Последовательный переход - Serial passage

Последовательный переход относится к процессу роста бактерии или вирус в итерациях. Например, вирус может быть выращен в одной среде, а затем часть этого вируса может быть удалена и помещена в новую среду. Этот процесс повторяется с желаемым количеством этапов, а затем конечный продукт изучается, часто в сравнении с исходным вирусом.

Такой вид облегченной передачи часто проводится в лабораторных условиях, потому что интересно наблюдать, как передаются вирус или бактерия. развивается в ходе эксперимента. В частности, последовательный переход может быть весьма полезен в экспериментах, направленных на изменение вирулентность вируса или другого возбудитель. Одним из следствий этого является то, что последовательный отрывок полезен при создании вакцина, поскольку ученые могут применить серийный пассаж и создать штамм вируса с низкой вирулентностью.[1]

Механизм

Последовательный переход может быть выполнен in vitro или же in vivo. В методе in vitro вирус или штамм бактерий выделяют и дают им возможность расти в течение определенного времени. После того, как образец вырастет в течение этого времени, его часть будет перенесена в новую среду и позволена расти в течение того же периода.[2][3] Этот процесс будет повторяться сколько угодно раз.

В качестве альтернативы можно провести эксперимент in vivo, когда животное инфицировано патогеном, и этому патогену дается время для роста в этом хозяине, прежде чем его образец будет удален от хозяина и передан другому хозяину. Этот процесс повторяется для определенного количества хостов; индивидуальный эксперимент определяет это число.

При последовательном пассаже in vitro или in vivo вирус или бактерия могут развиваться путем мутирующий несколько раз.

Выявление и изучение мутаций, происходящих при последовательном прохождении, часто позволяет получить информацию об изучаемом вирусе или бактерии. Соответственно, после выполнения серийного пассажа может быть полезно сравнить полученный вирус или образец бактерий с исходным, отмечая любые произошедшие мутации и их коллективные эффекты. Могут произойти различные важные исходы. Вирулентность вируса может быть изменена,[4] например, или вирус может эволюционировать, чтобы адаптироваться к среде хозяина, отличной от той, в которой он обычно находится.[4] Обратите внимание, что для заметного изменения вируса необходимо относительно небольшое количество переходов; например, вирус обычно может адаптироваться к новому хозяину за десять или около того проходов.[4]

Фактически, именно потому, что последовательный пассаж позволяет вирусу быстро эволюционировать к его хозяину, его можно использовать для изучения эволюции устойчивости к антибиотикам; в частности, для определения того, какие мутации могут привести к развитию устойчивости к антибиотикам.[5]

История

Техника последовательного прохождения существует примерно с 1800-х годов. Особенно, Луи Пастер Работа с вакцина против бешенства в конце 1800-х годов служит примером этого метода.[6]

За свою жизнь Пастер создал несколько вакцин. Его работа до бешенства заключалась в ослаблении вируса, но не в последовательном прохождении. В частности, Пастер работал с холера и обнаружил, что если он будет культивировать бактерии в течение длительного времени, он сможет создать эффективную вакцину.[6][7] Пастер думал, что в кислороде есть что-то особенное, и именно поэтому он смог ослабить (создать менее опасную версию) вирус. Пастер также пытался применить этот метод для создания вакцины против сибирская язва, хотя и с меньшим успехом.[6]

Затем Пастер хотел применить этот метод для создания вакцины от бешенства. Однако, без его ведома, бешенство было вызвано вирусом, а не бактериальным патогеном, таким как холера и сибирская язва, и по этой причине бешенство нельзя было культивировать так же, как холеру и сибирскую язву.[7] Методы серийного пассажа вирусов in vitro не разрабатывались до 1940-х годов, когда Джон Эндерс, Томас Веллер, и Фредерик Роббинс разработал для этого методику. Эти трое ученых впоследствии выиграли Нобелевская премия за их главное продвижение.[8]

Чтобы решить эту проблему, Пастер работал с вирусом бешенства in vivo.[6][7] В частности, он взял ткань мозга у инфицированной собаки и трансплантировал ее другой собаке, повторяя этот процесс несколько раз, и таким образом выполнил серию пассажей у собак.[6] Эти попытки увеличили вирулентность вируса.[6] Затем он понял, что может поместить собачью ткань в обезьяну, чтобы заразить ее, а затем выполнить последовательный пассаж на обезьянах.[6] Завершив этот процесс и заразив собаку полученным вирусом, Пастер понял, что вирус менее вирулентен.[6] В основном Пастер работал с вирусом бешенства на кроликах.[7] В конечном итоге, чтобы создать свою вакцину от бешенства, Пастер использовал простой метод, заключающийся в сушке тканей. Как описано в его записной книжке:

В серии колб, в которых воздух поддерживается в сухом состоянии… каждый день суспендируют свежую ткань спинного мозга кролика, взятого у мертвого кролика от бешенства. Также каждый день делают прививку под кожу собаки 1 мл стерилизованного бульона, в котором рассредоточен небольшой фрагмент одного из этих иссушенных фрагментов позвоночника, начиная с фрагмента, наиболее удаленного по времени от того, когда над ним работали, в чтобы быть уверенным, что это совсем не опасно.[6]

Таким образом, Пастер в основном использовал другие методы, помимо серийного пассажа, для создания своих вакцин. Однако идея ослабления вируса путем последовательного прохождения все еще актуальна.

Использование в вакцинах

Один из способов ослабить вирус для хозяина - передать вирус другому виду.[4] Идея состоит в том, что по мере того, как штамм вируса становится более адаптированным к другому виду, этот штамм будет становиться менее адаптированным к исходному хозяину, что снижает вирулентность по сравнению с исходным хозяином.[4] Это неявный принцип, который Луи Пастер неосознанно использовал, когда, например, передал вирус бешенства обезьянам и в итоге получил вирус, который был менее опасен для собак.[6]

Процесс последовательного прохождения дает живая вакцина. У этого есть как преимущества, так и недостатки. В частности, живые вакцины иногда более эффективны и долговечны, чем инактивированные или другие типы вакцин.[9][10] Однако, как только вирус эволюционировал, чтобы стать аттенуированным, он может развиваться в обратном направлении в организме хозяина, что приводит к инфекции.[10]

Эксперименты

Исследователи провели множество экспериментов с использованием последовательного прохода. Некоторые из экспериментальных применений серийного пассажа включают изменение вирулентности вируса, изучение эволюции или потенциальной эволюции вируса. зоонозы новым хозяевам и учебе устойчивость к антибиотикам.

Повышение вирулентности для использования в моделировании животных

При разработке вакцин против вирусов упор делается на ослабление вируса или снижение его вирулентности у данного хозяина. Иногда полезно использовать серийный проход для увеличения вирулентности вируса. Обычно, когда у вида проводится серийный пассаж, в результате получается вирус, более вирулентный по отношению к этому виду.[4]

Например, одно исследование[11] использовали серийный пассаж бабуинов для создания штамма ВИЧ-2, который особенно опасен для бабуинов. Типичные штаммы ВИЧ-2 инфицируют павианов медленно.[11] Эта специфичность затрудняет для ученых использование ВИЧ-2 в моделях ВИЧ-1 на животных, потому что животные в модели будут проявлять симптомы только медленно. Однако более вирулентный штамм ВИЧ-2 может быть практичным для использования в моделях на животных.[11]

Другое исследование, проведенное Канта Суббаро, включало эксперимент с серийным пассажем путем заражения мышей ОРВИ.[12] ТОРС обычно не вызывает особого заболевания у мышей, однако после того, как вирус подвергся серийному переносу на мышах, он стал летальным.[12]

Изменение вирулентности атипичной пневмонии таким образом было важно, потому что без вирулентной формы атипичной пневмонии, заражающей лабораторных животных, ученые не смогли бы проверить эффекты атипичной пневмонии на животных моделях.[12]

В более общем плане этот эксперимент также отражает общий лечебный принцип: вирулентность вируса опосредована трудностью его передачи.

Как правило, если вирус убивает своего хозяина слишком быстро, у него не будет возможности вступить в контакт с другими хостами и передать вирус перед смертью. При последовательном прохождении, когда вирус передавался от хозяина к хозяину независимо от его вирулентности, как, например, в эксперименте Суббаро, выбираются вирусы, которые растут быстрее всех (и, следовательно, являются наиболее опасными).[12]

Этот принцип имеет значение для общественного здравоохранения, поскольку он предполагает, что в очень густонаселенных или перенаселенных районах, таких как трущобы, естественный отбор может благоприятствовать более вирулентным вирусам.

Это также помогает объяснить, почему так важна хорошая гигиена. Соблюдение правил гигиены позволяет бороться с высоковирулентными вирусами за счет снижения способности патогенов к передаче.[12]

Грипп

В H5N1 вирус является особенно смертельным штаммом грипп. В настоящее время он может заражать людей, но не заразительный. Тем не менее, более 600 человек умерли от вируса H5N1,[12] Таким образом, возможность передачи вируса вызывает серьезную озабоченность ученых.

Было проведено несколько экспериментов по серийному пассажу, чтобы определить возможность передачи вируса людям. В частности, Рон Фушье и его коллеги провели эксперимент с 10-шаговым последовательным переходом на хорьках.[12] При этом они создали штамм гриппа, который не только инфицировал хорьков, но и передавался между хорьками.[12] Примечательно, что этот штамм был очень похож на исходный штамм, которым они заразили первого хорька - другими словами, для передачи вируса от хорьков потребовалось всего несколько мутаций.[12][13] Точно так же исследователь Ёсихиро Каваока обнаружил, что для передачи вируса хорькам необходима одна мутация.[13]

И исследования Фушье, и исследования Каваоки изначально подвергались цензуре из-за последствий для биотерроризм.[13] Исследование было позже опубликовано, но оставалось спорным.[13]

Последовательный проход - это искусственный метод, который используется в лабораторных условиях, а не естественный процесс. Соответственно, вероятность того, что вирус H5N1 действительно мутирует и станет заразным для человека, неизвестна; однако исследователь Дерек Смит создал эволюционную модель, чтобы показать, что это возможно.[12]

Понимание того, как вирусы переходят между видами

Другое использование последовательного прохода - понимание того, как патогены адаптируются к новым видам. Внося патоген в новый вид хозяина и выполняя последовательный пассаж, ученые могут наблюдать, как патоген адаптируется к своему новому хозяину, и определять мутации, которые делают возможной эту адаптацию.[4]

Рекомендации

  1. ^ «Серийный переход». Биология онлайн. Получено 16 апреля 2014.
  2. ^ Chapuis É, Pagès S, Emelianoff V, Givaudan A, Ferdy JB (январь 2011 г.). «Вирулентность и размножение патогенов: эксперимент с серийным переносом гипервирулентного бактериального насекомого-патогена Xenorhabdus nematophila». PLOS ONE. 6 (1): e15872. Bibcode:2011PLoSO ... 615872C. Дои:10.1371 / journal.pone.0015872. ЧВК  3031541. PMID  21305003.
  3. ^ Сомервилль Г.А., Берес С.Б., Фицджеральд Дж. Р., ДеЛео Ф. Р., Коул Р. Л., Хофф Дж. С., Массер Дж. М. (март 2002 г.). «Серийный пассаж Staphylococcus aureus in vitro: изменения в физиологии, продукции фактора вирулентности и нуклеотидной последовательности agr». Журнал бактериологии. 184 (5): 1430–7. Дои:10.1128 / jb.184.5.1430-1437.2002. ЧВК  134861. PMID  11844774.
  4. ^ а б c d е ж грамм Woo HJ, Reifman J (январь 2014 г.). «Количественное моделирование эволюционной динамики вируса и адаптации в последовательных пассажах с использованием эмпирически выведенных ландшафтов пригодности». Журнал вирусологии. 88 (2): 1039–50. Дои:10.1128 / JVI.02958-13. ЧВК  3911671. PMID  24198414.
  5. ^ Мартинес Дж. Л., Бакеро Ф, Андерссон Д. И. (октябрь 2011 г.). «Помимо серийных пассажей: новые методы прогнозирования возникновения устойчивости к новым антибиотикам». Текущее мнение в фармакологии. 11 (5): 439–45. Дои:10.1016 / j.coph.2011.07.005. PMID  21835695.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j Смит К.А. (2012). "Луи Пастер, отец иммунологии?". Границы иммунологии. 3: 68. Дои:10.3389 / fimmu.2012.00068. ЧВК  3342039. PMID  22566949.
  7. ^ а б c d Шварц, М. (2001). Жизнь и творчество Луи Пастера. Журнал прикладной микробиологии, 91 (4), 597-601.
  8. ^ McCullers JA (сентябрь 2007 г.). «Развитие, преимущества и недостатки управления вакцинами». Журнал управляемой аптеки. 13 (7 Дополнение B): S2–6. Дои:10.18553 / jmcp.2007.13.s7-b.2a. PMID  17874877.
  9. ^ Хант Р. "'Вакцины: прошлые успехи и перспективы на будущее ». Микробиология и иммунология онлайн. Получено 5 мая 2014.
  10. ^ а б «Типы вакцин». Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний. Получено 5 мая 2014.
  11. ^ а б c Locher CP, Witt SA, Herndier BG, Abbey NW, Tenner-Racz K, Racz P, Kiviat NB, Murthy KK, Brasky K, Leland M, Levy JA (январь 2003 г.). «Повышенная репликация вируса и вирулентность после серийного пассажа вируса иммунодефицита человека типа 2 у бабуинов». Журнал вирусологии. 77 (1): 77–83. Дои:10.1128 / jvi.77.1.77-83.2003. ЧВК  140565. PMID  12477812.
  12. ^ а б c d е ж грамм час я j Циммер С. (2013). «Глава 15». Запутанный банк (второе изд.). Издатели Роберт и Ко. С. 399–427.
  13. ^ а б c d Пуйу Т. (3 мая 2012 г.). «Спорная статья о H5N1 показывает, что птичий грипп - это всего лишь генетическая мутация, отличная от гриппа млекопитающих». ZME Science. Получено 26 апреля 2014.

Смотрите также