Metod för upptäckt av antivirala läkemedel

Den nuvarande covid-19-pandemin har belyst behovet av metoder för att identifiera nya eller återanvända befintliga läkemedel som antivirala läkemedel. Nu presenterar forskare vid Uppsala universitet och Karolinska Institutet en ny screeningmetod som fokuserar på identifiering av virusspecifika morfologiska förändringar hos virusinfekterade celler.

Den nya metoden fokuserar på att identifiera de morfologiska förändringar (profiler) som viruset framkallar i de infekterade cellerna. Det görs med hjälp av en modifierad version av Cell Painting-protokollet, en etablerad analys som använder en cocktail av fluorescerande reagens för att färga olika delar av cellen. Dessa morfologiska profiler används sedan som bas för att screena efter läkemedel som kan vända de virusframkallade effekterna.

I en enda analys som kombinerar Cell Painting med antikroppsbaserad detektion av virusinfektion på enskild cellnivå har forskarna inte bara kunnat bekräfta den antivirala effekten av kända referensläkemedel utan också identifierat nya föreningar som potentiella antivirala medel. Metoden inkluderar bild- och dataanalysflöden med CellProfiler, en populär bildanalysprogramvara, som forskarna har gjort öppet tillgänglig för att underlätta användningen och spridningen av denna nya metod.

De flesta metoder för upptäckt av antivirala läkemedel som finns tillgängliga idag tenderar att fokusera på effekterna av sådana läkemedel på ett visst virus, dess proteiner eller enzymatiska aktivitet. Däremot försummas ofta konsekvenserna för värdcellerna.

– Detta är ett problem, eftersom potentiell toxicitet som påverkar den övergripande fysiologin hos värdceller kan dölja effekterna av både virusinfektion och läkemedelskandidater. Med vår metod kan vi däremot bedöma värdcellernas allmänna hälsa och parallellt identifiera antivirala egenskaper hos olika kemiska föreningar, säger Jordi Carreras-Puigvert, seniorförfattare till artikeln och universitetsadjunkt vid forskargruppen för farmaceutisk bioinformatik, institutionen för farmaceutisk biovetenskap vid Uppsala universitet.

– Resonemanget bakom vår strategi var att skaffa objektiva morfologiska profiler hos värdcellen för att kunna studera virusinfektion och samtidig behandling i en enda analys. Vi modifierade Cell Painting-protokollet och kombinerade det med en virusspecifik antikroppsfärgning. Därmed kunde vi välja de virusinfekterade cellerna med hög precision och till och med relatera de morfologiska profilerna till de virala proteinnivåerna i varje cell, säger Jonne Rietdijk, första författare till artikeln och doktorand vid forskargruppen för farmaceutisk bioinformatik, institutionen för farmaceutisk biovetenskap vid Uppsala universitet.

Forskarna visar att deras metod framgångsrikt kan fånga virusframkallade fenotypiska signaturer hos humana lungfibroblaster infekterade med humant coronavirus. De visar också att metoden kan användas vid fenotypisk läkemedelsscreening med hjälp av en panel med nio värd- och virusinriktade antivirala medel. Behandling med effektiva antivirala föreningar förändrade den morfologiska profilen hos värdcellerna mot ett icke-infekterat tillstånd.

– Genom att bara göra mindre justeringar av bildanalysflödet som vi tillhandahåller, räknar vi med att vårt breda tillvägagångssätt kommer att möjliggöra andra applikationer som använder olika (mänskligt härledda) cellinjer, liksom olika virus, säger Jonne Rietdijk.

– Vi ser två huvudsakliga användningsområden för metoden. En är screening för redan medicinskt tillgängliga läkemedel som skulle kunna återanvändas som antivirala medel, den andra är screening för nya kemiska föreningar. Eftersom vi skapar specifika signaturer för varje förening kan vi sedan jämföra dessa med en uppsättning signaturer extraherade från föreningar med kända verkningsmekanismer och därigenom potentiellt identifiera målet för en ny förening, i detta fall ett antiviralt medel, säger Jordi Carreras-Puigvert.

Bakgrunden till arbetet är covid-19-pandemin och det har möjliggjorts genom finansiering inom SciLifeLabs nationella forskningsprogram om covid-19 och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.

För ytterligare information, kontakta:
Jordi Carreras-Puigvert, universitetsadjunkt vid institutionen för farmaceutisk biovetenskap, e-post: jordi.carreras.puigvert@farmbio.uu.se, tel: 018-471 46 34.

Jonne Rietdijk, doktorand vid Institutionen för farmaceutisk biovetenskap, e-post: Jonne.Rietdijk@farmbio.uu.se

Läs mer om forskargruppen för farmaceutisk bioinformatik.

Publikation:
Jonne Rietdijk, Marianna Tampere, Aleksandra Pettke, Polina Georgie, Maris Lapins, Ulrika Warpman-Berglund, Ola Spjuth, Marjo-Riitta Puumalainen and Jordi Carreras-Puigvert: A phenomics approach for antiviral drug discovery, BMC Biology