Calcium Release Upon Photothermal Heating of Gold Nanostars in Jurkat T Cells

Abstract

Calcium, ein in verschiedenen eukaryontischen Zellen reichlich vorhandenes Ion, spielt bei zahlreichen zellulären Prozessen eine zentrale Rolle. Es dient als entscheidendes Signalmolekül, das wichtige Zellfunktionen wie Motilität, Mitochondrienaktivität, Genexpression, Zelllebensfähigkeit und Proliferation reguliert. In T-Zellen ist Calcium an ihrer Funktion beteiligt und löst die Aktivierung verschiedener Transkriptionsfaktoren aus. Aufgrund seiner Bedeutung wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Stimulation von T-Zellen, der intrazellulären Calcium Dynamik und den zellulären Folgen der intrazellulären Calciumerhöhung zu klären. Calcium in T-Zellen wird im extrazellulären Raum, oder in intrazellulären Speichern (wie dem endoplasmatischen Retikulum, Mitochondrien und Lysosomen) sequestriert. Die Aktivierung der T-Zellen wird durch die Bindung des T-Zell-Rezeptors an seine Co-Stimulationsproteine auf der Oberfläche der Antigen-präsentierenden Zellen ausgelöst. Die Bindung setzt eine Signalkaskade in Gang, die zur Freisetzung von Calcium aus dem endoplasmatischen Retikulum und zum Einstrom von Calcium aus dem extrazellulären Raum über Calciumkanäle führt. Der Calciumanstieg aktiviert mehrere Botenstoffe, darunter die Transkriptionsfaktoren der Gene, die an der Aktivierung der T-Zellen beteiligt sind. Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um Calcium im Zellinneren sichtbar zu machen. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden ist die Verwendung von Fluorophoren, die Calcium binden können. Bindet das Fluorophor an Calcium, erhöht sich die Fluoreszenz des Moleküls. Die Verwendung dieser Fluorophore hat es ermöglicht, die Ausbreitung von Calcium mit Hilfe eines konfokalen Mikroskops in Echtzeit und mit grösser Präzision zu verfolgen. Die Calciumsignalkaskade kann durch verschiedene Strategien stimuliert werden, wie z. B. durch chemische- und biologische Stimulierung. Die chemische Stimulation basiert auf der Injektion einer chemischen Verbindung, die die Freisetzung von Calcium auslöst, oder einer chemischen Behandlung, die das selbige erzielt. Die biologische Stimulierung beruht auf der Aktivierung des T-Zell-Rezeptors durch kostimulierende Proteine, die entweder an ein Bead, oder eine Oberfläche gebunden sind, oder in einem Puffer aufgelöst vorliegen. In den letzten Jahren haben Nanopartikel immer mehr an Interesse gewonnen. Unter ihnen wurden plasmonische Nanopartikel, insbesondere Goldnanopartikel, aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften intensiv untersucht. Sie sind insbesondere in der Lage, mit dem Licht im sichtbaren Spektrum zu interagieren. Diese Wechselwirkung führt zu einer oszillierenden Bewegung der Oberflächenelektronen, der sogenannten Oberflächenplasmonenresonanz (surface plasmon resonance). Wenn diese Gold-Nanopartikel mit der entsprechenden Wellenlänge interagieren, können sie die vom Licht absorbierte Energie in Wärme umwandeln, was als photothermische Erwärmung bezeichnet wird. Unter den verschiedenen Formen, die Nanopartikel haben können, sind sternförmige Gold-Nanopartikel diejenigen, die aufgrund ihrer scharfen Spitzen, in denen sich die Oberflächenplasmonenresonanz besser lokalisieren kann, die höchste Effizienz als photothermische Vektoren aufweisen. Goldnanosternchen wurden von Zhu und Mitarbeitern verwendet, um in zwei Krebszelllinien Calciumsignale zu induzieren und Calcium aus Lysosomen freizusetzen. In der in dieser Dissertation vorgestellten Arbeit wurde die Calciumfreisetzung in der Jurkat-T-Zelllinie durch Ausnutzung der photothermischen Eigenschaft von Goldnanosternen induziert. Nach der Behandlung mit den Nanosternen wurden die Jurkat-T-Zellen mit einem Laser der entsprechenden Wellenlänge bestrahlt. Die Goldnanostars, die in den Endolysosomen lokalisiert waren, erhöhten ihre Temperatur. Der Temperaturanstieg wurde auf die umgebenden Nanopartikel übertragen und führte zur Bildung einer vor übergehenden Pore in der lysosomalen Membran, was zur Freisetzung von Calcium führte. Das aus dem Lysosom freigesetzte Calcium löst die globale Calcium-Signalisierung innerhalb der Zelle aus. Die Verwendung eines calciumbindenden Fluorophors ermöglicht es, das Calcium räumlich und zeitlich zu visualisieren und zu untersuchen. Durch statistische Analysen und Bewertung verschiedener Bedingungen wurde die Existenz eines maximalen Peaks bestätigt, der eine beträchtliche Variabilität in der Intensität aufweist, während die Zeit bis zum Erreichen des Peaks bei jeder getesteten Bedingung gleich blieb. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die in dieser Arbeit vorgeschlagene Methode ein vielversprechender Ansatz zur Untersuchung der Calciumfreisetzung und -ausbreitung ist und eine einfachere und präzisere Alternative zu biologischen oder chemischen Methoden bietet.