Болезнь Альцгеймера является шестой по значимости причиной смерти в Соединенных Штатах, поражая каждого десятого человека в возрасте старше 65 лет. Ученые разрабатывают наноустройства для разрушения процессов в мозге, которые приводят к заболеванию.
Люди, страдающие болезнью Альцгеймера, имеют особый тип бляшек, состоящих из самоорганизующихся молекул, называемых -амилоидными (A) пептидами, которые со временем накапливаются в мозге. Считается, что это накопление способствует потере нервной связи и гибели клеток. Исследователи изучают способы предотвращения образования этих опасных бляшек пептидами, чтобы остановить развитие болезни Альцгеймера в мозге.
В рамках междисциплинарного исследования ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США вместе с сотрудниками Корейского института науки и технологий (KIST) и Корейского передового института науки и технологии (KAIST) разработали подход. предотвратить образование зубного налета путем разработки наноразмерного устройства, которое улавливает опасные пептиды, прежде чем они смогут самостоятельно собираться.
-Амилоидные пептиды возникают в результате расщепления белка-предшественника амилоида, нормального компонента клеток головного мозга, - говорит Розмари Уилтон, молекулярный биолог в отделе биологических наук Аргонна. - В здоровом мозге эти выброшенные пептиды устраняются ».
Однако в мозге, склонном к развитию болезни Альцгеймера, мозг не удаляет пептиды, оставляя их конгломерат в разрушающие бляшки.
«Идея заключается в том, что, в конечном итоге, суспензия наших наноустройств может собирать пептиды, когда они отпадают от клеток, - прежде чем они получат возможность агрегировать», - добавила Елена Рожкова, ученый из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM). , Учебное заведение Министерства образования США.
Отделка поверхности
Исследователи покрыли поверхность нового наноустройства фрагментами антитела - типа белка - который распознает и связывается с пептидами A. Поверхность наноустройства сферическая и пористая, а его кратеры максимизируют доступную площадь поверхности для покрытия антителами. Большая площадь поверхности означает большую емкость для захвата липких пептидов.
Чтобы найти оптимальное покрытие, ученые сначала провели поиск в предыдущей литературе для выявления антител, которые имеют высокое сродство к пептидам A. Было важно выбрать антитело, которое привлекает пептиды, но не связывается с другими молекулами в мозге. Затем команда под руководством Уилтона произвела антитела к бактериям и проверила их эффективность.
Длина молекулы полного антитела может достигать нескольких десятков нанометров, что очень велико в сфере нанотехнологий. Однако только часть этого антитела участвует в привлечении пептидов. Чтобы максимизировать эффективность и возможности наноустройств, группа Уилтона произвела крошечные фрагменты антител для украшения поверхности наноустройств.
Инжиниринг и тестирование наноустройств
Ученые из CNM сконструировали основу из пористых сферических наноустройств из кремнезема, материала, который долгое время использовался в биомедицинских применениях благодаря своей гибкости в синтезе и нетоксичности для организма. Наноустройства, покрытые фрагментами антител, захватывают и улавливают пептиды A с высокой селективностью и силой.
«Многие попытки предотвратить болезнь Альцгеймера были сфокусированы на ингибировании ферментами резания -амилоидных пептидов с поверхности клетки», - сказала Рожкова, которая руководила проектом в CNM. «Наш подход к элиминации более прямой. Мы взяли строительные блоки из нанотехнологий и биологии, чтобы создать« клетку »большой емкости, которая улавливает пептиды и очищает их от мозга».
В CNM ученые проверили эффективность устройств, сравнивая поведение пептидов в отсутствие и в присутствии наноустройств. Используя трансмиссионную электронную микроскопию in vitro (TEM), они наблюдали заметное снижение агрегации пептидов в присутствии наноустройств. Кроме того, они проанализировали взаимодействия с использованием конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и измерения термофореза в микромасштабе, двух дополнительных методов для характеристики взаимодействий на наноуровне.
Ученые также выполнили малоугловое рентгеновское рассеяние, чтобы изучить процессы, которые делают наноустройства пористыми во время синтеза. Исследователи выполнили рентгеновскую характеристику под руководством Беонгду Ли, лидера группы в отделе рентгеновской науки в Аргонне, на линии луча 12-ID-B лаборатории Advanced Photon Source (APS), пользовательского центра Министерства науки и науки.
Эти исследования подтвердили тот факт, что наноустройства изолируют пептиды от пути к агрегации более чем на 90 процентов по сравнению с контрольными частицами кремнезема без фрагментов антител. Тем не менее, устройства все еще должны были продемонстрировать свою эффективность и безопасность в клетках и мозге.
Джунсок Ли - который первоначально предложил этот эксперимент в Аргонне в качестве постдокторанта директора и первым разработал дизайн для наноустройства - продолжил изучение терапевтического потенциала этого устройства в KIST и KAIST.
«Постдокторская должность директора - это редкая возможность, предлагаемая в Аргонне, которая допускает уникальные исследовательские проекты и межотраслевое сотрудничество, которое иначе было бы невозможным», - сказала Рожкова. «У нас невероятные умы в лаборатории, которые хотят исследовать темы, которые не подпадают под заранее определенную область исследований, и эта программа поощряет это творчество и инновации».
В VIV O экспериментов - эксперименты , которые имели место в живых клетках - в исполнении Ли и его сотрудники показали , что нанороботы являются нетоксичными для клеток. Они также проверили эффективность устройств в мозге мышей с болезнью Альцгеймера, продемонстрировав примерно 30-процентное подавление образования зубного налета в мозге, содержащем наноустройства, по сравнению с контрольным мозгом. Исследования на мышах проводились в KIST и KAIST в Южной Корее с разрешения правительства.
В этом исследовании объединились сильные стороны разработки антител и нанотехнологий, мощь двух учреждений для пользователей DOE в Аргонне и инновационное сотрудничество в результате постдокторской программы лаборатории по изучению технологического подхода к профилактике болезни Альцгеймера.
Используя подобный подход, ученые также могут соединить наночастицы кремнезема с различными антителами, которые нацелены на молекулы, связанные с другими нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона, которые также включают аномальную агрегацию белка. Пористые наночастицы могут быть дополнительно модернизированы для использования в приложениях визуализации, включая флуоресцентную визуализацию и магнитно-резонансную томографию.
