观察病毒活动的新方法超分辨率显微镜提供纳米级的观察

斯坦福大学的研究团队在《自然通讯》杂志上发表文章称，他们从纳米尺度上对SARS-CoV-2病毒在细胞中复制的方式进行了新的观察，这可能为药物开发提供更高的精度。研究人员利用先进的显微镜技术，制作出了可能是目前最清晰的病毒RNA和复制结构图像，他们看到这些病毒RNA和复制结构在受感染细胞的细胞核周围形成球形。

斯坦福大学工程学院和医学院生物工程副教授、论文共同资深作者斯坦利·齐(StanleyQi)表示：“我们之前从未以如此高的分辨率观察到COVID感染细胞，也不知道我们在观察什么。能够随着时间的推移以这种高分辨率了解你在观察什么，对病毒学和未来的病毒研究(包括抗病毒药物开发)有着根本性的帮助。”

闪烁的RNA

这项研究揭示了病毒在宿主细胞内活动的分子级细节。为了传播，病毒本质上是接管细胞，并将其转变为病毒生产工厂，配有特殊的复制细胞器。在这个工厂里，病毒RNA需要不断自我复制，直到积累了足够的遗传物质，才能移出并感染新细胞，然后重新开始这个过程。

斯坦福大学的科学家们试图以迄今为止最清晰的细节揭示这一复制步骤。为此，他们首先用不同颜色的荧光分子标记病毒RNA和复制相关蛋白。但单独对发光RNA进行成像会导致在传统显微镜下产生模糊的斑点。因此，他们添加了一种暂时抑制荧光的化学物质。然后分子会在随机时间再次闪烁，并且每次只有少数分子亮起。这使得更容易精确定位闪光，从而揭示单个分子的位置。

研究人员使用一套包括激光器、高倍显微镜和每10毫秒拍摄一次照片的相机的设备，收集了闪烁分子的快照。当他们将这些图像组合在一起时，他们能够创建精细的照片，显示病毒RNA和细胞中的复制结构。

“我们拥有高度灵敏和特异性的方法，而且分辨率也很高，”论文共同第一作者、斯坦福大学化学博士后学者LeonidAndronov说道。“你可以看到细胞内的一个病毒分子。”

由此产生的图像分辨率为10纳米，揭示了迄今为止病毒如何在细胞内自我复制的最详细视图。图像显示洋红色RNA在细胞核周围形成团块，并积聚成一个大的重复图案。“我们是第一个发现病毒基因组RNA在高分辨率下形成独特球状结构的人，”共同主要作者、斯坦福大学生物工程博士后学者MengtingHan说道。

这篇论文的共同资深作者、人文与科学学院化学教授HarryS.Mosher表示，这些簇有助于揭示病毒如何逃避细胞的防御。“它们聚集在一层膜内，膜将它们与细胞的其余部分隔离开来，这样它们就不会受到细胞其余部分的攻击。”

纳米级药物测试

与使用电子显微镜相比，借助闪烁的荧光标记，新成像技术可让研究人员更准确地了解病毒成分在细胞中的位置。它还可以提供通过生化分析进行的医学研究中无法看到的细胞过程的纳米级细节。

莫纳说：“传统技术与这些记录细胞中物体实际位置的空间记录完全不同，但分辨率要高得多。基于荧光标记，我们的优势在于我们知道光来自哪里。”

准确了解病毒的感染过程对医学具有重要意义。观察不同病毒如何感染细胞可能有助于解答一些问题，例如为什么某些病原体只产生轻微症状，而另一些病原体却会危及生命。超分辨率显微镜也有利于药物开发。“这种复制细胞器的纳米级结构可以为我们提供一些新的治疗靶点，”韩说。“我们可以用这种方法筛选不同的药物，并观察其对纳米级结构的影响。”

事实上，这正是该团队计划做的。他们将重复实验，观察病毒结构在Paxlovid或瑞德西韦等药物存在下如何变化。如果候选药物可以抑制病毒复制步骤，则表明该药物可以有效抑制病原体并使宿主更容易抵抗感染。

研究人员还计划绘制构成SARS-CoV-2的所有29种蛋白质，并观察这些蛋白质在整个感染过程中的作用。齐说：“我们希望我们准备好真正使用这些方法来应对下一个挑战，以快速了解内部情况并更好地理解它。”