Ett team av forskare från Massachusetts General Hospital (MGH) och Rowland Institute vid Harvard University har använt en specialiserad nanosond utvecklad av Harvard/Rowland-utredarna för att direkt mäta nivåer av nyckelproteiner i levande, odlade celler. Som beskrivs i journalen Nanobokstäver , utredarna använde enheten för att spåra nivåer av de Alzheimers-sjukdomsassocierade proteinerna amyloid-beta (A-beta) och tau i neuroner och andra celler som utsätts för ett bedövningsmedel som är känt för att producera Alzheimers-liknande förändringar i hjärnan hos möss. Deras resultat stöder uppfattningen att genereringen av A-beta är bland de första stegen som leder till den karakteristiska neurodegenerationen av Alzheimers sjukdom.

"För att studera dynamiken hos A-beta och tau, vi behövde ett sätt att trigga uttrycket av båda proteiner och ett verktyg för att spåra dynamiska förändringar av proteinuttryck, " säger huvudförfattaren Feng Liang, PhD, en forskare vid Rowland Institute.

2008, några av MGH-medlemmarna i det nuvarande laget visade att bedövningsmedlet isofluran inducerade karaktäristiska förändringar som ses vid Alzheimers sjukdom - inklusive aktivering av celldödsenzymer och generering av A-beta - i odlade celler och i mushjärnor. Under 2014, Harvard/Rowland-forskarna visade förmågan hos deras nanoenhet att upptäcka nivåer av intracellulära proteiner i levande, odlade celler. Den aktuella studien slår samman båda dessa prestationer för att undersöka en nyckelfråga angående mekanismen för Alzheimers sjukdom - om genereringen av A-beta föregår eller följer genereringen av den onormala formen av tau som kännetecknar sjukdomen.

Spetsen på enheten som utvecklats av Harvard/Rowland-utredarna är cirka 50 nanometer (miljarddelar av en meter) tvärs över, cirka 200 gånger mindre än en enda cell. En integrerad guld nanorod fungerar som biosensor för vad som kallas ytplasmonresonans - en oscillation av elektroner som svar på en ljussignal som kan generera en optisk avläsning som reflekterar proteinbindande signaler. Antikroppar som riktar sig mot specifika proteiner kan integreras i sonden för att ge specifika mätningar av proteinnivåer. Teamet visade först att det var möjligt att använda nanoplasmonisk fiberspetsprob (nFTP) för att kvantifiera proteinnivåer i enskilda celler utan att påverka deras vitalitet och livsduglighet.

Med hjälp av nFTP-enheten spårade utredarna sedan de förändrade nivåerna av A-beta och den Alzheimers-associerade formen av tau, som kännetecknas av överskott av fosfatmolekyler, i odlade celler som hade behandlats med isofluran. Avläsningarna indikerade att ökningen av A-beta-uttryck föregick ökningen av fosforylerade tau-nivåer med flera timmar. Teamet visade då att, samtidigt som A-beta-uttrycket blockeras minskade tau-nivåerna, blockering av tau förhindrade inte den initiala ökningen av A-beta. Dock, utan fosforylerat tau-uttryck, A-betanivåerna började så småningom sjunka, föreslår en sekvens där A-beta-generering stimulerar tau-fosforylering, vilket främjar ytterligare generering av A-beta.

"Vi har fört in den traditionella immunoanalysen i levande celler med utsökt känslighet, " säger Qimin Quan, PhD, en junior fellow vid Rowland Institute och co-corresponding författare av Nanobokstäver Rapportera. "Enheten är fortfarande begränsad i sin förmåga att mäta ett stort antal enstaka celler, kräver ytterligare förbättringar. Men dess högkänslighet, etikettfri och encellskapacitet gör det till ett unikt verktyg för att diagnostisera kliniskt erhållna begränsade prover."

Zhongcong Xie, MD, PhD, chef för Geriatric Anesthesia Research Unit vid MGH Department of Anesthesia, Critical Care and Pain Medicine och medförfattare till studien, lägger till, "Varje år behöver cirka 8,5 miljoner patienter med Alzheimers sjukdom anestesi och kirurgisk vård över hela världen. Att lära sig hur anestesi påverkar mekanismerna bakom Alzheimers kommer att kräva samarbete mellan specialister på anestesi, neurologi och teknik. Dessutom, denna användning av både anestesimedel och nFTP-enhet för att mäta interaktioner mellan A-beta och tau är bara ett första steg." Xie är professor i anestesi vid Harvard Medical School.