Voor de eerste keer, wetenschappers hebben een computersimulatie ontwikkeld van hoe klonten defecte eiwitten in neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer zich door de hersenen verspreiden, een groot deel van de tijd in stealth-modus, over 30 jaar.

"We hopen dat het vermogen om neurodegeneratieve aandoeningen te modelleren, zal leiden tot betere diagnostische tests en, uiteindelijk, behandelingen om hun effecten te vertragen, " zei Stanford werktuigbouwkundig ingenieur Ellen Kuhl, die het werk beschrijft in een artikel van 12 oktober in Fysieke beoordelingsbrieven co-auteur met Johannes Weickenmeier van het Stevens Institute of Technology en Alain Goriely van de Universiteit van Oxford.

De simulaties richten zich op de ziekte van Alzheimer, Parkinson en amyotrofische laterale sclerose (ALS, of de ziekte van Lou Gehrig), maar de onderzoekers geloven dat hun techniek algemeen genoeg is om te werken voor andere hersenaandoeningen waarbij misvormde eiwitten betrokken zijn, waaronder chronische traumatische encefalopathie.

Volg de eiwitten

De groep wist dat elk van de drie ziekten die ze bestudeerden kenmerkende bosjes defecte, verkeerd gevouwen eiwitten die zich ophopen in de hersenen. Om te zien hoe die giftige klonten zich in de tijd verspreiden, Kuhl en haar collega's keken naar hersenplakken van mensen die stierven na het ontwikkelen van een van de drie ziekten. Eerdere onderzoekers hadden die hersenplakken gekleurd om de aanwezigheid van de verschillende eiwitten van belang te onthullen.

Toen Kuhls team de resulterende gegevens in een computer stopte, ze deden ook de wiskundige modellering om te simuleren hoe het patroon van defecte eiwitten zich verspreidt van de relatief kleine klonten bij mensen die vroeg in de ziekte waren tot veel meer wijdverbreide klontering bij mensen met een gevorderde ziekte - een proces dat tot 30 jaar kan duren.

"Stel je een domino-effect voor, " zei Kuhl, die deel uitmaakt van het Stanford Neurosciences Institute en Stanford Bio-X. "Wat ons model doet, is de punten tussen de statische datapunten verbinden, wiskundig, om ziekteprogressie in ongekend detail te laten zien."

In het geval van de ziekte van Alzheimer, de wetenschappers modelleerden de progressie van twee verkeerd gevouwen eiwitten - bekend als tau en amyloïde bèta - die beide van vorm veranderen en giftige klonten vormen in de hersenen van mensen met de ziekte. Eerdere onderzoekers hadden hersenschijfjes gekleurd voor beide eiwitten en, met het nieuwe model Het team van Kuhl was in staat om twee simulaties te maken die de verschillende manier laten zien waarop elk van deze varianten van die ziekte zich verspreidde.

Het defect verspreiden

Neurowetenschappers weten niet precies hoe een klomp defecte eiwitten zijn buren beïnvloedt om de verkeerde vouwing te verspreiden, hoewel Kuhl zei dat er drie heersende theorieën zijn. De deugd van het model, ze zei, is dat het het pad van de ziekte voorspelt, ongeacht welke theorie correct is.

Kuhl is nu van plan om met neurowetenschappers samen te werken om de mechanismen van de verkeerde vouwing van eiwitten beter te begrijpen. Deze inzichten zouden hun model verbeteren en misschien leiden tot betere manieren om de ziekte te diagnosticeren terwijl deze zich nog in de stealth-modus bevindt.

"De echte uitdaging is dat celdood door giftige eiwitten jaren duurt, zo niet decennia, voordat de eerste symptomen zichtbaar worden, ' zei Kuhl.

Kuhl is ook van plan om de modelleringssoftware gratis beschikbaar te stellen aan andere wetenschappers, herhalen wat ze tien jaar geleden deed met vergelijkbare modellen om het hart te bestuderen - werk dat nu bekend staat als het Living Heart Project. Vandaag, Kuhl zei, meer dan 150 academische en commerciële laboratoria gebruiken de Living Heart-software om chirurgische procedures te testen of apparaten zoals hartkleppen te ontwerpen. De hersensoftware zal bekend worden als het Living Brain Project.

"Gezien de vergrijzing van de bevolking, tegen het midden van de eeuw zullen 135 miljoen mensen wereldwijd een vorm van dementie hebben, " zei Kuhl. "We moeten nieuwe manieren vinden om onderzoek naar diagnostiek en interventies te stimuleren, en computermodellering kan een sleutelrol spelen bij het identificeren van nieuwe therapeutische doelen."