3D组织定量培养分析，揭示HIV病毒在细胞间接触传播
发布日期：2020-09-28
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病毒在细胞间传播
像人类免疫缺陷病毒（HIV）这样的病原体的传播方式通常在试管中进行研究，即在二维细胞培养中进行研究，尽管它几乎不能反映人体内复杂的内环境条件。但利用创新的细胞培养系统、定量图像分析和计算机模拟，海德堡大学的一个跨学科科学家团队现在已经探索了艾滋病如何在三维的组织样环境中传播方式。研究人员的研究结果表明，这种组织结构迫使病毒通过细胞间的直接接触传播。
胶原质结构（灰色）感染细胞（绿色）与非感染细胞（红色）相互作用的显微镜记录和计算机模型
尽管进行了30多年的研究，但人们对艾滋病的许多关键方面，即获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的病原体如何传播仍不清楚。其中一个尚未解决的问题是病毒与人体环境之间的相互作用。传统上认为，被感染的细胞释放病毒颗粒，然后扩散，最终感染其他细胞。但病毒颗粒也有可能通过密切接触直接从一个受感染的细胞转移到下一个细胞。到目前为止，还不清楚组织中流行哪种传播方式。
”实验室中对艾滋病毒复制的研究大多是在不反映组织结构复杂和异质性的塑料器皿中进行简单细胞培养实验中进行的，”海德堡大学医院综合传染病研究中心（CIID）的研究主任奥利弗·法克勒博士解释说。
在他们的研究中，海德堡的研究人员考虑到，所谓的CD4 T辅助细胞，即被HIV感染的首选细胞类型，在生理环境中是高度活跃的。他们使用了一种新的细胞培养系统，在这个系统中，胶原蛋白的帮助下生成了一个三维支架。这使得细胞的流动性得以维持，并能在类似组织的环境中连续数周监测感染了HIV-1的原发性CD4 T细胞。利用这种创新的方法，研究人员测量了一些特征性的因素，这些因素包括细胞运动、病毒复制和CD4 T辅助细胞的逐渐丧失。
“这产生了一组非常复杂的数据，如果没有其他学科的科学家的帮助，这些数据是不可能解释的，”安德里亚·伊姆勒博士解释说，她在CIID的博士学位期间就参与了这个项目。
在分析数据时，进行实验的科学家与来自图像处理、理论生物物理学和数学建模领域的同事合作。他们一起能够描述细胞和病毒的复杂行为，并在计算机上进行模拟。“这使得我们能够对决定HIV-1在这些3-D培养物中传播的关键过程做出重要的预测，这一点在随后的实验中得到了证实。”海德堡大学理论物理研究所的Ulrich Schwarz教授说：“我们的跨学科研究是一个很好的例子，说明了实验和模拟的迭代周期是如何帮助定量分析复杂的生物过程。”
数据分析表明，细胞培养系统的三维环境抑制了无细胞病毒的感染，同时促进了病毒在细胞间的直接传播。”我们的模型使我们能够将短期的单细胞显微镜胶片与长期的细胞群体测量相结合，从而估计细胞间接触传播感染所需的最小时间跨度，”海德堡大学生物量中心的Frederik Graw博士解释说。研究人员希望这些发现最终会为开发治疗艾滋病的新方法提供帮助。
参考资料
HIV spreads through direct cell-to-cell contact
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