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Ionenkanäle spielen eine entscheidende Rolle bei zahlreichen physiologischen Prozessen. Während Oberflächenionenkanäle große Aufmerksamkeit erhalten haben, wird die Bedeutung intrazellulärer Kanäle, insbesondere in Endolysosomen, allmählich anerkannt. Das endolysosomale System besteht aus multifunktionalen, membrangebundenen Organellen, die auf grundlegende zelluläre Funktionen spezialisiert sind, darunter Recycling-Endosomen (RE), frühe Endosomen (EE), späte Endosomen (LE), Lysosomen (LY) und Hybridorganellen mit endolysosomalen und anderen Kompartimenteigenschaften wie Phagosomen und Autophagosomen.
EE, auch als Sortierendosomen (SE) bekannt, sind eine der früheren Adressen für Materialien, die von der Plasmamembran (PM) internalisiert werden. EEs sind kritische Kompartimente, die für die Sortierung von Fracht in verschiedene endozytäre Wege verantwortlich sind, wie z. B. den Reifungsweg zu LE/LY für den Abbau, den schnellen Recyclingweg zurück zum PM und den langsamen Recyclingweg zwischen dem Recyclingfach oder peripheren RE. Multivesikuläre Körper (MVBs), die von Endosomen abgeleitet sind, sind kugelförmige Kompartimente, die von einer Grenzmembran umgeben sind, die mit intraluminalen Vesikeln (ILVs) gefüllt werden kann1. Um die normale Funktion dieser Organellen aufrechtzuerhalten, benötigen sie Membranionenkanäle, um den vesikulären pH-Wert, die Osmolarität und die Signaltransduktion zu regulieren. Die Messung der Aktivität dieser Kanäle ist jedoch nicht einfach.
Für Ionenkanäle, die sich auf der Plasmamembran befinden, ist die in den 1970er Jahren entwickelte Patch-Clamp-Technik lange Zeit die Goldstandardmethode2. Der elektrophysiologische Zugang zu Kanälen in kleinen intrazellulären Vesikeln ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung. Die Anwendung des Goldstandards für die Messung von Ionenkanälen auf der Plasmamembran auf die Messung intrazellulärer Organellen steht vor drei großen Herausforderungen. Erstens ist die Größe von Endolysosomen in der Regel sehr klein (weniger als 1 μm Durchmesser), was es schwierig macht, sie unter einem Mikroskop zu beobachten und zu isolieren, und kleiner als der Öffnungsdurchmesser typischer Glasmikropipetten, was das Experiment inoperabel macht. Zweitens erfordert die Isolierung von Endolysosomen direkt aus den Zielzellen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Integrität der Organellen besondere Fähigkeiten. Drittens kann es aufgrund des Fehlens eines Zytoskeletts in intrazellulären Organellen eine Herausforderung darstellen, eine Versiegelung der endolysosomalen Membran innerhalb der Patch-Pipette zu bilden und sie dann zu zerreißen, um eine Ganz-Endolysosomen-Konfiguration zu erreichen, da dies die strukturelle Integrität der Organellebeeinträchtigt 3.
Um diese Probleme zu überwinden, wurden mehrere Methoden entwickelt, darunter die Aufzeichnung von Lipiddoppelschichten, die Modifikation lysosomaler Targeting-Sequenzen und feststoffgestützte membranbasierte Elektrophysiologie (SSM oder SSME). Die Methode zur Aufzeichnung von Lipiddoppelschichten umfasst die Rekonstruktion synthetischer Phospholipidmembranen mit gereinigten Ionenkanälen, was eine detaillierte elektrophysiologische Untersuchung der Funktion von Membranproteinen unter kontrollierten Bedingungen ermöglicht 4,5. Die Modifikation lysosomaler Targeting-Sequenzen auf Ionenkanälen beinhaltet die Umleitung endolysosomaler Ionenkanäle zur Plasmamembran zur Messung mit herkömmlichen Patch-Clamp-Methoden6. Bei der feststoffgestützten membranbasierten Elektrophysiologie (SSM oder SSME), auch bekannt als endolysosomale planare Patch-Clamp-Methode, werden planare Glaschips mit festem Substrat und kleinen Öffnungen (<1 μm Durchmesser) in mikrostrukturierten planaren Borosilikatchips verwendet. Diese Glaschips mit kleiner Apertur ermöglichen die Analyse kleiner, sogar nativer Endolysosomen mit Hilfe eines Druck-Saug-Kontrollsystems (Nanion). Bei den ersten beiden Methoden befinden sich die Ionenkanäle jedoch nicht in ihrer natürlichen physiologischen Umgebung. Versuche, lysosomale Kanäle aufzuzeichnen, die auf der Plasmamembran exprimiert oder zu Lipiddoppelschichten rekonstituiert wurden, haben weitgehend zu unsicheren und widersprüchlichen Ergebnissen geführt.
Obwohl planare Patch-Clamp-Techniken das Problem der künstlichen Interferenz effektiv angegangen sind und den Vorteil von Hochdurchsatzmessungen bieten, sind auch die verwendeten Lösungen durch diese Methode begrenzt. Die in diesem Artikel vorgestellte endolysosomale Patch-Clamp-Technik kann mehrere Zellen gleichzeitig aufzeichnen und leicht mit anderen Messmethoden kombiniert werden. Die manuelle Bedienung bietet den Vorteil, dass Zielvesikel sichtbar gemacht werden können. Es überwindet auch die unvermeidliche Begrenzung von Ca2+ in der Lösung auf einer Seite der endolysosomalen Membran und erhöht die Freiheit des Versuchsdesigns3. In jüngster Zeit haben endolysosomale Patch-Clamp-Techniken eine Schlüsselrolle in der Arzneimittelentwicklungsforschung gespielt. Bei neurodegenerativen Erkrankungen hat diese Technik beispielsweise dazu beigetragen, neue Medikamente zu identifizieren, die auf endolysosomale Ionenkanäle abzielen, die mit Alzheimer- und Parkinson-Krankheiten in Verbindung gebracht werden 7,8. Forscher können diese Technik auch nutzen, um die Rolle endolysosomaler Ionenkanäle in Tumorzellen zu untersuchen9 und so das Wachstum und die Proliferation von Tumoren zu kontrollieren. In Bezug auf Stoffwechselerkrankungen zeigen endolysosomale Patch-Clamp-Studien Verbindungen auf, die endolysosomale Ionenkanäle regulieren, und bieten neue Behandlungsansätze für Diabetes und Fettleibigkeit. Die endolysosomale Patch-Clamp-Technik hilft beim Verständnis der endolysosomalen Dysfunktion und bei der Suche nach potenziellen Therapien6, wodurch unser Verständnis der Funktionen der endolysosomalen Ionenkanal erheblich verbessert und die Entdeckung neuer Wirkstoffziele gefördert wird.