Eine Forschungskooperation an der University of Cincinnati hat eine neue Sonde zur besseren Untersuchung von Zellen entwickelt, die bereits zu neuen Erkenntnissen über bestimmte zelluläre Prozesse geführt hat.
Jiajie Diao, PhD, und Yujie Sun, PhD, von der UC Cincinnati sind die Hauptautoren der neuen Forschungsarbeit, die am 4. Mai in ACS Sensors veröffentlicht wurde.
Fokus auf Endolysosomen
Die Forschung des Teams konzentrierte sich auf Organellen oder spezialisierte Strukturen, die verschiedene Aufgaben innerhalb von Zellen erfüllen, so genannte Endolysosomen. Lysosomen sind Organellen, die als „Recycling-Zentrum“ der Zelle fungieren und zerbrochene oder schlecht funktionierende Bausteine für verschiedene Zwecke wiederverwenden, und Endolysosomen sind eine Untergruppe der Lysosomen, die als eine andere Organelle, das Endosom, beginnen.
Lysosomen sind ein wichtiges Organell, das untersucht werden muss, da Anomalien zu so genannten lysosomalen Speicherkrankheiten führen können, bei denen sich toxische Substanzen in den Zellen ablagern. Anomalien in der Lysosomenfunktion werden auch mit neurodegenerativen Krankheiten und Krebs in Verbindung gebracht.
„Wenn die Lysosomen nicht normal funktionieren, sammelt die Zelle eine Menge Abfallstoffe an, was schließlich zum Zelltod führt“, so Diao, Mitglied des University of Cincinnati Cancer Center 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 die Lysosomen ihre Aufgabe der Abfallbeseitigung und -verwertung nicht richtig erfüllen.
„Wir versuchen, diesen Prozess abzubilden und den gesamten Veränderungsprozess der Endolysosomen zu verfolgen und herauszufinden, in welchem Zustand und an welcher Stelle diese Endolysosomen anormal werden“, so Diao.
Neue Sonde
Das Team von Diao und Sun veröffentlichte letztes Jahr Forschungsergebnisse über die ECGreen-Sonde, die einen helleren Grünton annimmt, wenn die Zellumgebung saurer wird. Dies war zwar ein Fortschritt, aber Diao sagte, dass ECGreen immer noch Grenzen habe.
„Es ist schwer, den absoluten Wert zu messen, denn ich kann nur wissen, 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 ein rotes und ein grünes Signal, und durch Berechnung des Verhältnisses können wir den genauen pH-Wert kalibrieren“, so Diao. „Das ist robuster und präziser, um den pH-Wert innerhalb des Endolysosoms zu messen, und das ist ein großer Vorteil“.
„Unsere Sonde zeigt eine ausgezeichnete pH-empfindliche Fluoreszenz in Endolysosomen in verschiedenen Stadien von Interesse“, fügte Sun hinzu, Mitglied des Krebszentrums, außerordentlicher Professor und Co-Direktor des Graduiertenprogramms im Fachbereich Chemie der UC.
Forschung in Aktion
Wenn sich die Umgebung einer Zelle verändert, z. B. wenn eine Zelle geschädigt wird, muss sie die Anzahl der Lysosomen erhöhen, um die Zelle zu recyceln oder zu säubern. Der Prozess, mit dem Zellen die Anzahl der Lysosomen erhöhen, war jedoch bisher nicht bekannt.
Mithilfe der neuen Sonde fanden die Forscher heraus, dass eine Zelle unabhängig von ihrer Umgebung und unabhängig davon, ob es sich um eine normale oder abnorme Zelle handelt, ein konstantes Verhältnis von Endosomen beibehält, 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“, so Sun. „Wir sind sehr froh, dass wir diese konstante Umwandlungsrate nachweisen konnten“.
Diao merkte an, dass das Team zum ersten Mal herausfand, dass dieser Prozess vom Endosom zum Lysosom durch einen komplizierten, von Proteinen gesteuerten Prozess gesteuert wird.
„Dieser Prozess ist hochgradig reguliert, und man kann keinen Schritt auslassen, selbst wenn es sich um einen Notfall handelt“, so Diao.
Anwendungen der Sonde
Neben den in der veröffentlichten Forschungsarbeit beschriebenen Anwendungen gibt es laut Diao eine Reihe weiterer Einsatzmöglichkeiten für die neue Sonde.
„Wir können den Ort des Endolysosoms, die Anzahl, die pH-Veränderung und die Größe des Endolysosoms bestimmen“, sagte er. „Letztendlich werden wir alle Parameter über die Endolysosomen in der Zelle haben.“
Mit all diesen Informationen arbeitet das Team an der Entwicklung einer maschinellen Lernsoftware, die in der Lage sein wird, Profile von Zellanomalien zu erstellen und Lysosomenprobleme, die zu Krankheiten führen können, schnell zu diagnostizieren. Diese Methode wäre schneller und kostengünstiger als die derzeitige Gen- und Proteinsequenzierung und könnte in der Praxis so aussehen, dass ein gesunder Patient einen einfachen Bluttest macht, der ihm sagt, ob er Risikofaktoren für bestimmte lysosomale Krankheiten hat.
„Man muss nur eine Färbung durchführen, und in 10 Minuten hat man alle Informationen“, sagte Diao. „Wir versuchen gerade, ein System mit diesen Sonden zu entwickeln, um eine schnelle Diagnose zu ermöglichen.
Die Forscher untersuchen auch Behandlungen, die den Übergang vom Endosom zum Lysosom beeinflussen, um den komplizierten Prozess zu beschleunigen, einschließlich Forschungen, bei denen Licht zur Beschleunigung der Umwandlung eingesetzt wird.
„Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass dies eine äußerst vielversprechende Richtung für das Design und die Entwicklung kleiner fluoreszierender Sonden für Bioimaging-Anwendungen ist, insbesondere in Verbindung mit hochauflösender Mikroskopie“, so Sun. „Wir werden die Entwicklung neuartiger fluoreszierender Sonden mit mehreren Funktionen fortsetzen.“
Andere Forscher an der UC haben begonnen, die Sonde zu verwenden, und das Team arbeitet an der Patentierung und Kommerzialisierung der Technologie.
„Ich denke, dies ist eine wirklich klassische Arbeit, die aus der Zusammenarbeit resultiert“, sagte Diao. „Dr. Sun und unsere Gruppe arbeiten zusammen und wir machen den ganzen Prozess sehr schnell und sehr effizient. Wir wollen all diese Entdeckungen beschleunigen.“
„Die komplementäre Expertise von Dr. Diaos und meiner eigenen Gruppe macht es möglich, an diesen gemeinsamen Projekten zu arbeiten“, fügte Sun hinzu. „Die synergetische Interaktion zwischen unseren Gruppen ist der Schlüssel zum Erfolg.“
