Röntgenspektromikroskopi vid skanningsröntgenmikroskopistrålen (I08), här på Diamond, har använts för att lokalisera kemiskt reducerade järn- och kalciumföreningar i proteinplack som härrör från hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom. Studien, publiceras i Nanoskala , har belyst det sätt på vilket metalliska arter bidrar till patogenesen av Alzheimers sjukdom och kan hjälpa till att styra framtida terapier.

Alzheimers sjukdom är en neurodegenerativ sjukdom som är förknippad med demens och förkortad livslängd. Sjukdomen kännetecknas av att det bildas proteinplack och tovor i hjärnan som försämrar funktionen. Förutom proteinplack, störd metalljonhomeostas är också kopplad till patogenes, och särskilt järnnivåerna är förhöjda i vissa delar av hjärnan.

Ett team av forskare med en lång historia av att utforska biomineralisering i Alzheimers hjärnor satte sig för att karakterisera de järnarter som är associerade med amyloidproteinplack. De extraherade prover från hjärnan på två avlidna patienter som hade Alzheimers och tillämpade synkrotronröntgenspektromikroskopi för att skilja järnoxidfaserna i proverna.

De noterade bevis för att den kemiska reduktionen av järn, och faktiskt bildandet av en magnetisk järnoxid som kallas magnetit, som inte är vanligt förekommande i den mänskliga hjärnan, hade inträffat under amyloidplackbildning, ett fynd som skulle kunna hjälpa till att informera om resultaten av framtida behandlingar för Alzheimers.

Reducerade arter av järn

Alzheimers sjukdom är den vanligaste formen av demens, som berör cirka 850, 000 personer i Storbritannien. Eftersom prevalensen av Alzheimers sjukdom förväntas öka under de kommande decennierna, och utan botemedel eller behandling, forskning om sjukdomens patogenes är avgörande.

Ett av kännetecknen för Alzheimers är bildandet av amyloida plack. De uppstår genom ackumulering av amyloid-β, som bildar olösliga avlagringar i hjärnan och försämrar dess funktion. Vid sidan av plackbildning, metallhomeostas störs också. Nivåerna av järn ökar i flera regioner av Alzheimers hjärna och höga koncentrationer av kemiskt reducerade former av järn är förknippade med patologiska egenskaper hos sjukdomen.

Ett samarbete mellan forskare från Keele University, University of Warwick, University of Florida och University of Texas i San Antonio satte sig för att studera sambandet mellan reducerade arter av järn och amyloid-β. Detta team hade redan en meritlista i att studera metaller i Alzheimers hjärnor och deras arbete underbyggs av hypotesen att det var mer kemisk reduktion av järn än normalt när amyloid-β aggregerar.

"Vi var intresserade av att veta hur järn interagerar med amyloidproteinet när det bildar de olösliga avlagringarna. Vi ville titta på mänskliga material för att se om det finns bevis för processen som vi ser in vitro, " förklarade Dr. Joanna Collingwood, Docent vid University of Warwick och medlem av forskargruppen.

Extraherade amyloida plackkärnor

Teamet extraherade amyloidplackkärnor från två avlidna patienter som hade en formell diagnos av Alzheimers. Röntgenmikroskopi med skanning genomfördes vid Advanced Light Source (ALS) i Berkeley, USA och vid beamline I08 vid Diamond. En serie bilder togs med fotonenergier som spänner över en absorptionskant för att producera en "stack", som användes för att bestämma mineralernas kemiska oxidationstillstånd i varje område av intresse. In situ röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) utfördes också vid I08 för att undersöka det magnetiska tillståndet hos järnarterna, och därmed bekräfta närvaron av de magnetiska järnmineralerna.

Dr Collingwood förklarade vikten av I08 i studien:"Vi behövde kunna se på en längdskala som var relevant för strukturerna i amyloidplackkärnorna, vilket krävde en strållinje som kunde arbeta med tiotals nanometers upplösning och som kunde tillåta oss att titta på övergångsmetallerna. Vi kunde samla information om de organiska komponenterna genom att observera de spektrala egenskaperna hos proteininnehållet, och sedan titta på metallfördelningarna associerade med det organiska materialet. Detta gjorde det möjligt för oss att avbilda och analysera organiskt och oorganiskt material från samma region i provet utan någon form av märkning."

Produktion av fria radikaler

Teamet såg många typer av reducerade former av järn i de extraherade amyloidplackkärnorna. De drog slutsatsen att den atypiska kemiska reduktionen av järn och ökad redoxcykling i Alzheimers hjärnor bidrog till sjukdomens patogenes.

"Där du har kemisk reduktion av järn ger det möjlighet till katalytisk produktion av fria radikaler. Skador från fria radikaler har rapporterats på platser för amyloidaggregation, så amyloid-associerad toxicitet kan drivas av järnreduktion, " förklarade Dr Collingwood.

Spännande nog, med hjälp av XMCD, de såg också en ovanlig magnetisk art av järn som kallas magnetit i plattorna. Ptykografiska observationer vid ALS indikerade att magnetiten i detta prov var biogen, och inte härrörande från industriella källor såsom föroreningar som rapporterats i en annan nyligen genomförd studie.

Teamet lade ytterligare till kunskapsbasen om Alzheimers patologi genom att hitta bevis på kalcium i amyloidplack, och visade att flera faser av kalcium måste samexistera i plack, något som aldrig tidigare rapporterats.

Nästa steg för teamet är att titta direkt i mänsklig hjärnvävnad snarare än extraherade amyloidplackkärnor, och även för att utforska ytterligare övergångsmetaller. Någon annanstans, kliniska prövningar med järnmodifierande läkemedel pågår för Alzheimers sjukdom, så detta arbete kommer att vara ovärderligt för tolkningen av resultaten av dessa försök.