Elastaza neutrofilowa (NE), katepsyna G (CG), proteinaza 3 (PR3) i proteaza seryny neutrofilowej 4 (NSP4) to cztery proteazy neutrofilowe seryny (NSPs)1. Są one przechowywane, wraz z mieloperoksydazą, w granulkach pierwotnych lub azurofilowych neutrofili. Ze względu na podwyższoną zawartość proteolityczną wydzielanie pierwotnych granulek jest ściśle regulowane, a neutrofile muszą być sekwencyjnie prowokowane za pomocą bodźców pobudzających i aktywujących2.
Wewnątrz fagolizosomu NSP funkcjonują jako wewnątrzkomórkowe środki bakteriobójcze3. Po wydzieleniu NSP stają się silnymi mediatorami stanu zapalnego: rozszczepiają cytokiny i receptory powierzchniowe, aktywując równoległe szlaki prozapalne3. Co ważne, stany zapalne charakteryzują się niekontrolowanym wydzielaniem NSP. Na przykład w obrębie stanów zapalnych dróg oddechowych nadmierna aktywność NE powoduje nadmierne wydzielanie śluzu, metaplazję komórek kubkowych, inaktywację CFTR i przebudowę macierzy zewnątrzkomórkowej4,5. Katepsyna G uczestniczy również w stanach zapalnych: w szczególności rozszczepia i aktywuje dwa składniki rodziny IL-1, IL-36α i IL-36β6. W połączeniu z NE, CG rozszczepia receptory aktywowane proteazą na nabłonku dróg oddechowych, a także aktywuje TNF-α i IL-1β.
Endogenne antyproteazy, takie jak alfa-1-antytrypsyna, alfa-1-antychymotrypsyna i inhibitor proteazy wydzielniczej, regulują aktywność elastazy neutrofilowej i katepsyny G5. Jednak w trakcie postępu choroby płuc ciągłe wydzielanie proteaz przekracza stechiometrycznie tarczę antyproteazową, prowadząc do nieustępującej neutrofilii w drogach oddechowych, pogorszenia stanu zapalnego i uszkodzenia tkanek5,7. Chociaż wykazano, że stężenie i aktywność NE w rozpuszczalnych frakcjach dróg oddechowych pacjenta jest obiecującym biomarkerem ciężkości choroby8, NE i CG wiążą się również z błoną plazmatyczną neutrofili i zewnątrzkomórkowym DNA poprzez oddziaływania elektrostatyczne9,10, gdzie stają się mniej dostępne dla antyproteaz. Co ważne, w badaniach przedklinicznych zdefiniowano scenariusz, w którym aktywność proteazy związana z powierzchnią komórki pojawia się wcześniej i/lub niezależnie od jej rozpuszczalnego odpowiednika4,11. W rzeczywistości, aby stać się wykrywalną, wolna aktywność proteazy musi najpierw przytłoczyć tarczę antyproteazową. Zamiast tego, na powierzchni komórki, aktywność proteazy związanej z błoną pozostaje przynajmniej częściowo nienaruszona z powodu niedostępności dużych inhibitorów dla błony komórkowej plazmatycznej12. Tak złożone zachowanie proteazy ma ważne konsekwencje dla początku i rozprzestrzeniania się zapalenia za pośrednictwem neutrofili, dlatego musi być badane za pomocą precyzyjnych i pouczających narzędzi.
Z biegiem lat, sondy oparte na transferze energii rezonansu (FRET) Förster znalazły liczne zastosowania biomedyczne jako narzędzia, które skutecznie i szybko oceniają specyficzną aktywność proteazy w próbkach ludzkich13. Aby funkcjonować, reportery proteazy składają się z motywu rozpoznawania (tj. peptydu), który jest rozpoznawany przez enzym docelowy i opiera się na FRET, procesie fizycznym, w którym po wzbudzeniu fluorofor donorowy przekazuje energię cząsteczce akceptorowej. Przetwarzanie zachodzące w enzymie na reporterze, a mianowicie rozszczepienie części rozpoznającej, powoduje, że akceptor dyfunduje z dala od dawcy: aktywność enzymu jest zatem mierzona jako zależna od czasu zmiana dawcy w stosunku do fluorescencji akceptora. Taki odczyt jest samonormalizujący się i ratiometryczny, a zatem warunki środowiskowe, takie jak pH i lokalne stężenie sondy, mają na niego tylko marginalny wpływ. NEmo-114 i sSAM15 to sondy FRET, które raportują konkretnie aktywność NE i CG, odpowiednio. Jednak takie reportery nie lokalizują się specyficznie w żadnym przedziale komórkowym, dlatego są wykorzystywane do monitorowania aktywności proteazy obecnej w ludzkich płynach. Aby monitorować aktywność proteazy w sposób przestrzennie zlokalizowany, wraz z innymi opracowaliśmy sondy FRET, które łączą się ze składnikami subkomórkowymi za pomocą znaczników molekularnych14,15,16,17,18,19. Taka syntetyczna strategia pozwoliła na opracowanie NEmo-2 i mSAM, dwóch sond FRET wyposażonych w kotwice lipidowe, które lokalizują się w błonie plazmatycznej. Autorzy ci przyczynili się do głębszego zrozumienia proteaz NE i CG w mukowiscydozie i przewlekłych obturacyjnych chorobach płuc14,15.
Tutaj dostępne są szczegółowe protokoły wizualizacji i kwantyfikacji rozpuszczalnych i związanych z błoną aktywności NE i CG w ludzkiej plwocinie za pomocą sond FRET serii NEmo i SAM. Aby zająć się różnymi aspektami patofizjologii NSP i zapewnić szereg metod, które można zastosować w zależności od potrzeb użytkownika, przedstawiono analizę za pomocą spektroskopii fluorescencyjnej, mikroskopii fluorescencyjnej i cytometrii przepływowej.