Het correct functioneren van cellen berust op de nauwkeurige orkestratie van vele complexe processen en organellen. Lysosomen - vitale celorganellen - zijn met enzymen gevulde subeenheden die in veel dierlijke cellen worden aangetroffen en die helpen bij het afbreken en hergebruiken van macromoleculen, zoals eiwitten, lipiden en nucleotiden. Naast hun functie bij cellulaire vertering en afvalbeheer, nemen lysosomen ook deel aan aminozuursignalering, wat naast andere effecten de eiwitsynthese stimuleert.

Aangezien veel ziekten worden veroorzaakt door defecten in de lysosoomfunctie, is het geen verrassing dat onderzoekers al tientallen jaren actief proberen deze organellen te begrijpen. Maar er zijn maar een paar technieken die de extractie van lysosomen vanuit een cel mogelijk maken. De meest gebruikelijke methode wordt "density gradient ultracentrifugation" genoemd. Het omvat het voorzichtig breken van het celmembraan en het uitoefenen van een centrifugale kracht op de inhoud van de cel. Dit scheidt de celcomponenten op dichtheid. Helaas hebben sommige andere organellen dezelfde dichtheid als lysosomen, wat resulteert in monsters met onzuiverheden. Bovendien duurt het proces zo lang dat tegen de tijd dat het klaar is, veel lysosomale eiwitten al verloren en/of afgebroken zijn.

Een meer geavanceerde techniek, 'immunoprecipitatie' genaamd, is gebaseerd op het modificeren van de oppervlakte-eiwitten van lysosomen, zodat ze kunnen worden opgevangen door magnetische kralen bedekt met speciaal op maat gemaakte antilichamen. Hoewel deze benadering zuiverdere resultaten oplevert, wordt de eiwitsamenstelling van de geëxtraheerde lysosomen door de procedure gewijzigd en kunnen daaropvolgende eiwitanalyses worden aangetast. Het is dus duidelijk dat we een betere manier moeten vinden om lysosomen uit cellen te extraheren.

Gelukkig is een team van wetenschappers onder leiding van prof. Shinya Maenosono van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) op de voorgrond getreden en heeft een nieuwe strategie ontwikkeld om intacte lysosomen snel met hoge zuiverheid te scheiden. Deze studie is gepubliceerd in ACS Nano en ook Prof. Kazuaki Matsumura en Associate Prof. Yuichi Hiratsuka van JAIST, en Prof. Tomohiko Taguchi van Tohoku University, Japan.

Hun strategie is gecentreerd rond het gebruik van magnetische-plasmonische hybride nanodeeltjes (MPNP's) gemaakt van zilver en een ijzer-kobaltlegering en bedekt met een verbinding genaamd aminodextraan (aDxt). De basis voor deze benadering is dat de met aDxt bedekte MPNP's van nature door de cellen worden opgenomen via "endocytose", die culmineert in lysosomen. Zodra er voldoende MPNP's zijn verzameld in de lysosomen, kunnen de cellen voorzichtig worden "geplet" en kunnen de lysosomen worden teruggewonnen met behulp van magneten.

Om deze methode te laten werken, is het essentieel dat MPNP's zich alleen in lysosomen bevinden en niet in andere organellen. Dit is waar plasmonbeeldvorming van pas komt, omdat de duidelijke manier waarop plasmonische nanodeeltjes interageren met licht, ze gemakkelijk te visualiseren maakt met een optische microscoop. Door elk type organel in de endocytische route anders te kleuren met behulp van immunokleuring en te controleren hoe de locatie van MPNP's ermee overlapt, bepaalden de onderzoekers de precieze tijd die de meeste MPNP's nodig hebben om de lysosomen te bereiken. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat het scheidingsproces lysosoommonsters met een hoge zuiverheid oplevert.

Daarna analyseerde het team de effecten van temperatuur en magnetische scheidingstijd op de eiwitsamenstelling van de geëxtraheerde lysosomen. Hun resultaten toonden aan dat het eiwitverlies opmerkelijk snel was, zelfs bij temperaturen zo laag als 4°C. Gelukkig was hun aanpak snel genoeg om intacte lysosomen te extraheren, zoals prof. Maenosono benadrukt:"We ontdekten dat de maximale tijd die nodig was om lysosomen te isoleren na celbreuk 30 minuten was, wat aanzienlijk korter is dan de tijd die nodig is met behulp van op centrifugatie gebaseerde technieken, die typisch een minimale scheidingstijd van enkele uren vereisen."

Over het algemeen zal deze nieuwe techniek onderzoekers helpen de fragiele metabolieten van lysosomen te onderzoeken en hoe ze veranderen als reactie op stimuli. Dit zal op zijn beurt de weg vrijmaken voor nieuwe inzichten in aandoeningen gerelateerd aan lysosomale disfunctie. In dit verband merkt prof. Maenosono op:"Gezien de diepgaande relatie van lysosomen met veel cellulaire metabolieten, is een dieper begrip van de lysosomale functie nodig om de regulatie ervan in verschillende celtoestanden te bepalen. Daarom kan onze techniek bijdragen aan een beter begrip en behandeling van lysosomale ziekten in de toekomst." Bovendien zou deze nieuwe benadering kunnen worden aangepast om naast lysosomen ook andere organellen te extraheren. Hopelijk brengt deze studie ons dichter bij het begrijpen van de inhoud van cellen in een veel hogere mate. + Verder verkennen

Onderzoekers voeren metabolomische profilering uit van individuele vergrote lysosomen