Australian Synchrotron Röntgen- en infraroodbeeldvormingstechnieken zijn gebruikt in een krachtige gecombineerde benadering om de samenstelling van amyloïde plaques die geassocieerd zijn met de ziekte van Alzheimer te karakteriseren.

De ziekte van Alzheimer is een groot internationaal gezondheidsprobleem dat verantwoordelijk is voor 50-75 procent van alle gevallen van dementie in Australië. Meer dan 400, 000 Australiërs leven met dementie en het is de tweede belangrijkste doodsoorzaak.

Amyloïde plaques zijn complexe eiwitfragmenten die zich ophopen tussen zenuwcellen in de hersenen en verbindingen daartussen kunnen vernietigen, en zijn kenmerken van de ziekte van Alzheimer.

"Echter, het is nog steeds niet bekend of de plaques de ziekte van Alzheimer veroorzaken of dat de ziekte van Alzheimer hun vorming veroorzaakt, daarom moeten we ons begrip van eiwitstructuren in plaques verbeteren, en de moleculaire en elementaire samenstelling van weefsel rond de plaques", zegt Dr. Mark Hackett van Curtin University, die het onderzoek leidde.

De studie werd eerder dit jaar gepubliceerd in Biochemie .

Aangezien zeer weinig methoden voldoende chemische informatie verschaffen om de samenstelling en verdeling van de plaques in uitgesneden weefsel te bestuderen, de onderzoekers besloten om Synchrotron-spectroscopische technieken te combineren met aanvullende beeldvormingsmethoden, Raman-spectroscopie en fluorescentiemicroscopie.

"Het is iets dat nog nooit eerder in Australië is gedaan en het toont de kracht van de aanpak aan", zegt de Australische Synchrotron-instrumentwetenschapper dr. David Paterson. Hij en Dr. Mark Tobin van de Synchrotron behoorden tot een groot team van medewerkers van de Curtin University, de Universiteit van Saskatchewan en de Universiteit van Adelaide.

Metalen worden al lang in verband gebracht met amyloïde plaques en de ziekte van Alzheimer, en een aantal toonaangevende internationale onderzoeksgroepen hebben synchrotron-technieken gebruikt om de metaalverdeling in plaques te onthullen. Echter, de exacte rol van metalen bij de ziekte van Alzheimer is nog steeds niet bekend, "daarom is het belangrijk om de metaalconcentratie en -verdeling binnen plaques te correleren met veranderingen van belangrijke biochemische parameters, zoals lipiden en eiwitten", zegt Paterson, die assisteerde bij het verzamelen en analyseren van röntgenfluorescentiemicroscopiegegevens (XFM).

De heldere bron van röntgenstraling geproduceerd door de Australische synchrotron is een groot voordeel voor XFM.

"Er komt röntgenstraling met hoge energie binnen en als het wordt geabsorbeerd door een ijzeratoom, zendt het opnieuw röntgenstralen uit met een zeer specifieke energie en we hebben detectoren die het verschil kunnen zien tussen de röntgenstralen die van ijzer komen. of koper. Hoe meer ijzeratomen er op een bepaalde plaats zijn, hoe meer fluorescentie we vanaf daar zullen zien, ' zei Paterson.

XFM kan niet alleen onderscheid maken tussen verschillende elementen, maar röntgenfluorescentiemicroscopie is een directe beeldvormingstechniek die geen kleuring met zich meebrengt. Dit is echt belangrijk, zoals de typische kleurmethodes die vaak worden gebruikt om de ziekte van Alzheimer te bestuderen, kan belangrijke chemische informatie uit het weefsel verwijderen.

"Om de distributie van metalen en moleculen te kunnen bestuderen, zonder vlekken, is een werkelijk unieke mogelijkheid, en wordt mogelijk gemaakt met synchrotronlicht", aldus Hackett.

De XFM-bundellijn werd gebruikt als aanvulling op Raman-spectroscopie en infraroodmicrospectroscopie bij het bepalen van de locatie van specifieke metalen in de plaque en klassen van moleculen zoals lipiden, cholesterol en geaggregeerd eiwit. De resultaten gaven aan dat intens zink en wat ijzer werden gevonden in de plaquekern, terwijl het koper aan de rand in een wolkachtige vorm is uitgespreid."

"Omdat je de fluorescentiebeelden van elk element kunt overlappen, je verwerft een bruikbare chemische samenstelling van de plaque, ' zei Paterson.

Ondersteuning van de XFM-gegevens, infraroodbeeldvorming en Raman-microscopie leverden cruciale informatie over de moleculaire structuur in de plaques, in dit geval, de aanwezigheid en hoeveelheid lipiden. Verrassend genoeg, terwijl geaggregeerde eiwitten bleken te lokaliseren met Zn en Fe in de plaquekern, lipiden bleken te lokaliseren met Cu aan de plaqueperiferie.

"In dit stadium we zijn niet zeker van de exacte betekenis van de co-lokalisatie van lipiden en Cu in de plaquekern, echter, we hebben nu een beeldvormingsmethodologie waarmee we dit in de toekomst kunnen bestuderen, dat is een belangrijke stap voorwaarts", zei Hackett.

"De IR-microspectroscopie, wanneer aangevuld met Raman-microspectroscopie, bleek dat er een toename was in de niveaus van koper en lipiden aan de periferie van de plaque, " zei instrumentwetenschapper Dr. Mark Tobin, die hielpen bij het verzamelen en analyseren van gegevens van de Synchrotron-bron FTIR.

"Toekomstig onderzoek naar de interacties tussen koper en de lipiden in de amyloïde plaque is nader onderzoek waard." zei Hackett.