banner
Апр 30, 2020
69 Просмотров

Наноустройства для мозга могут препятствовать образованию бляшек Альцгеймера

Nanodevices for the brain could thwart formation of Alzheimer’s plaques

Болезнь Альцгеймера является шестой по значимости причиной смерти в Соединенных Штатах, поражая одного из 10 людей старше 65. Ученые разрабатывают наноустройства для разрушения процессов в мозге, которые приводят к заболеванию.

Люди, страдающие болезнью Альцгеймера, имеют особый тип зубного налета, состоящего из самоорганизующихся молекул называемые β-амилоидные (Aβ) пептиды, которые со временем накапливаются в мозге. Считается, что это накопление способствует потере нервной связи и гибели клеток. Исследователи изучают способы предотвращения образования этими опасными бляшками пептидов, чтобы остановить развитие болезни Альцгеймера в мозге.

В рамках междисциплинарного исследования ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, а также сотрудники Корейского института науки и технологий (KIST) и Корейского передового института науки и технологий (KAIST), разработали подход для предотвращения образования зубного налета путем разработки наноразмерного устройства, которое улавливает опасные пептиды, прежде чем они смогут самостоятельно собираться.

«β-Амилоидные пептиды возникают в результате расщепления белка-предшественника амилоида, нормального компонента клеток головного мозга», – сказала Розмари Уилтон, молекулярный биолог из отдела биологических наук Аргонна. «В здоровом мозге эти выброшенные пептиды устраняются».

В мозге, склонном к развитию болезни Альцгеймера Однако мозг не устраняет пептиды, оставляя их для конгломерации в деструктивные бляшки.

«Идея состоит в том, что, в конечном итоге, суспензия наших наноустройств может собирать пептиды, когда они отпадают из клеток – до того, как они получат шанс на агрегацию », – добавила Елена Рожкова, ученый из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM), пользовательского фонда Министерства энергетики США.

Декорирование поверхности

Исследователи покрыли поверхность нового наноустройства фрагментами антитело – тип белка – который распознает и связывается с пептидами Aβ. 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 провел поиск в предыдущей литературе для выявления антител, которые имеют высокое сродство к пептидам Aβ. Было важно выбрать антитело, которое привлекает пептиды, но не связывается с другими молекулами в мозге. Затем команда, возглавляемая Уилтоном, произвела антитела в бактериях и проверила их эффективность.

Полное антитело Длина молекулы 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 наноустройства.

Проектирование и тестирование наноустройства

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 в организме. Наноустройства, покрытые фрагментами антител, захватывают и улавливают пептиды Aβ с высокой селективностью и силой.

«Многие попытки предотвратить болезнь Альцгеймера были сосредоточены на ингибировании ферментами отсечения β-амилоидных пептидов из клеток поверхность “, сказала Рожкова, которая руководила проектом на CNM. «Наш подход к элиминации более прямой. Мы взяли строительные блоки из нанотехнологий и биологии, чтобы создать« клетку »большой емкости, которая улавливает пептиды и выводит их из мозга».

На CNM ученые проверили эффективность устройств, сравнив 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 определения характеристик 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 Аргоннском отделе рентгеновской науки, на линии луча 12 – ID-B Расширенного источника фотонов (APS) лаборатории, Учебное заведение Министерства образования США

.

Эти исследования подтвердили, что наноустройства изолируют пептиды от пути к агрегации более чем 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 конструкцию 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, которые иначе были бы невозможны», – 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».

Эксперименты in vivo – эксперименты, проведенные на живых клетках – проведенные Ли и его сотрудниками, показали, что наноустройства нетоксичны для клеток. Они также проверили эффективность устройств в мозге мышей с болезнью Альцгеймера, демонстрируя вокруг 30 процент подавления образования зубного налета в мозге, содержащем наноустройства, по сравнению с контрольным мозгом. Исследование на мышах проводилось в KIST и KAIST в Южной Корее с соответствующими разрешениями правительства.

Это исследование объединило сильные стороны инженерии антител и нанотехнологий, мощь двух пользовательских учреждений DOE в Аргонне и инновационное сотрудничество в результате постдокторской программы лаборатории по изучению технологического подхода к профилактике болезни Альцгеймера.

Используя аналогичный подход, ученые могут также 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.

A статья об исследовании, озаглавленном «Наноразрушители на основе диоксида кремния: определение и устранение бета-амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера», была опубликована в апрельском выпуске Advanced Functional Материалы и были размещены на его обложке.


Article Tags:
Article Categories:
Интересно
banner

Добавить комментарий

102