Forskning beskriver, hvordan ioner spiller en nøglerolle i at kontrollere slimhindeoverflader

To nylige artikler fra Keck Graduate Institute (KGI) professor James Sterling og Shenda Baker, President og COO hos Synedgen, beskrive hvordan ioner interagerer med slimhindernes overfladeglykaner for at sikre sundheden.

Betydningen af ​​ioner, eller elektrolytter, i menneskers sundhed er velkendt, men den nøjagtige rolle disse ioner spiller i biologien er mere kompliceret end tidligere antaget. Komplekse sukkerarter kendt som glykaner, som dækker overfladerne af celler og slimhinder, er nogle af de mest negativt ladede molekyler i biologien. I vores næse, hals, øjne, lunger, og GI-kanalen, disse overflader spiller en vigtig rolle i at beskytte kroppen mod patogeninvasion og eksponering for miljøet.

Artiklen "A Continuum Model of Mucosa with Glycan-Ion Pairing, " blev offentliggjort 15. januar i tidsskriftet Makromolekylær teori og simuleringer .

"Ionparringens rolle ved celleoverflader har vigtige konsekvenser for lægemiddellevering, så vi arbejder sammen med KGI-assistentprofessor Kiana Aran for at forbedre slimhindemedicinens levering, " siger Sterling. "På samme måde, interaktionen af ​​toksiner med celler er under undersøgelse med KGI adjunkt Mikhail Martchenko i hans laboratoriums arbejde med poredannende peptider."

Mens positive og negative ladninger tiltrækkes af hinanden, to forskellige ioner (f.eks. natrium og kalium) med samme ladning interagerer ikke på samme måde med den samme negative ion, og arten af ​​disse forskelle kaldes lyotropi.

"En nøgleimplikation af disse subtile forskelle er, at glykaner interagerer på unikke måder med hver type ion, " siger Sterling. "Specifikke forskelle i den måde, hvorpå ioner parrer sig med modioner, kan forårsage store ændringer i både det elektriske potentiale og tykkelsen af ​​det beskyttende lag på celler, der forhindrer patogentilknytning og invasion. Der eksisterer en kompleks interaktion mellem tiltrækning og frastødning, når ladningerne bevæger sig som reaktion på hinanden, både positive og negative. Overraskende nok, overfladestrukturerne kan være meget forskellige for forskellige ioner, selvom det samme antal ioner er til stede."

I slimhindeoverflader, såsom lungen, slimet består af negativt ladede polyelektrolytter kaldet muciner, som er meget følsomme over for ændringer i ioner. Hos patienter med cystisk fibrose, for eksempel, den genetiske defekt i CFTR-genet reducerer iontransport, hvilket får slimet til at være tykt og tyktflydende. Baker og Sterling beskriver, hvordan tykkelsen af ​​slimhindelaget og dets elektriske potentiale modificeres af ændringer i iontype (carboxylater eller sulfater på mucinerne).

"Forståelsen af, hvordan hver type ion påvirker strukturen, elektrisk potentiale, og væskeadfærd i luftvejsoverfladelagene i lungen har direkte konsekvenser for design af lægemiddelmål, der påvirker lungeadfærd, " bemærker Baker.

Artiklen overvejer ioninteraktioner og elektriske potentialer i en række biologisk vigtige hydrogeler og celleoverflader, og inkorporerer specifikke ion-ion-interaktioner for hver ionpartype. Dette værk følger en udgivelse fra 2017 af Dr. Baker og Sterling ind Kolloid og Interface Science Communications , med titlen "Elektro-lyotrop ligevægt og nytten af ​​ion-par dissociationskonstanter, " at etablere gennemførligheden af ​​disse modeller til biohydrogelstrukturbestemmelse .

Professor Sterling præsenterede også aspekter af dette arbejde på KGI's 13. årlige forskningsretreat den 12. januar. Hans præsentation kan ses via følgende link:Partitioning and Pairing in Biology.