En trio kemister vid Indiana University Bloomington har skapat en ny sensor för att upptäcka kemiska förändringar i immunceller under nedbrytningen av patogener. Arbetet kan potentiellt bidra till tidig diagnos och behandling av infektionssjukdomar, som tuberkulos, som undviker vissa delar av kroppens immunsvar.

Resultaten rapporterades 8 oktober in Angewandte Chemie , en ledande kemitidskrift. Studien leddes av Yan Yu, en docent vid IU Bloomington College of Arts and Sciences Department of Chemistry.

Partiklarna i studien designades för att förstå fagocytos, den process genom vilken immunceller tar upp och förstör patogener i kroppen. Under denna viktiga process, patogener uppslukas i cellulära avdelningar som kallas fagosomer, som sedan "mognar" genom en komplex sekvens av kemiska reaktioner, döda invaderande sjukdom.

"Många viktiga cellfunktioner, inklusive fagocytos, förlita sig på orkestrering av komplexa kemiska reaktioner, men att mäta dessa olika reaktioner i realtid inuti en levande cell är extremt utmanande, " sade Yu. "Denna studie visar att partiklar av den typ som designats i vårt labb är brett tillämpliga för att förstå många typer av komplexa kemiska interaktioner i levande celler."

Partiklarna som används i studien kallas Janus-partiklar, uppkallad efter den romerska guden med två ansikten. De artificiellt konstruerade partiklarna kallas så eftersom två sidor av samma partikel är "belagda" med olika kemiska sensorer. Dessa sensorer kan fungera som detektorer, eller "reportrar, " för olika kemikalier som är involverade i den biologiska processen som undersöks.

Yus labb har fulländat en teknik för att packa dessa receptorer väldigt nära varandra över en Janus-partikels yta, avsevärt öka deras effektivitet som ett utredningsverktyg.

Yus tidigare forskning om Janus-partiklar har gett nya insikter om kroppens förmåga att motstå svampinfektion, samt en ny metod för att aktivera kroppens T-celler, som används för att bekämpa cancer, förbättra immunterapin, bekämpa virusinfektioner och framkalla tolerans vid autoimmun sjukdom. Det senare verket är föremål för en patentansökan hos U.S. Patent and Trademark Office. Hon har också lämnat in ett provisoriskt patent på den nyligen rapporterade upptäckten.

I den nya studien, Yus team designade en Janus-partikel vars två sidor består av en 3-mikrometer pH-reporter och en 500-nanometer proteolys-reporter. Som ett resultat, forskarna kunde samtidigt mäta två kemiska processer involverade i fagocytos—försurning och proteolys—inom en enda mognad fagosom i realtid. De identifierade att fagosomer kräver en "sur lumen" för att aktivera enzymer som smälter patogener inkapslade inuti, ett kritiskt steg för att förhindra patogenerna från att reproducera sig inuti värdimmunceller.

De visade också att lipopolysackarid, en sockerförening som finns i många bakteriers ytterväggsmembran, kan påverka försurning och proteolys i fagosomer.

Att förstå dessa processer är särskilt viktigt vid bakterieinfektioner som undviker kroppens immunsvar genom att kapa en eller flera händelser i fagosomens mognadsprocess, motverkar fagosomens skyddande funktion. Dessa sjukdomar inkluderar tuberkulos, som är världens ledande mördare av infektionssjukdomar, kräver cirka 1,5 miljoner liv årligen.

"Janus-partiklarna som skapas i denna studie fungerar som en sensor för att upptäcka dessa kemiska förändringar inuti immunceller under patogennedbrytning, " sa Yu. "Men, mer allmänt, verket visar på genomförbarheten av Janus-partiklar som ett allmänt verktyg för att övervaka flera reaktioner inom en cell – samt belyser deras potential för upptäckt och diagnos av infektionssjukdomar."

De andra författarna i studien är Seonik Lee och Zihan Zhan, båda utexaminerade forskningsassistenter i Yus laboratorium vid IU Bloomington.