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Verfolgung von Zink in Zellen zur Diagnose von Prostatakrebs
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben einen neuen optischen Sensor entwickelt, der Zink in den Zellen des Körpers verfolgen kann, sodass die Forscher mehr über seine Funktionen erfahren können.
Zink ist ein essentielles Mineral und findet sich in jedem Gewebe des Körpers. Während der Großteil von Zink fest an Proteine ??gebunden ist, sind winzige Mengen nur lose gebunden oder "mobil".
Es wird angenommen, dass diese beweglichen Zinkionen für das Funktionieren von Organen einschließlich des Gehirns, der Bauchspeicheldrüse und der Prostata entscheidend sind.
Bis heute verstehen Wissenschaftler die Rolle von Zink in biologischen Systemen nicht vollständig, aber die Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) glauben, dass ihr Sensor dies ändern könnte.
In einem Papier veröffentlicht in der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbeschreiben sie, wie der Sensor fluoresziert, wenn er an Zink bindet und auf eine bestimmte Organelle innerhalb einer Zelle gerichtet werden kann, wodurch sie feststellen können, wo das Zink am stärksten konzentriert ist.
Der Sensor basiert auf Zinpyr1 (ZP1), einem Molekül, das ursprünglich vor mehr als 10 Jahren im selben MIT-Labor entwickelt wurde. ZP1 basiert auf einem Farbstoff namens Fluorescein, der im Sensor jedoch nur dann fluoresziert, wenn er an Zink bindet.
Die Wissenschaftler erkennen an, dass sie Schwierigkeiten hatten, auf bestimmte Strukturen in den Zellen zu zielen, und Robert Radford, ein MIT-Postdoc und Autor der Studie, erklärt:
"Wir hatten einige Erfolge mit Proteinen und Peptiden, um auf niedermolekulare Zinksensoren zu zielen, aber die meiste Zeit werden die Sensoren in sauren Vesikeln in der Zelle gefangen und werden inaktiv."
Wissenschaftler können die Position von Zink in den Zellen verfolgen und gewinnen ein besseres Verständnis der Rolle, die das Mineral in Krebszellen spielt.
Um diese Hindernisse zu überwinden, haben die Forscher zwei Änderungen am Design des Sensors vorgenommen. Zuerst installierten sie einen zinkreaktiven Schutzring, der seine physikalischen Eigenschaften veränderte und das Targeting erleichterte.
Sie fügten dem ZP1 auch einen "Adressanhänger" bei, der sie zu den Mitochondrien leitete. Diese Markierung, ein Derivat von Triphenylphosphonium, ist sowohl positiv geladen als auch hydrophob und der Sensor ist erfolgreich in Zellen eingetreten. Dies ermöglichte den Forschern, mobile Zink-Pools innerhalb der Mitochondrien zu visualisieren.
Christopher Chang, Professor für Chemie und Molekular- und Zellbiologie an der University of California-Berkeley, der nicht zum Forschungsteam gehörte, sagt:
"Dies ist ein aufregendes neues Konzept für die Sensorik unter Verwendung einer Kombination von Reaktions- und Erkennungs-basierten Ansätzen, die potentielle Anwendungen für die Diagnostik mit Zink-Fehlregulation bietet."
Die Rolle von Zink in Prostatakrebszellen
Die Wissenschaftler nutzen den Sensor bereits, um zu verstehen, warum Zinkspiegel, die normalerweise in der Prostata sehr hoch sind, in krebsartigen Prostatazellen dramatisch abfallen.
Radford fährt fort:
"Wir können diese Werkzeuge nutzen, um den Zinktransport innerhalb gesunder und erkrankter Prostatazellen zu untersuchen. Dadurch versuchen wir einen Einblick zu bekommen, wie sich der Zinkspiegel in der Zelle während der Progression von Prostatakrebs verändert."
Nach Angaben des Centers for Disease Control and Prevention (CDC) ist Prostatakrebs die häufigste Krebserkrankung bei amerikanischen Männern und eine der häufigsten Todesursachen.
Die MIT-Wissenschaftler erforschen nun Möglichkeiten, ähnliche Fluoreszenzsensoren zu verwenden, um einen diagnostischen Test zu erstellen, da Prostatakrebs behandelbar ist, wenn er früh genug gefangen wird.
Es ist bekannt, dass Zink zur Stabilisierung der Proteinstruktur beiträgt und der Katalysator für einige zelluläre Reaktionen ist. In der Prostata hilft Zink dabei, Citrat, eine Komponente des Samens, anzusammeln.
Innerhalb der Mitochondrien epithelialer Prostatazellen hemmt Zink bekanntermaßen das Stoffwechselenzym Aconitase. Die Wissenschaftler glauben, dass Zink durch die Blockierung der Aconitase den Zitronensäurezyklus verkürzt - die Reihe von Reaktionen, die benötigt werden, um ATP, die Energiewährung der Zelle, zu produzieren.
Die meiste ATP-Produktion findet in den Mitochondrien statt, und das MIT-Team theoretisierte, dass, wenn Prostatazellen kanzerös werden, sie Zink von hier verbannen, was den Krebszellen ermöglicht, die zusätzliche Energie zu produzieren, die sie zum Wachsen und Teilen benötigen.
Radford erklärt:
"Wenn sich eine Zelle unkontrolliert teilt und viel chemische Energie benötigt, dann würde Zink definitiv nicht die Aconitase stören und die Produktion von mehr ATP verhindern."
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass, obwohl die Krebszellen der Prostata das Zink absorbierten, es sich nicht in den Mitochondira sammelte, was, wie sie behaupten, die Theorie unterstützt.
Weitere Studien zur Rolle von Zink spielen im Körper
Die Ergebnisse legen nahe, dass Zink in gesunden Zellen durch ein nicht identifiziertes Protein zu den Mitochondrien transportiert werden kann. Dies legt nahe, dass das Protein in Krebszellen inaktiviert werden kann.
Zukünftige Studien werden geplant, um eine Palette von Sensoren zu erstellen, die auf verschiedene Organellen innerhalb der Zelle ausgerichtet sind.
Die Forscher konzentrieren sich nun auf die Rolle von Zink im Gehirn, von dem angenommen wird, dass es als Neurotransmitter wirkt. Sie werden untersuchen, welche Rolle Zink beim Hören, Sehen und Riechen spielt.
Stephen Lippard, leitender Autor und Arthur Amos Noyes Professor für Chemie am MIT, kommt zu folgendem Schluss:
"Die Identifizierung von intrazellulären Targets für mobiles Zink ist ein wichtiger Schritt, um seine wahre Funktion in biologischen Signalwegen zu verstehen. Die nächsten Schritte umfassen die Entdeckung der spezifischen biochemischen Wege, die durch die Zinkbindung an Rezeptoren in den Organellen, wie Proteine, beeinflusst werden Aufklären der strukturellen und begleitenden funktionalen Veränderungen, die in dem Prozess auftreten. "
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