Fagocytoza to główna funkcja komórki, która zaczyna się od rozpoznania i związania materiału z receptorami powierzchniowymi, co następnie prowadzi do internalizacji i degradacji spożytego materiału. Podczas gdy jednokomórkowe eukarionty, takie jak pleśń Dictyostelium discoideum i ameby, wykorzystują fagocytozę do odżywiania się bakteriami, organizmy wyższe wyewoluowały z komórkami profesjonalnymi. Makrofagi lub komórki dendrytyczne są pierwszą linią obrony przed patogenami w różnych tkankach i narządach i mają kluczowe znaczenie dla aktywacji adaptacyjnego układu odpornościowego poprzez prezentację antygenu i produkcję cytokin 1-4. W pewnych okolicznościach fagocytoza może być wykonywana przez nieprofesjonalne komórki fagocytarne, np. komórki śródbłonka i nabłonka. Proces ten jest ważny dla utrzymania homeostazy podczas rozwoju i w wieku dorosłym dla prawidłowego obrotu i przebudowy tkanek. Wreszcie, wyspecjalizowane fagocyty, takie jak komórki Sertoliego w jądrze lub komórki nabłonka barwnikowego siatkówki, są niezwykle silnymi fagocytami 5.
Tworzenie fagosomu, w którym następuje degradacja mikroorganizmów lub szczątków komórkowych, rozpoczyna się od zgrupowania receptorów fagocytarnych na powierzchni komórki fagocytarnej. Zdarzenia sygnalizacyjne następujące po grupowaniu receptorów opsonicznych, takich jak receptory Fc (FcR) lub receptory dopełniacza (CR), zostały dobrze scharakteryzowane. Istnieje jednak również wiele receptorów nieopsonicznych, w tym receptory Toll-podobne (TLR), lektyny, receptory mannozy i receptory padlinożerców. Receptory te rozpoznają determinanty na powierzchni cząstek, takie jak reszty mannozy lub fukozy, fosfatydyloseryna i lipopolisacharydy 1,6-9.
Rozpoznawanie patogenów lub szczątków komórkowych polega na wiązaniu i grupowaniu kilku typów receptorów fagocytarnych, co następnie prowadzi do intensywnej i przejściowej przebudowy aktyny. Równolegle ogniskowa egzocytoza przedziałów wewnątrzkomórkowych przyczynia się do uwolnienia napięcia błonowego i jest ważna dla efektywnej fagocytozy dużych cząstek. Zdarzenia sygnalizacyjne prowadzące do polimeryzacji aktyny i deformacji błony zostały przeanalizowane w modelach eksperymentalnych, które wyzwalały pojedynczy receptor fagocytarny. Podczas fagocytozy za pośrednictwem FcR zachodzi intensywna polimeryzacja aktyny, która jest regulowana przez małe GTPazy (Rac, Cdc42). Białko zespołu Wiskotta-Aldricha (WASP) prowadzi do aktywacji kompleksu 2/3 białka związanego z aktyną (Arp2/3), który zarodkuje włókna aktynowe 1,2,4,10. Lokalna produkcja fosfatydyloinozytolu-4, 5-bisfosforanu (PI(4,5)P2) ma kluczowe znaczenie dla początkowej polimeryzacji aktyny, która napędza tworzenie pseudopodów. Jego konwersja do PI(3,4,5)P3 jest wymagana do wydłużenia pseudopoda i zamknięcia fagosomu 11. Do zaniku PI(4,5)P2 przyczynia się kilka szlaków. Po pierwsze, oderwanie kinaz fosforanowych fosfatydyloinozytolu () od fagosomu zatrzymuje syntezę PI(4,5)P2. Po drugie, może być fosforylowany i zużywany przez kinazy PI3K klasy I (PI3K) i przekształcany w PI(3,4,5)P3 12. Rola fosfataz i fosfolipaz została również zasugerowana w hydrolizie PI(4,5)P2 i usuwaniu F-aktyny podczas fagocytozy w komórkach ssaków i w Dictyostelium13,14. Fosfolipaza C (PLC)δ hydrolizuje PI(4,5)P2 do diacyloglicerolu i inozytolo-1,4,5-trifosforanu. Fosfataza PI(4,5)P2 i PI(3,4,5)P3 OCRL (zespół oczno-mózgowo-nerkowy Lowe'a) jest również zaangażowana w tworzenie fagosomów. Precyzyjne miejscowe tworzenie F-aktyny i jej depolimeryzacja jest ściśle regulowana w czasie i przestrzeni, a my wykazaliśmy, że rekrutacja przedziałów wewnątrzkomórkowych jest ważna dla lokalnego dostarczania fosfatazy OCRL, przyczyniając się w ten sposób do lokalnej depolimeryzacji aktyny u podstawy miseczki fagocytarnej 13,15. W tym celu użyliśmy opisanej tutaj konfiguracji eksperymentalnej.
Mechanizm i czynniki molekularne niezbędne do zamknięcia fagosomu i rozszczepienia błony pozostają słabo zdefiniowane z powodu trudności w wizualizacji i monitorowaniu miejsca zamknięcia fagosomu. Do niedawna fagocytozę obserwowano na stałych lub żywych komórkach, które internalizują cząstki na swojej powierzchni grzbietowej lub po bokach, co utrudnia terminową wizualizację miejsca zamknięcia fagosomu. Ponadto metody mocowania mogą powodować cofanie się błon i zniekształcać wyniki dotyczące wydłużania i zamykania pseudopodiów. W przeciwieństwie do tego, test, który skonfigurowaliśmy i opisaliśmy tutaj, pozwala nam uwidocznić wydłużenie pseudopoda i etap zamykania fagocytozy w żywych komórkach 13, w oparciu o całkowitą mikroskopię wewnętrznego odbicia (TIRFM) 16. Ta technika optyczna wykorzystuje falę ulotną do wzbudzenia fluoroforów w cienkim obszarze na granicy między przezroczystym ciałem stałym (szkiełko nakrywkowe) a cieczą (pożywką do hodowli komórkowych). Grubość głębokości wzbudzenia wynosi około 100 nm od powierzchni ciała stałego, co pozwala na wizualizację zdarzeń molekularnych w pobliżu błony plazmatycznej. TIRFM pozwala na wysoki stosunek sygnału do tła i ogranicza zebraną fluorescencję nieostrą oraz cytotoksyczność spowodowaną oświetleniem komórek.
Korzystając z TIRFM, opracowaliśmy "test zamykania fagosomu", w którym szkiełka nakrywkowe są aktywowane polilizyną, a następnie pokrywane IgG-opsonizowanymi czerwonymi krwinkami (IgG-SRBC). Makrofagi wykazujące ekspresję przejściowo znakowanych fluorescencyjnie białek będących przedmiotem zainteresowania mogą następnie pochłonąć IgG-SRBC. Podczas gdy komórki odrywają cząstki docelowe, które są niekowalencyjnie związane z powierzchnią szkła, końcówki pseudopodów można obserwować i rejestrować w trybie TIRF. Akwizycje TIRF łączy się z akwizycjami w trybie epifluorescencji, po przesunięciu stopnia o 3 μm powyżej, co pozwala na wizualizację podstawy miseczki fagocytarnej. Możliwe jest również dodanie leków farmakologicznych, takich jak leki hamujące aktynę lub dynaminę podczas procesu, w celu dalszej analizy procesu na poziomie molekularnym.
Protokół opisany tutaj szczegółowo dotyczy mysiej linii komórkowej makrofagów RAW264.7 i opsonizowanych cząstek, ale praktycznie można go dostosować do dowolnej innej komórki fagocytarnej i z innymi celami, takimi jak koraliki. Metoda ta pozwoli na lepsze scharakteryzowanie regulacji w czasie i przestrzeni graczy molekularnych zaangażowanych w wydłużanie pseudopodów i zamykanie fagosomów podczas różnych procesów fagocytarnych.