Neue Sonde unterstützt neuartige Erkenntnisse zu Zellfunktionen

Im Rahmen von Forschungskooperationen an der University of Cincinnati wurde eine neue Sonde zur besseren Untersuchung von Zellen entwickelt, die bereits zu neuen Erkenntnissen über bestimmte zelluläre Prozesse geführt hat.

Jiajie Diao, Ph.D., und Yujie Sun, Ph.D., von der UC, sind Hauptautoren neuer Forschungsergebnisse, die in veröffentlicht wurden ACS-Sensoren.

Die Forschung des Teams konzentrierte sich auf Organellen oder spezialisierte Strukturen, die innerhalb von Zellen verschiedene Aufgaben erfüllen, die Endolysosomen genannt werden. Lysosomen sind Organellen, die als „Recyclingzentrum“ der Zelle fungieren und kaputte oder fehlerhafte Bausteine ​​für verschiedene Zwecke wiederverwenden, und Endolysosomen sind eine Untergruppe von Lysosomen, die als eine andere Organelle namens Endosom beginnen.

Lysosomen sind ein wichtiges Organell, das untersucht werden muss, da Anomalien zu sogenannten lysosomalen Speicherkrankheiten führen können, die eine Ansammlung toxischer Substanzen in Zellen verursachen. Abnormalitäten in der Lysosomenfunktion werden auch mit neurodegenerativen Erkrankungen und Krebs in Verbindung gebracht.

„Wenn Lysosomen nicht normal funktionieren, wird die Zelle viel Abfall ansammeln, was schließlich zum Zelltod führt“, sagte Diao, Mitglied des Krebszentrums der Universität von Cincinnati und außerordentlicher Professor in der Abteilung für Krebsbiologie am College of Medicine der UC.

Beim Übergang von einem Endosom zu einem Lysosom ändern diese Organellen ihren pH-Wert von einer neutralen Umgebung zu einer sauren Umgebung. Wenn die Umgebung nicht sauer genug ist, können Lysosomen ihre Aufgabe, Abfälle zu beseitigen und zu recyceln, nicht richtig erfüllen.

„Wir versuchen, uns diesen Prozess vorzustellen und versuchen, den gesamten Veränderungsprozess des Endolysosoms zu verfolgen und herauszufinden, in welchem ​​​​Zustand und an welcher Stelle diese Endolysosomen abnormal werden“, sagte Diao.

Neue Sonde

Das Team von Diao und Sun im vergangenen Jahr veröffentlichte Forschungsergebnisse auf der ECGreen-Sonde, die einen helleren Grünton annimmt, wenn die Zellumgebung saurer wird. Obwohl es ein Schritt nach vorne war, sagte Diao, ECGreen habe immer noch Einschränkungen.

„Es ist schwer, den absoluten Wert einzuschätzen, weil ich nur wissen kann, dass er niedriger geworden ist“, sagte Diao. „Die Intensität wird höher, aber wie hoch ist hoch? Es gibt keine Möglichkeit, diesen Wert tatsächlich zu kalibrieren.“

Die neueste Sonde, die das Team entwickelt hat, ist grün, wenn sie sich in einer neutralen Umgebung befindet, und wechselt zu einer roten Farbe, wenn die Zellumgebung saurer wird.

„Wir haben also rote und grüne Signale, und durch die Berechnung des Verhältnisses können wir den genauen pH-Wert kalibrieren“, sagte Diao. „Dies ist robuster und präziser, um den pH-Wert innerhalb des Endolysosoms zu messen, daher ist dies ein großer Vorteil.“

„Unsere Sonde zeigt eine ausgezeichnete pH-empfindliche Fluoreszenz in Endolysosomen in verschiedenen Stadien des Interesses“, fügte Sun hinzu, Mitglied des Cancer Center, außerordentlicher Professor und Co-Direktor des Graduiertenprogramms am Department of Chemistry der UC.

Forschung in Aktion

Wenn sich die Umgebung einer Zelle ändert, z. B. wenn eine Zelle beschädigt ist, muss die Anzahl der Lysosomen erhöht werden, um die Zelle zu recyceln oder zu reinigen. Aber der Prozess, den Zellen verwenden, um die Anzahl der Lysosomen zu erhöhen, war bisher nicht bekannt.

Unter Verwendung der neuen Sonde stellten die Forscher fest, egal in welcher Umgebung sich eine Zelle befindet und ob es sich um eine normale oder abnormale Zelle handelt, sie behält ein konstantes Verhältnis von Endosomen bei, die sie dann in Lysosomen umwandelt.

„Durch die Anwendung der kleinen molekularen Sonde in lebenden Zellen konnten wir eine konstante Umwandlungsrate von frühen Endosomen zu späten Endosomen/Lysosomen nachweisen“, sagte Sun. „Wir sind sehr froh, dass wir diese konstante Konversionsrate aufzeigen konnten.“

Diao stellte fest, dass das Team zum ersten Mal herausfand, dass dieser Prozess vom Endosom zum Lysosom durch einen komplizierten proteingesteuerten Prozess gesteuert wird.

„Dieser Prozess ist stark reguliert, und Sie können keinen Schritt überspringen, selbst wenn es sich um einen Notfall handelt“, sagte Diao.

Sondenanwendungen

Zusätzlich zu den in der veröffentlichten Forschung beschriebenen Verwendungen gibt es laut Diao eine Reihe weiterer Anwendungen für die neue Sonde.

„Wir können die Position des Endolysosoms kennen, wir können die Nummer kennen, wir können die pH-Änderung kennen, wir können die Größe des Endolysosoms kennen“, sagte er. „Irgendwann werden wir alle Parameter über die Endolysosomen in der Zelle haben.“

Mit all diesen Informationen arbeitet das Team an der Entwicklung einer Software für maschinelles Lernen, die in der Lage sein wird, Zellanomalien zu profilieren und Lysosomenprobleme, die zu Krankheiten führen können, schnell zu diagnostizieren. Diese Methode wäre schneller und kostengünstiger als die derzeitige Gen- und Proteinsequenzierung, und in der Praxis könnte nur ein gesunder Patient einen einfachen Bluttest durchführen, der ihm sagt, ob er Risikofaktoren für bestimmte lysosomale Erkrankungen hat.

„Sie müssen nur färben und in 10 Minuten haben Sie alle Informationen“, sagte Diao. „Wir versuchen tatsächlich, ein System mit diesen Sonden zu entwickeln, damit wir eine schnelle Diagnose stellen können.“

Die Forscher untersuchen auch Behandlungen, die den Prozess des Übergangs vom Endosom zum Lysosom beeinflussen, um den komplizierten Prozess zu beschleunigen, einschließlich der Forschung mit Licht zur Beschleunigung des Prozesses.

„Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass dies eine äußerst vielversprechende Richtung bei der Gestaltung und Entwicklung kleiner fluoreszierender Sonden für Bioimaging-Anwendungen ist, insbesondere in Verbindung mit hochauflösender Mikroskopie“, sagte Sun. „Wir werden weiterhin neuartige Fluoreszenzsonden mit mehreren Funktionen entwickeln.“

Andere Forscher an der UC haben begonnen, die Sonde zu verwenden, und das Team arbeitet daran, die Technologie zu patentieren und zu kommerzialisieren.

„Ich denke, dies ist ein wirklich klassisches Werk, das aus der Zusammenarbeit entstanden ist“, sagte Diao. „Dr. Sun und unsere Gruppe arbeiten zusammen und wir machen den gesamten Prozess sehr schnell und sehr effizient. Wir wollen all diese Entdeckungen beschleunigen.“

„Die komplementäre Expertise von Dr. Diao und meiner eigenen Gruppe macht es wirklich möglich, an diesen Gemeinschaftsprojekten zu arbeiten“, fügte Sun hinzu. „Das synergetische Zusammenspiel unserer Gruppen ist der Schlüssel zum Erfolg.“