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Die meisten Zelltypen von Wirbeltieren teilen die angeborene Fähigkeit zur nicht-selektiven Aufnahme von Flüssigkeit mit ihren Vorgängern im Laufe der Evolution, die auf einzellige Amöben zurückgehen1. Dieser hochkonservierte Prozess der Flüssigphasenaufnahme durch Makropinozytose (großes Trinken) wird von Amöben hauptsächlich zur Nährstoffaufnahme1 genutzt, während er in Wirbeltierzellen in ähnlicher Weise ein Versorgungsweg für die Gewinnung von Nährstoffen unter Stress sein kann, und er wird von Immunzellen zur Probenahme und Überwachung von Gewebeumgebungen verwendet2. Die Macropinozytose weist Merkmale auf, die sie von anderen Formen der Endozytose unterscheiden, einschließlich der charakteristischen, großen (>0,2 mm Durchmesser) vakuolären Makropinosomen, der nicht-selektiven Natur der Aufnahme von Flüssigkeit und gelösten Stoffen und der begleitenden Ausdehnungen der Plasmamembran, die opportunistisch in Makropinosomen internalisiert werden3. Die nicht-selektive Natur dieser Aufnahme bedeutet, dass die Sortierung und das Recycling schnell erfolgen müssen, um essentielle lösliche Proteine und Plasmamembranproteine zu retten, indem sie wieder an die Zelloberfläche zurückgeführt werden. Ein Großteil des Materials, das in Makropinosomen aufgenommen wird, ist für den Abbau in Lysosomen bestimmt und wird durch Makropinosomenreifung und Fusion mit anderen Endosomen in endo/lysosomale Wege geleitet. Plasmamembranproteine können auch aus Makropinosomen wieder an die Zelloberfläche zurückgeführt werden. Es besteht ein intensives Interesse auf dem Gebiet der Krebserkrankung, um den Prozess der Makropinozytose zu verstehen, die in Krebszellen aktiviert wird und dazu beiträgt, ihre Ernährung und Proliferation aufrechtzuerhalten 2,4,5,6. Die Macropinozytose tritt sowohl konstitutiv auf als auch kann durch Rezeptor-vermittelte Stimulation in Immunzellen weiter induziert werden, wo Makropinosomen die Rezeptorsignalisierung beherbergen, zur endo/lysosomalen Prozessierung der Antigenpräsentation beitragen und ein Eintrittsportal für eine Vielzahl von Viren, Bakterien und anderen Krankheitserregern darstellen 3,7.
Macropinosomen haben nur wenige markante oder einzigartige Marker. Sie sind am einfachsten während ihrer Bildung an der Basis dramatischer, aktinreicher Zelloberflächenkräuselungen zu identifizieren, die Flüssigkeitfast verschlingen 8. Unmittelbar nach dem Verschluss wird das F-Aktin um die Makropinosomen depolymerisiert, und die Makropinosomen selbst unterliegen dynamischen Veränderungen, die mit homo- und heterotypischer Fusion, Tubulation und Schrumpfung verbunden sind9. Macropinosomen sind auch auf ultrastruktureller Ebene schwer zu identifizieren, da sie keine charakteristischen Hüllen oder andere Merkmale aufweisen und lediglich als Vakuolen unterschiedlicher Größe erscheinen. Ohne definitive Membranmarker werden Makropinosomen am einfachsten und traditionellsten durch ihre flüssige Fracht definiert, die experimentell durch die Verwendung von fluoreszierendem Dextran erfolgt. Dextran ist ein von Glukose abgeleitetes komplexes Polysaccharid, das an eine große Anzahl von fluoreszierenden oder elektronendichten Markern gekoppelt und dem Medium zur Aufnahme durch Zellen zugesetzt oder zur Aufnahme in Gewebe perfundiert werden kann. Darüber hinaus wird Dextran mit hohem Molekulargewicht (MW) (70 kDa) heute als größenselektive Fracht für Makropinosomen angesehen, da es nicht in andere, kleinere endozytäre Vesikel eindringt, und es ist zur gebräuchlichsten Markierung für Makropinozytose geworden10,11. Bei der Betrachtung der Makropinozytose werden typischerweise Zellen mit einem Impuls aus fluoreszierendem Dextran inkubiert und fixierte oder lebende Zellen für die Fluoreszenzbildgebung verwendet, um den Bolus der Dextranmarkierung in Zellen in Makropinosomen zu betrachten. Aufgrund ihrer Größe können unmarkierte Makropinosomen in einigen Zelltypen auch mittels Phasenkontrast- oder Hellfeldmikroskopie betrachtet werden, wobei Makropinosomen als große weiße leere Vakuolen erscheinen. Aus den Phasenkontrastbildern der Zellen werden einige Kontextinformationen gewonnen, und diese Bilder können dann zusätzlich mit Fluoreszenzbildern überlagert werden, um die Aufnahme von fluoreszierendem Dextran darzustellen12,13. Dextrane unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Markierungen können zur Überwachung der Flüssigkeitsaufnahme in mehrere zelluläre und endozytäre Signalwege 10,14,15 verwendet werden, und Dextran kann auf Zellkulturen aufgetragen oder in Mäuse für die intravitale Bildgebungperfundiert werden 16 oder sogar in Fliegenembryonen17 für die Lebendbildgebung injiziert werden.
Zu den Schwierigkeiten bei der Verwendung von Dextran zur Verfolgung von Makropinosomen gehören sein Austritt aus Makropinosomen nach der Fixierung oder Permeabilisierung von Zellen, seine verdünnten oder schwer nachweisbaren Mengen in Zellen, die keine aggressive Makropinozytose durchführen, und seine dynamische Entfaltung und Dispersion in Zellen während der Makropinosomenreifung3. Diese Probleme werden in den meisten Experimenten verschärft, die darauf ausgelegt sind, die Aufnahme eines einzelnen Dextranimpulses zu verfolgen, der den Zellen zugesetzt und dann abgewaschen wird.
Stattdessen werden in dieser Arbeit die Vorteile des Auftragens von fluoreszierendem Dextran auf die Zellen und dessen Belassen im Medium während der Live-Bildgebung beschrieben, um eine kontinuierliche Aufnahme in die Zellen aufzuzeichnen. Dies verstärkt das Dextran-Signal in Makropinosomen und nachfolgenden Endosomen, die den gesamten Reifungsweg anzeigen. Betrachtet man markierte Makropinosomen vor dem unmarkierten (schwarzen) Inneren der Zellen, so zeigt sich in einer kontrastreichen inversen Einstellung alle Merkmale der Makropinosomen, und umgekehrt hebt das stark fluoreszierende Medium außerhalb der Zellen die dynamische Kräuselung der Zelloberfläche hervor. Diese Methode beschreibt die Live-Bildgebung von Dextran für lichtmikroskopische, konfokale Bildgebung und für dessen Detektion nach Zellfixierung durch korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM). Die hier enthaltene Bildgebung wurde an verschiedenen Zelltypen durchgeführt, um die breite Anwendbarkeit dieser Ansätze zu demonstrieren, einschließlich aktivierter Makrophagen und Mikrogliazellen, bei denen die Makropinozytose sehr aktiv und schnell ist, und bei Krebszellen, bei denen Makropinozytose relativ seltener vorkommt.