Een team van onderzoekers van het Massachusetts General Hospital (MGH) en het Rowland Institute aan de Harvard University hebben een gespecialiseerde nanosonde gebruikt die is ontwikkeld door de Harvard/Rowland-onderzoekers om de niveaus van belangrijke eiwitten in levende, gekweekte cellen. Zoals beschreven in het journaal Nano-letters , de onderzoekers gebruikten het apparaat om niveaus van de met de ziekte van Alzheimer geassocieerde eiwitten amyloïde-beta (A-beta) en tau te volgen in neuronen en andere cellen die waren blootgesteld aan een verdovingsmiddel waarvan bekend is dat het Alzheimer-achtige veranderingen in de hersenen van muizen veroorzaakt. Hun resultaten ondersteunen de opvatting dat het genereren van A-beta een van de eerste stappen is die leidt tot de karakteristieke neurodegeneratie van de ziekte van Alzheimer.

"Om de dynamiek van A-beta en tau te bestuderen, we hadden een manier nodig om de expressie van beide eiwitten te activeren en een hulpmiddel om dynamische veranderingen van eiwitexpressie te volgen, " zegt hoofdauteur Feng Liang, doctoraat, een onderzoeker aan het Rowland Institute.

In 2008, enkele van de MGH-leden van het huidige team toonden aan dat het verdovingsmiddel isofluraan karakteristieke veranderingen veroorzaakte die worden gezien bij de ziekte van Alzheimer - inclusief activering van celdood-enzymen en het genereren van A-bèta - in gekweekte cellen en in muizenhersenen. In 2014, de onderzoekers van Harvard/Rowland hebben het vermogen van hun nanodevice aangetoond om niveaus van intracellulaire eiwitten in het leven te detecteren, gekweekte cellen. De huidige studie combineert deze beide prestaties om een ​​belangrijke vraag te onderzoeken met betrekking tot het mechanisme van de ziekte van Alzheimer - of het genereren van A-bèta voorafgaat aan of volgt op het genereren van de abnormale vorm van tau die de ziekte kenmerkt.

De punt van het apparaat dat is ontwikkeld door de onderzoekers van Harvard/Rowland is ongeveer 50 nanometer (miljardste van een meter) breed, ongeveer 200 keer kleiner dan een enkele cel. Een geïntegreerde gouden nanostaaf dient als biosensor voor wat oppervlakte-plasmonresonantie wordt genoemd - een oscillatie van elektronen in reactie op een lichtsignaal dat een optische uitlezing kan genereren die eiwitbindingssignalen weerspiegelt. Antilichamen die gericht zijn op specifieke eiwitten kunnen in de probe worden geïntegreerd om specifieke metingen van eiwitniveaus te geven. Het team toonde eerst aan dat het mogelijk was om de nanoplasmonische vezelpuntsonde (nFTP) te gebruiken om eiwitniveaus in individuele cellen te kwantificeren zonder hun vitaliteit en levensvatbaarheid te beïnvloeden.

Met behulp van het nFTP-apparaat volgden de onderzoekers vervolgens de veranderende niveaus van A-beta en de met Alzheimer geassocieerde vorm van tau, die wordt gekenmerkt door een teveel aan fosfaatmoleculen, in gekweekte cellen die waren behandeld met isofluraan. De aflezingen gaven aan dat de toename in A-beta-expressie enkele uren voorafging aan de stijging van gefosforyleerde tau-spiegels. Het team liet toen zien dat terwijl het blokkeren van A-beta-expressie verlaagde tau-niveaus, het blokkeren van tau verhinderde de aanvankelijke stijging van A-bèta niet. Echter, zonder gefosforyleerde tau-expressie, A-bèta-niveaus begonnen uiteindelijk te dalen, suggereert een volgorde waarin A-beta-generatie tau-fosforylering stimuleert, die verdere generatie van A-bèta bevordert.

"We hebben de traditionele immunoassay in levende cellen gebracht met een uitstekende gevoeligheid, " zegt Qimin Quan, doctoraat, een junior fellow bij het Rowland Institute en co-corresponderende auteur van de Nano-letters verslag doen van. "Het apparaat is nog steeds beperkt in zijn vermogen om een ​​groot aantal afzonderlijke cellen te meten, verdere verbetering behoeven. Maar zijn hooggevoeligheid, labelvrij en eencellig vermogen maken het een uniek hulpmiddel voor het diagnosticeren van klinisch verkregen beperkte monsters."

Zhongcong Xie, MD, doctoraat, directeur van de onderzoekseenheid voor geriatrische anesthesie van de afdeling anesthesie van MGH, Critical Care en Pain Medicine en co-corresponderende auteur van de studie, voegt toe, "Elk jaar hebben wereldwijd ongeveer 8,5 miljoen patiënten met de ziekte van Alzheimer anesthesie en chirurgische zorg nodig. Om te leren hoe anesthesie de mechanismen achter de ziekte van Alzheimer beïnvloedt, is samenwerking tussen specialisten in anesthesie nodig, neurologie en techniek. Bovendien, dit gebruik van zowel een verdovingsmiddel als het nFTP-apparaat om interacties tussen A-beta en tau te meten, is slechts een eerste stap." Xie is een professor in anesthesie aan de Harvard Medical School.