Imaging techniques for studying virus–cell interactions: a review of current methods and challenges

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Knowledge of virus-host cell interactions is central to the formulation of antiviral therapies and vaccines. Because of their nanoscale size and dynamic nature, viruses are inherently difficult objects to investigate. Virus characterization, such as imaging viral structures, intracellular viral trafficking, and infection molecular mechanisms, has relied heavily on sophisticated imaging approaches. Classical light microscopy imaging, such as fluorescence and super-resolution microscopy, provides information on viral entry, replication, and protein localization within living cells. Electron microscopy (EM) techniques, such as Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Cryo-Electron Microscopy (Cryo-EM), provide high-resolution structural information on the viruses and their replication compartments. Advances in correlative imaging techniques, which include light and electron microscopy, have improved our ability to study virus-induced cellular changes in three dimensions. But in comparison to the earlier developments, it remains challenging in virus imaging: a compromise between resolution and sample preparation, restrictions in labeling methods, the challenge in imaging rapid virus-host interactions, and biosafety limitations for highly pathogenic viruses. Solutions to these types of issues will be provided with the newer techniques such as AI-powered imaging analysis, nanotechnology-based imaging probes, and cryo-electron tomography. This review covers the present imaging methods in virology, their utilities and limitations, as well as future prospects, with an emphasis on microscopy to discern the interaction of viruses with cells electron microscopy.

About the authors

S. Singh

Teerthanker Mahaveer University

Email: jainsanjeevkumar77@gmail.com

MD, Professor, Department of Microbiology, TMMC&RC

India, Moradabad, Uttar Pradesh

Sanjeev Kumar Jain

Teerthanker Mahaveer University

Author for correspondence.
Email: jainsanjeevkumar77@gmail.com

Department of Anatomy, TMMC&RC

India, Moradabad, Uttar Pradesh

S. Sharma

Teerthanker Mahaveer University

Email: jainsanjeevkumar77@gmail.com

PhD, Associate Professor, Department of Anatomy, TMMC&RC

India, Moradabad, Uttar Pradesh

Vasundhara Vasundhara

Teerthanker Mahaveer University

Email: jainsanjeevkumar77@gmail.com

MD, Professor, Department of Microbiology, TMMC&RC

India, Moradabad, Uttar Pradesh

References

  1. Bernhard O.K., Diefenbach R.J., Cunningham A.L. New insights into viral structure and virus–cell interactions through proteomics. Expert Rev. Proteomics, 2005, vol. 2, no. 4, pp. 577–588. doi: 10.1586/14789450.2.4.577
  2. Bykov Y.S., Cortese M., Briggs J.A.G., Bartenschlager R. Correlative light and electron microscopy methods for the study of virus–cell interactions. FEBS Lett., 2016, vol. 590, no. 13, pp. 1877–1895. doi: 10.1002/1873-3468.12153
  3. Chen T., Tu S., Ding L., Jin M., Chen H., Zhou H. The role of autophagy in viral infections. J. Biomed. Sci., 2023, vol. 30, no. 1: 5. doi: 10.1186/s12929-023-00899-2
  4. Cole R. Live-cell imaging. Cell Adh. Migr., 2014, vol. 8, no. 5, pp. 452–459. doi: 10.4161/cam.28348
  5. Cornish N.E., Anderson N.L., Arambula D.G., Arduino M.J., Bryan A., Burton N.C., Cohn A.C., Dallas S.D., Gerber S.I., Hayden R.T., Huang J., Jerris R.C., Kocagöz S., Kocagöz T., Kuhar D.T., Larone D.H., Mahoney M.V., Perkins K.M., Polage C.R., Raney K.D., Richter S.S., Salfinger M., Schlaberg R., Török T.J., Wolk D.M., Yarita K., Ye X. Clinical Laboratory Biosafety Gaps: Lessons Learned from Past Outbreaks Reveal a Path to a Safer Future. Clin. Microbiol. Rev., 2021, vol. 34, no. 3: e0012618. doi: 10.1128/CMR.00126-18
  6. Cuervo A.M., Knecht E., Terlecky S.R., Dice J.F. Activation of a selective pathway of lysosomal proteolysis in rat liver by prolonged starvation. Am. J. Physiol., 1995, vol. 269, no. 5, Pt 1: C1200. doi: 10.1152/ajpcell.1995.269.5.c1200
  7. DiGiuseppe S., Bienkowska-Haba M., Sapp M. Human Papillomavirus Entry: Hiding in a Bubble. J. Virol., 2016, vol. 90, no. 18, pp. 8032–8035. doi: 10.1128/JVI.01065-16
  8. Dimitrov D.S. Virus entry: molecular mechanisms and biomedical applications. Nat. Rev. Microbiol., 2004, vol. 2, no. 2, pp. 109–122. doi: 10.1038/nrmicro817
  9. Dobbie I.M. Bridging the resolution gap: correlative super-resolution imaging. Nat. Rev. Microbiol., 2019, vol. 17, no. 6: 337. doi: 10.1038/s41579-019-0207-6
  10. Earl L.A., Falconieri V., Milne J.L., Subramaniam S. Cryo-EM: Beyond the microscope. Curr. Opin. Struct. Biol., 2017, vol. 46, pp. 71–78. doi: 10.1016/j.sbi.2017.06.002
  11. Ettinger A., Wittmann T. Fluorescence live cell imaging. Methods Cell Biol., 2014, vol. 123, pp. 77–94. doi: 10.1016/B978-0-12-420138-5.00005-7
  12. Fish K.N. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Curr. Protoc. Cytom., 2009, vol. 50, no. 1, pp. 12.18.1–12.18.13. doi: 10.1002/0471142956.cy1218s50
  13. Giacomelli G. Spatiotemporal localization of proteins in microorganisms via photoactivated localization microscopy. 2021, vol. 4, no. 6, pp. 2–13. doi: 10.5282/edoc.27360
  14. Haase A., Brahic M., Stowring L., Blum H. Detection of viral nucleic acids by in situ hybridization. In: Methods in Virology. Vol. 7. New York: Academic Press, 1984, pp. 189–226. doi: 10.1016/B9780124702073.500139
  15. Hell S.W., Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. Opt. Lett., 1994, vol. 19, no. 11: 780. doi: 10.1364/OL.19.000780
  16. Hermann R., Walther P., Müller M. Immunogold labeling in scanning electron microscopy. Histochem. Cell Biol., 1996, vol. 106, no. 1, pp. 31–39. doi: 10.1007/BF02473200
  17. Hess S.T., Girirajan T.P.K., Mason M.D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys. J., 2006, vol. 91, no. 11, pp. 4258–4272. doi: 10.1529/biophysj.106.091116
  18. Hlawacek G., Veligura V., van Gastel R., Poelsema B. Helium ion microscopy. J. Vac. Sci. Technol. B, 2014, vol. 32, no. 2. doi: 10.1116/1.4863676
  19. Hoenen T., Groseth A. Virus–Host Cell Interactions. Cells, 2022, vol. 11, no. 5: 804. doi: 10.3390/cells11050804
  20. Jensen E., Crossman D.J. Technical review: Types of imaging — Direct STORM. Anat. Rec., 2014, vol. 297, no. 12, pp. 2227–2231. doi: 10.1002/ar.22960
  21. Johnson D.S., Jaiswal J.K., Simon S. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy illuminator for improved imaging of cell surface events. Curr. Protoc. Cytom., 2012, vol. 61, no. 1, pp. 12.29.1–12.29.19. doi: 10.1002/0471142956.cy1229s61
  22. Junod S.L., Saredy J., Yang W. Nuclear import of adeno-associated viruses imaged by high-speed single-molecule microscopy. Viruses, 2021, vol. 13, no. 2: 167. doi: 10.3390/v13020167
  23. Laue M. Electron Microscopy of Viruses. Methods Cell Biol., 2010, vol. 96, pp. 1–20. doi: 10.1016/S0091-679X(10)96001-9
  24. Levsky J.M., Singer R.H. Fluorescence in situ hybridization: past, present and future. J. Cell Sci., 2003, vol. 116, no. 14, pp. 2833–2838. doi: 10.1242/jcs.00633
  25. Lichtman J.W., Conchello J.A. Fluorescence microscopy. Nat. Methods, 2005, vol. 2, no. 12, pp. 910–919. doi: 10.1038/nmeth817
  26. Lu M. Single-molecule FRET imaging of virus spike–host interactions. Viruses, 2021, vol. 13, no. 2: 332. doi: 10.3390/v13020332
  27. Lucic V., Leis A., Baumeister W. Cryo-electron tomography of cells: Connecting structure and function. Histochem. Cell Biol., 2008, vol. 130, no. 2, pp. 185–196. doi: 10.1007/s00418-008-0459-y
  28. McClelland R.D., Culp T.N., Marchant D.J. Imaging Flow Cytometry and Confocal Immunofluorescence Microscopy of Virus-Host Cell Interactions. Front. Cell. Infect. Microbiol., 2021, vol. 11: 749039. doi: 10.3389/fcimb.2021.749039
  29. Mohammed A., Abdullah A. Scanning electron microscopy (SEM): A review. Proceedings of 2018 International Conference on Hydraulics and Pneumatics — HERVEX. November 7–9, Băile Govora, Romania, pp. 77–85.
  30. Mukherjee S., Boutant E., Réal E., Mély Y., Anton H. Imaging viral infection by fluorescence microscopy: Focus on HIV-1 early stage. Viruses, 2021, vol. 13, no. 2: 213. doi: 10.3390/v13020213
  31. Murphy D.B. Digital light microscopy techniques for the study. In: Murphy D.B., editor. Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging. New York: Wiley-Liss, 1999, pp. 1–32
  32. Müller T., Schumann C., Kraegeloh A. STED Microscopy and its Ap plications: New Insights into Cellular Processes on the Nanoscale. ChemPhysChem, 2012, vol. 13, no. 8, pp. 1986–2000. doi: 10.1002/cphc.201100986
  33. Müller T.G., Sakin V., Müller B. A Spotlight on Viruses — Application of Click Chemistry to Visualize Virus-Cell Interactions. Molecules, 2019, vol. 24, no. 3: 481. doi: 10.3390/molecules24030481
  34. Nickerson A., Huang T., Lin L.J., Nan X. Photoactivated localization microscopy with bimolecular fluorescence complementation (BiFC-PALM). J. Vis. Exp., 2015, vol. 106: e53154. doi: 10.3791/53154
  35. Parveen N., Borrenberghs D., Rocha S., Hendrix J. Single viruses on the fluorescence microscope: Imaging molecular mobility, interactions and structure sheds new light on viral replication. Viruses, 2018, vol. 10, no. 5: 250. doi: 10.3390/v10050250
  36. Payne S. Virus Interactions With the Cell. Viruses, 2017, pp. 23–35. doi: 10.1016/B978-0-12-803109-4.00003-9
  37. Peddie C.J., Genoud C., Kreshuk A., Meechan K., Micheva K.D., Narayan K., Pape C., Parton R.G., Polishchuk R.S., Ronchi P., Schieber N.L., Schwab Y., Steyer A.M., Swedlow J.R., Verkade P., Briggs J.A.G. Volume electron microscopy. Nat. Rev. Methods Primers, 2022, vol. 2: 51. doi: 10.1038/s43586-022-00131-9
  38. Rajcani J. Molecular mechanisms of virus spread and virion components as tools of virulence: A review. Acta Microbiol. Immunol. Hung., 2003, vol. 50, no. 4, pp. 407–431. doi: 10.1556/AMicr.50.2003.4.8
  39. Razi M., Tooze S.A. Chapter 17 Correlative light and electron microscopy. Methods Enzymol., 2009, vol. 452, pp. 261–275. doi: 10.1016/S0076-6879(08)03617-3
  40. Richert-Pöggeler K.R., Franzke K., Hipp K., Kleespies R.G. Electron microscopy methods for virus diagnosis and high resolution analysis of viruses. Front. Microbiol., 2019, vol. 10: 421852. doi: 10.3389/fmicb.2018.03255
  41. Risco C. Application of Advanced Imaging to the Study of Virus-Host Interactions. Viruses, 2021, vol. 13, no. 10: 1958. doi: 10.3390/v13101958
  42. Robb N.C. Virus morphology: Insights from super-resolution fluorescence microscopy. Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis., 2022, vol. 1868, no. 4: 166347. doi: 10.1016/j.bbadis.2022.166347
  43. Rust M.J., Bates M., Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat. Methods, 2006, vol. 3, no. 10, pp. 793–795. doi: 10.1038/nmeth929
  44. Ryan J., Gerhold A.R., Boudreau V., Smith L., Maddox P.S. Introduction to modern methods in light microscopy. Methods Mol. Biol., 2017, vol. 1563, pp. 1–15. doi: 10.1007/978-1-4939-6810-7_1
  45. Saffarian S. Application of advanced light microscopy to the study of HIV and its interactions with the host. Viruses, 2021, vol. 13, no. 2: 223. doi: 10.3390/v13020223
  46. Saibil H., White N. Recent advances in biological imaging. Biosci. Rep., 1989, vol. 9, no. 4, pp. 437–449. doi: 10.1007/BF01117046
  47. Sakin V., Paci G., Lemke E.A., Müller B. Labeling of virus components for advanced, quantitative imaging analyses. FEBS Lett., 2016, vol. 590, no. 13, pp. 1896–1914. doi: 10.1002/1873-3468.12131
  48. Salpeter M.M., McHenry F.A. Electron microscope autoradiography. Adv. Tech. Biol. Electron Microsc., 1973, pp. 113–152. doi: 10.1002/1873-3468.12131
  49. Sanderson M.J., Smith I., Parker I., Bootman M.D. Fluorescence microscopy. Cold Spring Harb. Protoc., 2014, vol. 2014, no. 10: 071-795. doi: 10.1101/pdb.top071795
  50. Santarella-Mellwig R., Franke J., Jaedicke A., Gorjanacz M., Bauer U., Budd A., Mattaj I.W., Devos D.P. Correlative Light Electron Microscopy (CLEM) for Tracking and Imaging Viral Protein Associated Structures in Cryo-immobilized Cells. J. Vis. Exp., 2018, vol. 139: e58154. doi: 10.3791/58154
  51. Schmidt M., Byrne J.M., Maasilta I.J. Bio-imaging with the helium-ion microscope: A review. Beilstein J. Nanotechnol., 2021, vol. 12, pp. 1–23. doi: 10.3762/bjnano.12.1
  52. Schnell U., Dijk F., Sjollema K.A., Giepmans B.N.G. Immunolabeling artifacts and the need for live-cell imaging. Nat. Methods, 2012, vol. 9, no. 2, pp. 152–158. doi: 10.1038/nmeth.1855
  53. Shotton D.M. Video-enhanced light microscopy and its applications in cell biology. J. Cell Sci., 1988, vol. 89, no. Pt 2, pp. 129–150. doi: 10.1242/jcs.89.2.129
  54. Stewart P.L., Dermody T.S., Nemerow G.R. Structural basis of nonenveloped virus cell entry. Adv. Protein Chem., 2003, vol. 64, pp. 455–491. doi: 10.1016/S0065-3233(03)01013-1
  55. Sun E., He J., Zhuang X. Live cell imaging of viral entry. Curr. Opin. Virol., 2013, vol. 3, no. 1, pp. 34–43. doi: 10.1016/j.coviro.2013.01.005
  56. Sung M.H., McNally J.G. Live cell imaging and systems biology. Wiley Interdiscip. Rev. Syst. Biol. Med., 2011, vol. 3, no. 2, pp. 167–182. doi: 10.1002/wsbm.108
  57. Tam J., Merino D. Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM) in comparison with stimulated emission depletion (STED) and other imaging methods. J. Neurochem., 2015, vol. 135, no. 4, pp. 643–658. doi: 10.1111/jnc.13257
  58. Tang C.Y., Yang Z. Transmission electron microscopy (TEM). In: Membrane Characterization, 2017, pp. 145–159. doi: 10.1016/B978-0-444-63776-5.00008-5
  59. Timmermans F.J., Otto C. Contributed review: Review of integrated correlative light and electron microscopy. Rev. Sci. Instrum., 2015, vol. 86, no. 1. doi: 10.1063/1.4905434
  60. Trache A., Meininger G.A. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Curr. Protoc. Microbiol., 2008, vol. 10, no. 1, pp. 2A.2.1-2A.2.22. doi: 10.1002/9780471729259.mc02a02s10
  61. Turk M., Baumeister W. The promise and the challenges of cryo-electron tomography. FEBS Lett., 2020, vol. 594, no. 20, pp. 3243–3261. doi: 10.1002/1873-3468.13948
  62. Van den Dries K., Fransen J., Cambi A. Fluorescence CLEM in biology: historic developments and current super-resolution applications. FEBS Lett., 2022, vol. 596, no. 19, pp. 2486–2496. doi: 10.1002/1873-3468.14421
  63. Vicidomini G., Bianchini P., Diaspro A. STED super-resolved microscopy. Nat. Methods, 2018, vol. 15, no. 3, pp. 173–182. doi: 10.1038/nmeth.4593
  64. Wang I.H., Burckhardt C.J., Yakimovich A., Greber U.F. Imaging, Tracking and Computational Analyses of Virus Entry and Egress with the Cytoskeleton. Viruses, 2018, vol. 10, no. 4: 166. doi: 10.3390/v10040166
  65. Wirtz T., De Castro O., Audinot J.N., Philipp P. Imaging and analytics on the helium ion microscope. Annu. Rev. Anal. Chem., 2019, vol. 12, pp. 523–543. doi: 10.1146/annurev-anchem-061318-115457
  66. Witte R., Andriasyan V., Georgi F., Yakimovich A., Greber U.F. Concepts in Light Microscopy of Viruses. Viruses, 2018, vol. 10, no. 4: 202. doi: 10.3390/v10040202
  67. Wolff G., Bárcena M. Multiscale electron microscopy for the study of viral replication organelles. Viruses, 2021, vol. 13, no. 2: 197. doi: 10.3390/v13020197
  68. Xu C.S., Hayworth K.J., Lu Z., Grob P., Hassan A.M., García-Cerdán J.G., Niyogi K.K., Nogales E., Weinberg R.J., Hess H.F. Enhanced FIB-SEM systems for large-volume 3D imaging. Elife, 2017, vol. 6: e25916. doi: 10.7554/elife.25916
  69. Yi H., Strauss J.D., Ke Z., Alonas E., Dillard R.S., Hampton C.M., Lamb K.M., Hammonds J.E., Santangelo P.J., Spearman P.W., Wright E.R. Native immunogold labeling of cell surface proteins and viral glycoproteins for cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography applications. J. Histochem. Cytochem., 2015, vol. 63, no. 10, pp. 780–792. doi: 10.1369/0022155415593323
  70. Zhong H. Photoactivated localization microscopy (PALM): An optical technique for achieving ~10-nm resolution. Cold Spring Harb. Protoc., 2010, vol. 2010, no. 12: pdb.top91. doi: 10.1101/pdb.top91
  71. Zhou W., Apkarian R., Wang Z.L., Joy D. Fundamentals of scanning electron microscopy (SEM). In: Scanning Microscopy for Nanotechnology: Techniques and Applications, 2006, pp. 1–40. doi: 10.1007/978-0-387-39620-0_1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure. Imaging methods utilized to investigate virus-host interactions throughout the viral life cycle Note. The illustration presents the RSV, a negative-sense single-stranded RNA (–ssRNA) enveloped virus, replication cycle as a model.

Download (549KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Singh S., Jain S., Sharma S., Vasundhara D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».