Een wetenschappelijk onderzoeksteam uit Zwitserland en Japan heeft onlangs voor het eerst met hoge ruimtelijke en temporele resolutie het hele proces van het influenzavirus dat zich over het oppervlak van levende menselijke cellen beweegt en de cellen binnendringt, vastgelegd, wat een ongekend gedetailleerd perspectief biedt op het onthullen van de eerste fase van virale infectie. Onderzoek toont aan dat gastheercellen geen passieve doelwitten zijn, maar actief strekken, duwen en trekken wanneer het virus nadert. De relatie tussen het virus en de cel lijkt meer op een nauwkeurig gecoördineerde ‘invasiedans’.

Influenza-infectie begint meestal wanneer virushoudende druppeltjes het menselijk lichaam binnendringen. Het virus hecht zich aan het oppervlak van cellen zoals ademhalingsepitheel en voltooit de invasie. Met behulp van gekweekte menselijke cellen als model ontwikkelde het samenwerkingsteam een ​​gespecialiseerde microscopische beeldvormingstechnologie die continu de ultrastructurele dynamiek van het celoppervlak kan observeren onder een vergroot gezichtsveld, waardoor het volledige proces van influenzavirussen die voor het eerst levende cellen binnendringen 'live wordt uitgezonden'. Het project werd geleid door Yohei Yamauchi, hoogleraar moleculaire geneeskunde aan de ETH Zürich. Hij beschreef de virusinvasie als ‘als een dans tussen het virus en de cel’. De cel zal actief "uitreiken" in de richting van het virus en deelnemen aan het hele proces van omhulling en endocytose.

Uit de studie bleek dat hoewel de resultaten aantonen dat dit proces het virus alleen maar helpt de infectie te voltooien, het virus feitelijk de normale endocytische route kaapt die door cellen wordt gebruikt om essentiële moleculen zoals hormonen, cholesterol en ijzer op te nemen. Het influenzavirus moet zich eerst binden aan specifieke moleculen op het celoppervlak en vervolgens langs het celmembraan ‘glijden’, van de ene positie naar de andere op het membraanoppervlak bewegen totdat het een gebied vindt met een hoge concentratie aan oppervlaktereceptoren, wat de meest effectieve ‘invasie-ingang’ wordt. Wanneer de receptor het virus herkent en de aggregatie ervan voltooit, zal het celmembraan een geleidelijk verzonken put vormen. Een structureel eiwit genaamd clathrin draagt ​​bij aan de vorming en ondersteuning ervan, waardoor de put dieper wordt en het virus er uiteindelijk als een zak omheen wikkelt om een ​​blaasje te vormen. Vervolgens wordt dit blaasje de cel in getrokken en valt de oppervlaktelaag ervan geleidelijk uiteen, waardoor het virus in de cel kan vrijkomen en de volgende fase van het replicatieproces begint.

In het verleden hebben onderzoekers geprobeerd elektronenmicroscopen te gebruiken om deze belangrijke link vast te leggen, maar dergelijke technieken vereisen het repareren en vernietigen van cellen, en kunnen alleen statische "momentopnamen" verkrijgen, waardoor het moeilijk wordt om dynamische processen te herstellen. Hoewel fluorescentiemicroscopie levende cellen in beeld kan brengen, wordt deze beperkt door de ruimtelijke resolutie en kunnen ze geen fijne structurele details onthullen, zoals celmembraandepressies en eiwitaggregatie. Om deze knelpunten te doorbreken heeft het team een ​​nieuwe methode ontwikkeld die atomaire krachtmicroscopie (AFM) combineert met confocale fluorescentiemicroscopie, genaamd "Virus Visible Dual-Mode Confocal-Atomic Force Microscopy" (ViViD-AFM). Enerzijds maakt deze technologie gebruik van atoomkrachtmicroscopie om de oppervlaktemorfologie van cellen op nanometerschaal te beschrijven. Aan de andere kant gebruikt het fluorescentiesignalen om de posities van virussen en verwante eiwitten te markeren om gelijktijdige tracking van structuur en functie te bereiken.

Met behulp van ViViD-AFM hebben onderzoekers waargenomen dat cellen op meerdere niveaus actief met het virus ‘samenwerken’ om de invasie te voltooien: ze rekruteren bijvoorbeeld nauwkeurig clathrine naar de locatie van het virus en helpen bij het vormen van membraanblaasjes die het virus inkapselen. Wanneer het virus iets verwijderd is van het celoppervlak, zal het celmembraan naar boven "optillen", waardoor duidelijke vervorming en dynamische beweging ontstaat om het virus opnieuw te benaderen en te vangen. Deze bewegingen zijn intenser als het virus iets afwijkt. Dit toont aan dat het influenzavirus voor een groot deel het sterk gereguleerde stofopnamesysteem van de cel zelf overneemt en het mechanisme dat oorspronkelijk werd gebruikt voor levensondersteunende activiteiten als infectieroute ‘omkeert’.

Het onderzoeksteam wees erop dat dit nieuwe beeldvormingsplatform van groot belang is voor de ontwikkeling van antivirale geneesmiddelen, omdat het de specifieke effecten van kandidaat-geneesmiddelen op elke stap van de virusinvasie in realtime in een levend celsysteem kan observeren, waardoor een meer gerichte screening en optimalisatie van remmingsstrategieën mogelijk wordt. Bovendien beperkt ViViD-AFM zich niet tot griepvirussen. In de toekomst kan het ook worden gebruikt om de interactie tussen andere virussen en zelfs vaccindeeltjes en cellen te bestuderen. Er wordt verwacht dat het uitgebreidere fysieke en biologische aanwijzingen zal opleveren in de vroege stadia van infectie en een experimentele basis zal bieden voor het ontwerpen van nieuwe antivirale therapieën en preventiemethoden.