Heidelbergse wetenschappers brengen coronastructuren nu in mum van tijd in beeld

Virale ziekteverwekkers zoals het SARS-CoV-2 coronavirus veranderen de inwendige structuur van de cellen die zij infecteren. Deze veranderingen vinden plaats op het niveau van de afzonderlijke celcomponenten, de organellen, en kunnen informatie verschaffen over hoe virale ziekten zich ontwikkelen. Zij worden alleen zichtbaar met behulp van bijzonder krachtige beeldvormingsmethoden, die echter veel gegevens en tijd vergen.

Een Duits-Amerikaans onderzoeksteam onder leiding van Dr. Venera Weinhardt van het Centre for Organismal Studies (COS) van de Universiteit van Heidelberg heeft nu een speciale röntgenprocedure – de zogenaamde zachte röntgentomografie – zodanig geoptimaliseerd dat binnen enkele minuten driedimensionale beelden met een hoge resolutie van hele cellen en hun moleculaire structuur worden verkregen, aldus de Universiteit van Heidelberg in een persbericht.

Zachte röntgentomografie

“Rasterelektronenmicroscopen genieten de voorkeur bij de beeldvorming van cellen omdat zij zeer scherpe beelden op nanoschaal opleveren”, legt Venera Weinhardt uit, een postdoctoraal onderzoeker bij het COS en het Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley (VS). “Maar met deze technologie kan het een goede week duren om een enkele cel te scannen. Bovendien worden enorme hoeveelheden gegevens gegenereerd, die tegen hoge kosten moeten worden geanalyseerd en geïnterpreteerd. Met zachte röntgentomografie daarentegen, krijgen we bruikbare resultaten binnen vijf tot tien minuten.”

Een hoge verwerkingscapaciteit is enorm belangrijk om een groot aantal cellen te kunnen onderzoeken, benadrukt moleculair viroloog Prof. Dr. Ralf Bartenschlager, die met zijn afdeling in het universitair ziekenhuis van Heidelberg samen met Dr. Weinhardt werkt aan de beeldvorming van infectie-geassocieerde veranderingen in cellen. Volgens de wetenschapper is vaak slechts een deel van de cellen in het weefsel geïnfecteerd. Alleen deze geven informatie over de veranderingen die direct door de infectie worden veroorzaakt. Het is echter niet mogelijk om deze cellen met een rasterelektronenmicroscoop op te sporen.

Structuren voor verspreiding van corona

De techniek van de zachte röntgentomografie (SXT), is reeds met succes gebruikt om individuele virusdeeltjes, zogenaamde virionen, van verschillende virustypes en daarmee gepaard gaande veranderingen in cellen op te sporen. Nu hebben de wetenschappers de techniek gebruikt om celculturen te onderzoeken van long- en nierweefsel dat besmet is met SARS-CoV-2.

Met behulp van zachte röntgenstralen slaagden zij erin binnen vijf tot tien minuten volledige cellen en hun structuur driedimensionaal in beeld te brengen. Bovendien waren de onderzoekers in staat ophopingen van SARS-CoV-2-deeltjes op celoppervlakken te detecteren en virusgerelateerde veranderingen in het celinterieur te identificeren. Hierdoor werden onder meer structuren zichtbaar die mogelijk dienen voor de replicatie en de verspreiding van het virus.

“Blinde” vlekken

Volgens Dr. Weinhardt was de doorslaggevende factor voor het succes dat met deze techniek gefixeerde cellen kunnen worden onderzocht, d.w.z. cellen die chemisch zijn behandeld om het virus te desactiveren. Net als bij elektronentomografie wordt bij zachte röntgentomografie gewoonlijk gebruik gemaakt van platte rasterstructuren als houders.

Wanneer de monsters op de juiste manier worden gekanteld, kan de dichtheid van de monsters zodanig veranderen dat sommige celstructuren alleen nog maar wazig zijn. Bovendien ontstaan er “blinde” vlekken omdat de cellen door de vorm van de houder niet vanuit alle hoeken kunnen worden gescand. Bovendien bestaat het risico dat monsters aan het raster blijven kleven of zich erover uitbreiden, zodat meerdere tomogrammen nodig zijn om een hele cel weer te geven.

Laboratoriumversie

“Om deze problemen te omzeilen, zijn we overgeschakeld op glazen capillaire vaten met een cilindrische vorm. Tijdens het microscopieproces kunnen de monsters, die in een roterende stand zijn gezet, 360 graden worden gedraaid en vanuit alle hoeken optimaal worden vastgelegd”, zegt zij. De onderzoekers werken nu aan de verdere verfijning van de technieken voor monstervoorbereiding, de automatisering van de evaluatie van de driedimensionale beeldgegevens en de ontwikkeling van de laboratoriumversie van een zachte röntgenmicroscoop.

Het onderzoek in Heidelberg werd gefinancierd door de Duitse onderzoeksstichting (DFG), de Europese Onderzoeksraad (ERC) en het Horizon 2020-kaderprogramma van de Europese Unie. De resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift “Cell Reports Methods”.

Ook interessant: 3D-beelden van binnenkant kankergezwel