$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Phagozytose, der Prozess, durch den angeborene Immunzellen große Partikel verschlingen, hat sich aus dem Fressmechanismus einzelliger Organismen entwickelt und beinhaltet die Bindung an ein Ziel, das Umhüllen mit einer Membran und das Einklemmen der Membran, um eine Vakuole innerhalb des Zytosols zu bilden, die als Phagosom bezeichnet wird. Während die phagosomale Membran von der Plasmamembran abgeleitet ist, verwandeln aktive Protein- und Lipidsortierung sowie die Fusion mit Endomembranen während der Phagosomenbildung das Phagosom in ein eigenständiges Organell innerhalb der Zelle mit abbauenden Eigenschaften, die die Abtötung, Neutralisierung und den Abbau des aufgenommenen Materials ermöglichen1-3. Dieser Prozess, der als phagosomale Reifung bezeichnet wird, beruht auf der Abgabe einer Vielzahl von proteolytischen und mikrobiziden Enzymen, einschließlich der Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH)-Oxidase, die Elektronen in Phagosomen überträgt und das starke Oxidationsmittel O2- und seine abgeleitete reaktive Sauerstoffspezies (ROS) 2,4 produziert.
Der luminale pH-Wert von Phagosomen hat einen tiefgreifenden Einfluss auf mehrere Ereignisse, die für die Funktion der Phagosomen erforderlich sind. Erstens beeinflusst der pH-Wert den Transport von Endomembranen im Allgemeinen, da pH-abhängige Konformationsänderungen von Transmembran-Transportregulatoren die Rekrutierung von Transportdeterminanten wie Arfs, Rabs und vesikulären Hüllproteinen verändern, die wiederum definieren, welche Vesikel mit den Phagosomen 5-8 fusionieren können. Zweitens wird auch die ionische Zusammensetzung des phagosomalen Lumens mit zunehmender Reife der Phagosomen verändert, und einige Ionentransporter, wie der Na+/H+-Austauscher oder die ClC-Familie Cl-/H+-Antiporter, die die phagozytäre Funktion fördern, beruhen auf der H+-Translokation 9,10. In ähnlicher Weise ist die ROS-Produktion eng mit dem phagosomalen pH-Wert verbunden. ROS und seine toxischen oxidativen Nebenprodukte sind seit langem als entscheidend für die phagosomale Abtötung von Neutrophilen anerkannt 4,11,12 und es wurde gezeigt, dass sie eine entscheidende Rolle in anderen Phagozyten spielen, einschließlich Makrophagen, dendritischen Zellen (DCs) und Amöben 13-16. Die NADPH-Oxidase ist ein elektrogenes Enzym, das H+ im Zytosol freisetzt, wenn NADPH verbraucht wird, und das den gleichzeitigen Transfer von H+ über begleitende HVCN1-Kanäle neben den transportierten Elektronen in das phagosomale Lumen erfordert, um die massive Depolarisation zu mildern, die sonst zu einer Selbsthemmung des Enzyms 17-21 führen würde. Schließlich haben mehrere proteolytische Enzyme eine optimale Aktivität bei unterschiedlichem pH-Wert, so dass zeitabhängige phagosomale pH-Änderungen beeinflussen können, welche Enzyme wann aktiv sind. Die Bedeutung des phagosomalen pH-Werts wird durch Organismen wie Mycobacterium tuberculosis, Franciscella tularensis und Salmonella typherium unterstrichen, die die phagozytäre Abtötung zumindest teilweise untergraben, indem sie den phagosomalen pH-Wert von 22-24 verändern.
Bei Säugetieren sind die Hauptphagozyten Neutrophile, Makrophagen und dendritische Zellen, und je nach Zelltyp können zeitabhängige phagosomale pH-Änderungen stark variieren und scheinen unterschiedliche Rollen zu spielen. In Makrophagen ist eine starke und schnelle Ansäuerung, die durch die ATP-abhängige vakuoläre ATPase (V-ATPase) der Protonenpumpe vermittelt wird, einer der Schlüsselfaktoren für die Abtötung 25-27, ähnlich den Mechanismen in Amöben, die die Phagozytose als Fressmechanismus nutzen 28. In diesen Zellen wird vermutet, dass die Aktivierung von sauren Proteasen eine Schlüsselrolle spielt. Im Gegensatz dazu beruht die Abtötung von Neutrophilen mehr auf ROS sowie HOCl, die von der Myeloperoxidase (MPO)11 produziert werden, und der pH-Wert bleibt während der ersten 30 Minuten neutral oder alkalisch, um erst später anzusäuern 29,30. Es wird vorgeschlagen, dass ein neutraler pH-Wert die Aktivität oxidativer Proteasen wie bestimmter Cathepsine begünstigt. In DCs ist der phagosomale pH-Wert umstritten, wobei einige über eine Versauerung und andere über einen neutralen oder alkalischen pH-Wert berichten 31,32, aber ROS und pH können die Fähigkeit dieser Zellen, Antigene an T-Zellen zu präsentieren, eine ihrer Hauptfunktionen, tiefgreifend beeinflussen 33.
Wichtig ist, dass Hormone, Chemokine und Zytokine Signalereignisse hervorrufen können, die die Reifung und Veränderungen im Verhalten der Phagozyten induzieren und wiederum den phagosomalen pH-Wert von 34,35 beeinflussen. In ähnlicher Weise können Medikamente, zum Beispiel das Malariamittel Chloroquin, das auch für Krebstherapien in Betracht gezogen wird 36, den phagosomalen pH-Wert und damit die Immunergebnisse beeinflussen. Daher könnte eine Vielzahl von Zellbiologen, Immunologen, Mikrobiologen und Arzneimittelentwicklern an der Messung des phagosomalen pH-Werts interessiert sein, wenn es darum geht, die Mechanismen zu verstehen, die den Auswirkungen einer bestimmten genetischen Störung, einer bioaktiven Verbindung oder eines Mikroorganismus auf die angeborene und adaptive Immunantwort zugrunde liegen.
Hier beschreiben wir eine Methode zur Messung des phagosomalen pH-Werts bei Neutrophilen, die es uns ermöglichte, die Bedeutung des HVCN1-Kanals bei der Regulierung des phagosomalen pH-Werts von 19 bei Neutrophilen zu zeigen. Das Verfahren basiert auf der ratiometrischen Eigenschaft von Fluoresceinisothiocyanat (FITC), dessen Fluoreszenzemission bei 535 nm pH-empfindlich ist, wenn es bei 490 nm angeregt wird, nicht aber bei 440 nm 37. Wenn dieser Farbstoff chemisch an ein Ziel, in diesem Fall Zymosan, gekoppelt ist, kann dies mit Hilfe der Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopie verfolgt werden, bei der Zellen während der Phagozytose abgebildet und phagosomale pH-Änderungen in Echtzeit gemessen werden, während das Phagosom reift. Der tatsächliche pH-Wert wird dann durch die Durchführung eines Kalibrierungsexperiments ermittelt, bei dem Zellen, die phagozytiert wurden, Lösungen mit unterschiedlichem pH-Wert ausgesetzt werden, die die Ionophore Nigericin und Monensin enthalten, die ein schnelles Gleichgewicht des pH-Werts innerhalb der Phagosomen mit der externen Lösung ermöglichen. Die Verhältniswerte werden dann mit dem bekannten pH-Wert von Lösungen verglichen, eine Kalibrierkurve wird durch nichtlineare Regression konstruiert und die resultierende Gleichung zur Berechnung des pH-Werts aus dem Verhältniswert verwendet.