Kemikere skaber en kemisk sonde for bedre at forstå immunrespons

En trio af kemikere ved Indiana University Bloomington har skabt en ny sensor til at detektere kemiske ændringer i immunceller under nedbrydningen af ​​patogener. Arbejdet kan potentielt bidrage til tidlig diagnosticering og behandling af infektionssygdomme, såsom tuberkulose, som undgår visse elementer af kroppens immunrespons.

Resultaterne blev rapporteret 8. oktober in Angewandte Chemie , førende kemitidsskrift. Undersøgelsen blev ledet af Yan Yu, en lektor i IU Bloomington College of Arts and Sciences' Department of Chemistry.

Partiklerne i undersøgelsen blev designet til at forstå fagocytose, den proces, hvorved immunceller optager og ødelægger patogener i kroppen. Under denne vigtige proces, patogener opsluges i cellulære rum kaldet fagosomer, som derefter "modnes" gennem en kompleks sekvens af kemiske reaktioner, dræbe invaderende sygdom.

"Mange vigtige cellefunktioner, herunder fagocytose, stole på orkestreringen af ​​komplekse kemiske reaktioner, men at måle disse forskellige reaktioner i realtid inde i en levende celle er ekstremt udfordrende, " sagde Yu. "Denne undersøgelse viser, at partikler af den type, der er designet i vores laboratorium, er bredt anvendelige til at forstå mange typer komplekse kemiske interaktioner i levende celler."

Partiklerne brugt i undersøgelsen kaldes Janus partikler, opkaldt efter den to-facede romerske gud. De kunstigt konstruerede partikler er såkaldte, da to sider af den samme partikel er "coated" med forskellige kemiske sensorer. Disse sensorer kan fungere som detektorer, eller "reportere, " for forskellige kemikalier involveret i den biologiske proces, der undersøges.

Yus laboratorium har perfektioneret en teknik til at pakke disse receptorer meget tæt sammen på tværs af en Janus-partikels overflade, øge deres effektivitet som et efterforskningsværktøj markant.

Yus tidligere forskning i Janus-partikler har givet ny indsigt i kroppens evne til at modstå svampeinfektion, samt en ny metode til at aktivere kroppens T-celler, som bruges til at bekæmpe kræft, styrke immunterapi, bekæmpe viral infektion og inducere tolerance i autoimmun sygdom. Sidstnævnte værk er genstand for en patentansøgning til U.S. Patent and Trademark Office. Hun har også indgivet et foreløbigt patent på den nyligt rapporterede opdagelse.

I den nye undersøgelse, Yus team designede en Janus-partikel, hvis to sider består af en 3-mikrometer pH-reporter og en 500-nanometer proteolyse-reporter. Som resultat, forskerne var i stand til samtidigt at måle to kemiske processer involveret i fagocytose - forsuring og proteolyse - inden for et enkelt modnende fagosom i realtid. De identificerede, at fagosomer kræver et "surt lumen" for at aktivere enzymer, der fordøjer patogener indkapslet indeni, et kritisk skridt til at forhindre patogenerne i at reproducere inde i værtens immunceller.

De viste også, at lipopolysaccharid, en sukkerforbindelse, der findes i mange bakteriers ydre membraner, kan påvirke forsuring og proteolyse i fagosomer.

Forståelse af disse processer er især vigtig i bakterielle infektioner, der unddrager sig kroppens immunrespons ved at kapre en eller flere begivenheder i fagosomes modningsproces, forpurring af fagosomets beskyttende funktion. Disse sygdomme omfatter tuberkulose, som er verdens førende dræber af infektionssygdomme, kræver omkring 1,5 millioner liv årligt.

"Janus-partiklerne skabt i denne undersøgelse fungerer som en sensor til at detektere disse kemiske ændringer inde i immunceller under patogennedbrydning, " sagde Yu. "Men, mere bredt, værket viser gennemførligheden af ​​Janus-partikler som et generelt værktøj til at overvåge flere reaktioner i en celle – samt fremhæver deres potentiale for påvisning og diagnosticering af infektionssygdomme."

De andre forfattere på undersøgelsen er Seonik Lee og Zihan Zhan, begge uddannede forskningsassistenter i Yus laboratorium på IU Bloomington.