Ett nytt tillvägagångssätt gör flytande kristallliknande beacons av skadliga amyloidproteiner som finns i sjukdomar som typ II-diabetes.

I en ny teknik för läkemedelsscreening som förlitar sig på guld nanorods för att vrida ljus, ett rött sken kan signalera misslyckandet hos en medicin som är utformad för att behandla "amyloida" sjukdomar som typ II-diabetes och cancer i bukspottkörteln.

Tekniken utvecklades av forskare från University of Michigan, Jilin University i Kina, och Federal University of São Carlos i Brasilien. Det utnyttjar en egenskap som kallas "kiralitet, "som finns i nanostrukturer, biologiska molekyler som proteiner, och ljusvågor. Ett kiralt objekt kan inte läggas ovanpå dess spegelbild, som en vänster och höger hand, eller spiraler som vrider sig åt olika håll.

Forskarna kunde dra fördel av kiraliteten hos en proteinmarkör för dessa sjukdomar, kallas ö-amyloidpolypeptider. Dessa proteiner länkar ihop till tvinnade kedjor och ackumuleras i vävnader. Amyloidproteiner som bildar korkskruvsformade fibrer spelar också en roll vid Parkinsons och Huntingtons sjukdomar.

I det nya tillvägagångssättet, guld nanorods är belagda med skadliga proteiner, som bildar långa fjäderformade fibrer med tre nanorods per varv. Dessa strukturer ser ljusröda ut när de ses mellan två polarisatorer med motsatt vinkel, eller ljusfilter, eftersom deras vridning, kirala former kan vända ljusets polarisering.

"Den starka vridningen av ljuset gör att resultaten av drogscreeningen kan ses med blotta ögat, istället för att använda komplicerade instrument, sa Kun Liu, en professor i kemi vid Jilin University och medförfattare på en tidning som nyligen publicerats i Vetenskap .

Nanoroderna - var och en cirka 50 nanometer lång och 20 nanometer bred - erbjuder ytterligare fördelar.

"De periodiska spiralkedjorna ökar ljusets vridning med 4, 600 gånger, vilket gör dem synliga under mycket svåra biologiska förhållanden. Och nanoroderna påskyndar också processen att bilda amyloidkedjor, vilket är avgörande för snabb upptäckt av läkemedel, sade Nicholas Kotov, motsvarande författare till artikeln och Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering vid U-M.

Vanligtvis, amyloidpolypeptider tar några dagar till en vecka att koppla ihop. Detta saktar ner testningen av potentiella droger. Nanoroderna påskyndar processen med amyloidpolypeptider till en dag. Detta beror på att stavarna är belagda med en ytaktiv kemikalie som kallas cetrimoniumbromid, liknar cetrimoniumkloriden som finns i vissa schampon och balsam. När amyloidproteinerna binder till guldstavens cylinder, det ytaktiva medlet hjälper dem att bilda en lindad form som underlättar bindning till andra amyloider.

När amyloiderna ansluter, deras guldstavar bildar en helix, tvinna runt proteinrepet. Och eftersom guldet interagerar starkt med rött ljus, dessa högorganiserade helixar vrider röda ljusvågor mycket starkt.

Det är detta som leder till att det lätt kan upptäckas om ett läkemedel för att förhindra amyloidkedjor har fungerat eller inte. Upplägget sätter den realistiska blandningen av celler, blodkomponenter, läkemedelsmolekyler och amyloidproteiner som läkemedel möter i kroppen mellan två polarisatorer. Den första polarisatorn tillåter bara ljus att passera om det svänger i vertikal riktning. Den andra polarisatorn passerar endast ljusvågor som rör sig i horisontell riktning.

Om ljuset inte vrider sig mellan de två polarisatorerna, de två polarisatorerna blockerar ljuset helt. Detta är vad som händer när ett läkemedel är framgångsrikt:Inga amyloidkedjor bildas, så bara några slumpmässiga nanorods vrider ljuset. Mycket lite ljus kommer genom de två polarisatorerna. Dock, om dessa kedjor bildas, de vrider rött ljus. Ett rött sken blir tydligt synligt – vilket visar att läkemedlet har misslyckats.

"Medan experimenten finjusterade de bästa förutsättningarna för att detektera amyloidkedjor, datorsimuleringarna var grundläggande för att reda ut de komplexa interaktionerna mellan guld, ytaktiva ämnen och proteinfragmenten, som behöver interagera samtidigt för att få plattformen att fungera, sa André de Moura, en professor vid Federal University of São Carlos och medförfattare till uppsatsen.

Det internationella teamet etablerade också förenande designprinciper för hur man gör vridna nanostrukturer som avsevärt kan vrida ljus, en funktion som är avgörande för många applikationer.

Verket representerar en sjuårig resa för Jun Lu, nu forskare i kemiteknik vid U-M. I början av sin doktorsexamen. under Liu i Kina, Lu började med att försöka locka mänskliga ö-amyloidpolypeptider att själva montera, med guldstavar fästa. Efter ungefär ett år, han och Liu hade hittat svaga tecken på att församlingarna vred ljuset. Efter ett oväntat möte på flygplatsen med Kotov, teamet började arbeta med mekanismen för ljusinteraktioner och den farmaceutiska användningen av dessa sammansättningar.

Lu arbetade med att göra effekten större, dimensionera nanoroderna för att komplettera avståndet mellan nanoroderna. Det internationella teamet utforskade applikationen för drogscreening, och Lu utvecklade simuleringar med hjälp av den kraftfulla superdatorn Great Lakes vid University of Michigan – medan hans samarbetspartner vid University of São Paulo i Brasilien, Kalil Bernardino, använde SDumont Supercomputer - för att bekräfta mekanismerna bakom de experimentella mätningarna.

Även om projektet var långt, Lu säger, "Varje ansträngning belönas väl. Det är precis som en dröm som går i uppfyllelse."

Uppsatsen har titeln "Förbättring av optisk asymmetri i supramolekylära kiroplasmoniska sammansättningar med lång räckvidd, " och kommer att publiceras online av tidskriften Vetenskap på torsdag, 25 februari, 2021.