture)。

圖2：免疫熒光，角蛋白-5（綠色），PDL-1（紅色）：小鼠肺切片，接種Puerto Rico 8流感病毒毒株誘導肺上皮損傷。感謝Cedars-Sinai醫療中心Andrew Beppu提供圖片。

DENV誘導基因表達效應

Sim等人研究了登革熱病毒（DENV）在黃熱病蚊（埃及伊蚊）唾液腺中誘導的基因表達效應。作者發現，感染DENV后，蚊子唾液腺的轉錄組發生了改變。利用基因表達芯片進行基因表達分析，他們第一次發現了一些基因的表達，這些基因對蚊子尋找和探測寄主的行為有影響。他們使用免疫熒光顯微鏡來識別蚊子化學感受器中病毒豐富的區域（見圖3）。

圖3：Sim等人檢驗埃及伊蚊在感染登革病毒后的唾液腺。

亨德拉病毒感染細胞的形態

Monaghan等人在顯微鏡的幫助下對亨德拉病毒感染細胞的形態進行了特征分析。共焦圖像 (TCS SP5) 揭示了細胞內病毒蛋白質的分布，而超高分辨率顯微鏡 (SR-GSD) 甚至可以近距離觀察病毒顆粒內的蛋白質分布。

與拉克羅斯病毒（LACV）核衣殼結合的細胞RNA解旋酶

Weber等人利用超高分辨率顯微鏡對與拉克羅斯病毒（LACV）核衣殼 (SR-GSD)相結合的細胞RNA解旋酶進行了研究。為此要在感染的A549細胞當中使用免疫熒光來對病毒LACV N蛋白質和細胞RNA解旋酶RIG-I進行染色。超高分辨率顯微鏡提供了RIG-I通過5’ppp dsRNA長鏈與核衣殼相結合的生化數據。

自然殺傷（NK）細胞

Maze和Orange研究了病毒中的重要對手——自然殺傷（NK）細胞。這些細胞從屬于先天免疫系統，負責監視病毒感染和癌變細胞。通過免疫突觸直接分泌特異性外泌體，殺死病毒感染的細胞。用STED納米顯微鏡 (TCS SP8 STED) 研究了裂解顆粒與NK細胞骨架的相互作用。

圖4：病毒復制周期從與宿主細胞表面的受體結合開始。在內吞作用后，病毒內容物被釋放到宿主細胞中。RNA（RNA病毒）可以直接翻譯成蛋白質，而DNA（DNA病毒）必須首先轉錄。此外，病毒基因組在細胞核或所謂的病毒工廠中復制。之后，病毒組分組裝起來再次形成一個完整的病毒顆粒，通過宿主細胞的質膜實現萌芽再感染其他細胞。溶胞病毒不會萌芽，但會破壞宿主細胞釋放。

STED納米顯微鏡成像免疫突觸

Zheng等人的另一篇發表文獻中闡述了使用STED納米顯微鏡 (TCS SP8 STED)對免疫突觸進行成像的技術流程。

STED納米顯微鏡揭示寄生蟲學問題

除了病毒學和免疫學外，STED納米顯微鏡還能夠揭示寄生蟲學問題，例如紅細胞裂殖子入侵。3D STED (TCS SP8 STED) 發現了了瘧原蟲感染相關蛋白組分的空間信息。

冠狀病毒對細胞NF-κB信號傳輸及染色質分布的影響

Poppe等人研究了冠狀病毒對細胞NF-κB信號傳輸及染色質分布的影響。借助激光顯微切割（LMD6000），他們分離出了表達冠狀病毒N蛋白的細胞并提取了其中的全部RNA。利用RT-qPCR和微陣列分析，他們發現了細胞中的哪些mRNAs表達不足或表達過度。此外，他們使用冠狀病毒N蛋白質的免疫熒光來監測病毒感染及其在A546細胞（DMIRE2， DMi8)中的分布情況。

SARS-CoV和SARS-CoV-2都能感染腸上皮細胞

Lamers等人研究了冠狀病毒SARS-CoV-2是否不僅僅感染呼吸系統，還會感染人腸道。使用共焦顯微鏡 (TCS SP8) 和電子顯微鏡（EM樣本制備：EM UC7) 檢查人類小腸類類器官后，他們發現SARS-CoV和SARS-CoV-2都能感染腸道上皮細胞。

明場顯微鏡在病毒學中起著直接的作用，但只是次要的作用，因為熒光顯微鏡更好地滿足了研究人員的需求。盡管如此，在研究動物組織時，明場顯微鏡還是有用武之地的。例如，研究人員可以檢查病毒感染后組織的形態變化等。

此外，明場顯微鏡會在細胞培養實驗室當中用于檢查已經受到感染或者即將受到感染的細胞 (DM IL, DMi1, PAULA)的健康和生長狀態(見圖5) 。

圖5：MDCK細胞（一種極化細胞系，與其他細胞系一同用于病毒學研究）的明場圖像。

這份顯微鏡檢查方法的清單并不全面。還有其他一些技術也可以用來可視化病毒，但不在本文的討論范圍內。例如，電子顯微鏡（EM）可以分辨病毒顆粒。單分子檢測和熒光壽命成像（FLIM） (STELLARIS 8 FALCON)以及多光子顯微鏡 (STELLARIS 8 DIVE) 是適用于病毒學研究的其他方法。

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