EPFL-forskare har utvecklat kraftfulla verktyg för att avslöja mångfalden av amyloidfibriller, som är förknippade med Alzheimers sjukdom och andra neurodegenerativa störningar. Forskarna gjorde genombrottet genom att utveckla guldnanopartiklar som kombineras med kryogen transmissionselektronmikroskopi, för att ge snabba och oöverträffade bilder av fibriller.

En av egenskaperna hos Alzheimers sjukdom är förekomsten av knutliknande strukturer mellan hjärnceller. Dessa kallas "amyloidfibriller" och bildas av den ökända amyloid beta-peptiden och Tau-proteinet, som är två av de mest eftertraktade målen för utveckling av terapier för att behandla Alzheimers och liknande sjukdomar.

Både amyloid beta och Tau produceras normalt i hjärnan. Dock, dessa proteiner kan börja trassla ihop sig med varandra för att bilda skrymmande fibrillstrukturer. När detta händer, de ger upphov till sjukdomar som Alzheimers sjukdom och andra neurodegenerativa sjukdomar.

Fibrillstrukturerna sprider sig i hjärnan genom att flytta från en cell till en annan. Detta tros leda till degeneration av neuroner, orsakar hjärnskador och kognitiva störningar som minnesförlust, och forskningsansträngningar har i allmänhet fokuserat på att blockera dessa processer för att bromsa utvecklingen av sjukdomen.

Vi vet nu att dessa amyloidfibriller kan existera i flera former och strukturer som uppvisar olika distinkta egenskaper, vilket kan förklara varför patienter med Alzheimers och Parkinsons sjukdom uppvisar olika kliniska symtom. Därför, Att fånga denna mångfald och korrelera med sjukdomssymptom hos människor eller den biologiska aktiviteten hos dessa arter i sjukdomsmodeller har viktiga konsekvenser för att förstå sjukdomsmekanismer och utveckla nya terapier och diagnostik.

Med tanke på betydelsen av amyloidfibriller, det har gjorts många försök att visualisera dem så detaljerat som möjligt för att få insikter om deras struktur. Att reda ut deras strukturella detaljer kan möjligen leda till upptäckt av svaga punkter som kan riktas mot behandling och bana väg för utveckling av mer tillförlitliga diagnostiska verktyg. Trots mycket arbete, dock, att avbilda och fånga mångfalden av fibriller i biologiska prover har visat sig vara mycket svårt på grund av deras komplexa natur och heterogenitet.

Guldets väg (nanopartiklar)

Nu, forskare från grupperna Francesco Stellacci och Hilal Lashuel vid EPFL har hittat en lösning. I en genombrottstidning publicerad i PNAS , forskarna visar att guld amfifila anjoniska nanopartiklar med en diameter runt 3 nm, har en unik förmåga att effektivt märka kanten av amyloidfibriller i ett hydratiserat tillstånd. Detta gör visualiseringen av de olika amyloidfibrillerna lättare.

Forskningsprojektet leddes av Ph.D. student Urszula Cendrowska och Dr Paulo J. Silva.

Detta var möjligt genom att avbilda de nanopartiklar-dekorerade fibrillerna med hjälp av en specialiserad form av TEM som kallas "kryogen transmissionselektronmikroskopi" (cryo-EM). Den största skillnaden här är att i cryo-EM fryses provet – här fibrillerna – först snabbt till en mycket låg temperatur och kan visualiseras i sitt "naturliga" tillstånd utan att behöva fixeras eller färgas i förväg.

Mellan den mycket effektiva bindningen av guldnanopartiklar och förmågan hos cryo-EM, forskarna kunde få bilder av fibriller och avslöja deras mångfald med oöverträffad tydlighet. Detta inkluderade fibriller som odlats i labbet såväl som från faktiska vävnader efter slakt hos patienter.

"Våra fynd avslöjar en slående morfologisk skillnad mellan fibrillerna som produceras i cellfria system och de som isolerats från patienter, " säger Stellacci. "Detta stöder den nuvarande uppfattningen att den fysiologiska miljön spelar en viktig roll för att bestämma olika typer av amyloidfibriller."

"Dessa framsteg banar väg för att klargöra den strukturella grunden för amyloidstammar och toxicitet, " säger Lashuel. "Nanopartiklarna är kraftfulla och desperat nödvändiga verktyg för snabb avbildning och profilering av amyloidmorfologisk polymorfism i olika typer av prover under kryoförhållanden, speciellt komplexa prover isolerade från mänskliga patologiska aggregat."