Autoimmuna sjukdomar är mystiska. Det var inte förrän på 1950-talet som forskarna insåg att immunsystemet kunde skada organen i sin egen kropp. Än idag är de grundläggande orsakerna och inre funktionerna för de flesta autoimmuna sjukdomar fortfarande dåligt förstådda, vilket begränsar behandlingsalternativen för många av dessa tillstånd.
Under de senaste åren har dock forskning hittat ledtrådar för hur autoimmuna sjukdomar kan uppstå. Den här forskningen har visat att DNA fäst vid små partiklar i blodomloppet är en trolig bov som är involverad i många autoimmuna sjukdomar, särskilt systemisk lupus erythematosus, eller bara lupus för kort, som främst drabbar unga kvinnor och kan orsaka njurskador.
Men på grund av den stora variationen i storlekar av både partiklar och DNA i blodet, har det varit extremt svårt att testa i vilken utsträckning och under vilka omständigheter dessa DNA-partikelkombinationer spelar en roll vid sjukdom.
Forskare vid Duke University har nu utvecklat ett sätt att systematiskt testa hur dessa DNA-bundna partiklar interagerar med immunsystemet. Genom att använda små partiklar av specifik storlek, fästa DNA-strängar av vissa längder och exponera de resulterande komplexen för immunceller i en labbskål, visar forskarna att en bättre grundläggande förståelse för dessa sjukdomar kan vara möjlig.
Resultaten publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Vårt tillvägagångssätt identifierade den cellulära vägen som orsakar det skadliga svaret på dessa hybridpartiklar, och visade att DNA bundet till nanopartiklars ytor skyddas från att brytas ned av enzymer", säger Christine Payne, Yoh-familjens professor i maskinteknik och materialvetenskap. . "Vi tror att det här är extremt viktiga resultat som kommer att ligga till grund för framtida studier med vårt nya system."
Även om DNA vanligtvis är inlåst i en cells kärna, kommer det ofta in i blodomloppet när celler dör eller attackeras av virus och bakterier. Medan det mesta så kallat "cellfritt DNA" bara varar minuter innan det bryts ned av kroppen, kan det i vissa människor och situationer kvarstå mycket längre. I det senaste arbetet har höga nivåer av cellfritt DNA varit nära relaterade till svårighetsgraden av lupussymptom, och många läkare testar nu sätt att använda det för att övervaka sjukdomsaktivitet.
Cellfritt DNA kan undvika eliminering till stor del genom att bilda komplex med andra molekyler eller fästa sig till naturligt förekommande partiklar. Beroende på ursprunget till DNA:t kan det variera i längd från några hundra baspar till flera tusen. Och partiklarna som den kan fästa till varierar från 100 till 1000 nanometer i diameter.
"Att experimentera med de partiklar som faktiskt finns i blod är svårt eftersom de finns i så många olika storlekar och kombinationer", säger Dr. David Pisetsky, professor i medicin och integrativ immunbiologi vid Duke University School of Medicine.
"Där tidigare arbete har fokuserat på att använda nanopartiklar för terapi, här undersöker vi att använda particip för att förstå sjukdomsmekanismer, vilket kan vara mycket informativt för viktiga medicinska frågor." Payne arbetade med medlemmar av sitt laboratorium för att tillverka hårt kontrollerade syntetiska partiklar i båda ändarna av det naturligt förekommande storleksspektrumet.
De fäste sedan DNA-strängar från E. Coli, antingen några hundra baspar långa eller 10 000 baspar långa, till både stora och små partiklar. Med ett brett utbud av syntetiska DNA-partikelkomplex i handen blandade de olika kombinationer med mänskliga makrofager, en typ av vita blodkroppar som omger och dödar mikroorganismer, tar bort döda celler och stimulerar verkan av andra immunceller.
"Jag gick med i labbet för över ett år sedan och har arbetat med att karakterisera nanopartikelkoronorna för att förstå deras storlek, mängd DNA och hur DNA bryts ned", säger Diego Montoya, en tredjeårsstudent som arbetar i Paynes labb och en medförfattare på tidningen. "Det har varit väldigt roligt och ett privilegium att arbeta med alla i den här forskningen."
Den första viktiga observationen som teamet gjorde var att DNA fäst vid nanopartiklar var skyddat från nedbrytande enzymer och att större nanopartiklar gav mer skydd.
"Vi tror att enzymerna kanske inte kan komma åt DNA:t för att förstöra det på grund av den form som DNA gör med ytan på nanopartikeln", säger Faisal Anees, en Ph.D. student i Paynes labb. "Men det kan finnas andra effekter på gång, så det är en fråga vi försöker svara mer definitivt nu."
Resultaten visade att makrofagerna svarade på alla typer av DNA-partikelkomplex genom att producera inflammatoriska signaler för andra celler att följa, ett kännetecken för många autoimmuna sjukdomar. De visade också att detta svar skapas genom en specifik signalväg som kallas cGAS-STING.
Forskarna betonar att de kombinerade resultaten ännu inte ger en rökande pistol för orsaken till lupus eller andra autoimmuna sjukdomar, som sannolikt är varierande och nyanserade.
"Alla sätt som immunsystemet attackerar sig självt är verkligen komplexa, svåra att förstå och svåra att behandla," sa Payne. "Det här tillvägagångssättet ger forskare ett sätt att gå igenom och peka ut faktorer som de inte skulle kunna göra med ett rent biologiskt system."
"Vi har nu ett väldefinierat modellsystem som ger oss möjligheten att ställa dessa frågor om orsakssamband kontra korrelation", tillade Pisetsky, som har forskat på autoimmuna sjukdomar i nästan ett halvt sekel. "Det ger oss också en ny metod för att utforska potentiella terapier."
Mer information: Faisal Anees et al, DNA-korona på nanopartiklar leder till en förstärkt immunstimulerande effekt med implikationer för autoimmuna sjukdomar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319634121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Duke University
