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La fagocitosi, il processo attraverso il quale le cellule immunitarie innate inghiottono particelle di grandi dimensioni, si è evoluta dal meccanismo alimentare degli organismi unicellulari, e comporta il legame con un bersaglio, avvolgendolo con una membrana e pizzicando la membrana per formare un vacuolo all'interno del citosol chiamato fagosoma. Mentre la membrana fagosomiale è derivata dalla membrana plasmatica, lo smistamento attivo delle proteine e dei lipidi, così come la fusione con le endomembrane durante la formazione dei fagosomi, trasformano il fagosoma in un organello distinto all'interno della cellula con proprietà degradative che consentono l'uccisione, la neutralizzazione e la rottura del materiale ingerito1-3. Questo processo, chiamato maturazione fagosomiale, si basa sulla somministrazione di una serie di enzimi proteolitici e microbicidi, tra cui la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH) ossidasi che trasferisce elettroni nei fagosomi producendo il forte ossidante O2- e le sue specie reattive dell'ossigeno derivate (ROS) 2,4.
Il pH luminale dei fagosomi ha una profonda influenza su diversi eventi necessari per la funzione dei fagosomi. In primo luogo, il pH influenza il traffico delle endomembrane in generale, poiché i cambiamenti conformazionali pH-dipendenti dei regolatori del traffico transmembrana alterano il reclutamento di determinanti del traffico come Arfs, Rabs e proteine del rivestimento vescicolare, che a loro volta definiscono quali vescicole possono fondersi con i fagosomi 5-8. In secondo luogo, anche la composizione ionica del lume fagosomiale si trasforma man mano che i fagosomi maturano, e alcuni trasportatori ionici, come lo scambiatore Na+/H+ o gli antiportatori Cl-/H+ della famiglia ClC, che promuovono la funzione fagocitica, si basano sulla traslocazione H+ 9,10. Allo stesso modo, la produzione di ROS è intimamente legata al pH fagosomiale. I ROS e i suoi sottoprodotti ossidanti tossici sono stati a lungo riconosciuti come cruciali per l'uccisione fagosomiale nei neutrofili 4,11,12 e hanno dimostrato di svolgere un ruolo critico in altri fagociti, tra cui i macrofagi, le cellule dendritiche (DC) e l'ameba 13-16. La NADPH ossidasi è un enzima elettrogenico che rilascia H+ nel citosol quando viene consumato e che richiede il trasferimento simultaneo di H+ attraverso i canali HVCN1 insieme agli elettroni trasportati nel lume fagosomiale, al fine di alleviare la massiccia depolarizzazione che altrimenti porterebbe all'autoinibizione dell'enzima 17-21. Infine, diversi enzimi proteolitici hanno un'attività ottimale a pH diversi, quindi le variazioni di pH fagosomiale dipendenti dal tempo possono influenzare quali enzimi sono attivi e quando. L'importanza del pH fagosomiale è evidenziata da organismi come Mycobacterium tuberculosis, Franciscella tularensis e Salmonella typherium che sovvertono l'uccisione fagocitaria almeno in parte alterando il pH fagosomiale 22-24.
Nei mammiferi i principali fagociti sono neutrofili, macrofagi e cellule dendritiche e, a seconda del tipo di cellula, le variazioni di pH fagosomiale dipendenti dal tempo possono variare notevolmente e sembrano svolgere ruoli diversi. Nei macrofagi una forte e rapida acidificazione mediata dall'ATPasi vacuolare della pompa protonica ATP-dipendente (V-ATPasi) è uno dei fattori chiave che mediano l'uccisione 25-27, simile ai meccanismi presenti nell'ameba che utilizza la fagocitosi come meccanismo alimentare 28. In queste cellule si ritiene che l'attivazione delle proteasi acide svolga un ruolo chiave. Al contrario, l'uccisione dei neutrofili si basa maggiormente sui ROS e sull'HOCl prodotto dalla mieloperossidasi (MPO)11, e il pH rimane neutro o alcalino durante i primi 30 minuti, acidificandosi solo successivamente a 29,30. È stato suggerito che il pH neutro favorisca l'attività delle proteasi ossidative come alcune catepsine. Nelle DC il pH fagosomiale è controverso, con alcune che riportano acidificazione e altre con pH neutro o alcalino 31,32, ma i ROS e il pH possono influenzare profondamente la capacità di queste cellule di presentare antigeni alle cellule T, una delle loro principali funzioni 33.
È importante sottolineare che ormoni, chemochine e citochine possono produrre eventi di segnalazione che inducono la maturazione e i cambiamenti nel comportamento dei fagociti e, a loro volta, influenzano il pH fagosomiale 34,35. Allo stesso modo, i farmaci, ad esempio l'antimalarico clorochina, che è anche considerato per le terapie antitumorali 36, possono influenzare il pH fagosomiale e quindi gli esiti immunitari. Pertanto, una varietà di biologi cellulari, immunologi, microbiologi e sviluppatori di farmaci può essere interessata a misurare il pH fagosomiale quando cerca di comprendere i meccanismi alla base degli effetti di una particolare alterazione genetica, composto bioattivo o microrganismo sulle risposte immunitarie innate e adattative.
Qui descriviamo un metodo per misurare il pH fagosomiale nei neutrofili che ci ha permesso di mostrare l'importanza del canale HVCN1 nella regolazione del pH 19 dei neutrofili. Il metodo si basa sulla proprietà raziometrica dell'isotiocianato di fluoresceina (FITC) la cui emissione di fluorescenza a 535 nm è sensibile al pH quando eccitata a 490 nm ma non a 440 nm 37. Quando questo colorante è accoppiato chimicamente a un bersaglio, in questo caso lo zimosoma, può essere seguito utilizzando la microscopia a fluorescenza ad ampio campo, in cui le cellule vengono visualizzate mentre fagocitano e le variazioni di pH fagosomiale vengono misurate in tempo reale durante la maturazione del fagosoma. Il pH effettivo viene quindi raccolto eseguendo un esperimento di calibrazione in cui le cellule che hanno fagocitato sono esposte a soluzioni di pH diverso che contengono gli ionofori nigericina e monensina, che consentono il rapido equilibrio del pH all'interno dei fagosomi con la soluzione esterna. I valori del rapporto vengono quindi confrontati con il pH noto delle soluzioni, viene costruita una curva di calibrazione mediante regressione non lineare e l'equazione risultante viene utilizzata per calcolare il pH dal valore del rapporto.