De ziekte van Alzheimer is de zesde doodsoorzaak in de Verenigde Staten, treft één op de tien mensen ouder dan 65 jaar. Wetenschappers ontwikkelen nano-apparaten om processen in de hersenen die tot de ziekte leiden, te verstoren.

Mensen die zijn getroffen door de ziekte van Alzheimer hebben een specifiek type plaque, gemaakt van zelf-geassembleerde moleculen genaamd β-amyloïde (Aβ) peptiden, die zich in de loop van de tijd in de hersenen ophopen. Deze opbouw wordt verondersteld bij te dragen aan het verlies van neurale connectiviteit en celdood. Onderzoekers bestuderen manieren om te voorkomen dat de peptiden deze gevaarlijke plaques vormen om de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer in de hersenen te stoppen.

In een multidisciplinair onderzoek wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samen met medewerkers van het Korean Institute of Science and Technology (KIST) en het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), hebben een aanpak ontwikkeld om plaquevorming te voorkomen door een apparaat van nanoformaat te ontwerpen dat de gevaarlijke peptiden opvangt voordat ze zichzelf kunnen assembleren.

"De β-amyloïde peptiden ontstaan ​​door de afbraak van een amyloïde voorlopereiwit, een normaal onderdeel van hersencellen, " zei Rosemarie Wilton, een moleculair bioloog in de Biosciences-divisie van Argonne. "In een gezond brein, deze weggegooide peptiden worden geëlimineerd."

In hersenen die vatbaar zijn voor de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer, echter, de hersenen elimineren de peptiden niet, waardoor ze samenklonteren tot de destructieve plaques.

"Het idee is dat eventueel, een slurry van onze nanodevices zou de peptiden kunnen verzamelen als ze van de cellen wegvallen - voordat ze de kans krijgen om te aggregeren, " voegde Elena Rozhkova toe, een wetenschapper bij Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Het oppervlak verfraaien

De onderzoekers bedekten het oppervlak van het nieuwe nanodevice met fragmenten van een antilichaam - een soort eiwit - dat de Aβ-peptiden herkent en eraan bindt. Het oppervlak van het nanodevice is bolvormig en poreus, en zijn kraters maximaliseren het beschikbare oppervlak voor de antilichamen om te bedekken. Meer oppervlakte betekent meer capaciteit voor het opvangen van de kleverige peptiden.

Om de optimale coating te vinden, de wetenschappers zochten eerst naar eerdere literatuur om antilichamen te identificeren die een hoge affiniteit hebben voor Aβ-peptiden. Het was belangrijk om een ​​antilichaam te kiezen dat de peptiden aantrekt, maar niet bindt aan andere moleculen in de hersenen. Dan de ploeg, onder leiding van Wilton, produceerde de antilichamen in bacteriën en testte hun prestaties.

Een volledig antilichaammolecuul kan tot enkele tientallen nanometers lang zijn, die groot is op het gebied van nanotechnologie. Echter, slechts een fractie van dit antilichaam is betrokken bij het aantrekken van de peptiden. Om de effectiviteit en capaciteit van de nanodevices te maximaliseren, De groep van Wilton produceerde kleine fragmenten van de antilichamen om het oppervlak van het nanodevice te versieren.

Engineering en testen van het nano-apparaat

De wetenschappers van CNM construeerden de basis van de poreuze, sferische nanodevices van silica, een materiaal dat al lang in biomedische toepassingen wordt gebruikt vanwege zijn flexibiliteit in synthese en zijn niet-toxiciteit in het lichaam. Bedekt met de antilichaamfragmenten, de nanodevices vangen en vangen de Aβ-peptiden op met een hoge selectiviteit en sterkte.

"Veel pogingen om de ziekte van Alzheimer te voorkomen, waren gericht op het remmen van enzymen die β-amyloïde peptiden van het celoppervlak afsnijden, " zei Rozjkova, die het project bij CNM leidde. "Onze eliminatiebenadering is directer. We hebben bouwstenen uit nanotechnologie en biologie gebruikt om een ​​'kooi' met hoge capaciteit te bouwen die de peptiden opsluit en ze uit de hersenen verwijdert."

Bij CNM, de wetenschappers testten de effectiviteit van de apparaten door te vergelijken hoe de peptiden zich gedroegen in de afwezigheid en aanwezigheid van de nanodevices. Met behulp van in vitro transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), ze observeerden een opmerkelijke afname van de peptide-aggregatie in de aanwezigheid van de nanodevices. Ze analyseerden de interacties verder met behulp van confocale laser scanning microscopie en microschaal thermoforese meting, twee aanvullende technieken voor het karakteriseren van interacties op nanoschaal.

De wetenschappers voerden ook kleine-hoek röntgenverstrooiing uit om de processen te bestuderen die de nanodevices poreus maken tijdens de synthese. De onderzoekers voerden de röntgenkarakterisering uit, geleid door Byeongdu Lee, een groepsleider in de afdeling X-ray Science van Argonne, bij bundellijn 12-ID-B van de Advanced Photon Source (APS) van het laboratorium, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Deze studies ondersteunden het geval dat de nanodevices de peptiden van de weg naar aggregatie met meer dan 90 procent sekwestreren in vergelijking met de controle-silicadeeltjes zonder de antilichaamfragmenten. Echter, de apparaten moesten nog hun effectiviteit en veiligheid in cellen en hersenen aantonen.

Joonseok Lee - die dit experiment oorspronkelijk in Argonne voorstelde als postdoctoraal aangestelde directeur en pionierde met het ontwerp voor het nanoapparaat - zette de studie van het therapeutisch potentieel van dit apparaat voort bij KIST en KAIST.

"The Director's Postdoctoral Position is a rare opportunity offered at Argonne that allows for unique research projects and cross-field collaborations that might not otherwise be possible, " said Rozhkova. "We have incredible minds at the lab who want to explore topics that don't fall under a predefined area of research, and this program encourages this creativity and innovation."

The in vivo experiments—experiments that took place in living cells—performed by Lee and his collaborators showed that the nanodevices are nontoxic to cells. They also tested the effectiveness of the devices in the brains of mice with Alzheimer's, demonstrating around 30 percent suppression of plaque formation in brains containing the nanodevices compared to control brains. The research on mice was conducted at KIST and KAIST in South Korea with appropriate government approvals.

This study combined the strengths of antibody engineering and nanotechnology, the power of two DOE User Facilities at Argonne and innovative collaboration resulting from the laboratory's postdoctoral program to explore a technological approach to preventing Alzheimer's.

Using a similar approach, scientists may also be able to pair the silica nanoparticles with different antibodies that target molecules related to other neurodegenerative diseases, such as Huntington's disease and Parkinson's disease, which also involve abnormal protein aggregation. The porous nanoparticles may be further upgraded for use in imaging applications including fluorescent imaging and magnetic resonance imaging.

A paper on the research, titled "Silica nanodepletors:Targeting and clearing Alzheimer's β-amyloid plaques", was published in the April issue of Geavanceerde functionele materialen and was featured on its cover.