Alzheimers sjukdom är den sjätte vanligaste dödsorsaken i USA, drabbar en av 10 personer över 65 år. Forskare konstruerar nanoenheter för att störa processer i hjärnan som leder till sjukdomen.

Personer som drabbas av Alzheimers sjukdom har en specifik typ av plack, gjorda av självmonterade molekyler som kallas β-amyloid (Aβ) peptider, som byggs upp i hjärnan med tiden. Denna uppbyggnad antas bidra till förlust av neural anslutning och celldöd. Forskare studerar sätt att förhindra att peptiderna bildar dessa farliga plack för att stoppa utvecklingen av Alzheimers sjukdom i hjärnan.

I en multidisciplinär studie, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, tillsammans med medarbetare från Korean Institute of Science and Technology (KIST) och Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), har utvecklat ett tillvägagångssätt för att förhindra plackbildning genom att konstruera en enhet i nanostorlek som fångar de farliga peptiderna innan de kan självmontera.

"Β-amyloidpeptiderna uppstår genom nedbrytning av ett amyloidprekursorprotein, en normal komponent av hjärnceller, sa Rosemarie Wilton, en molekylärbiolog i Argonnes biovetenskapsavdelning. "I en frisk hjärna, dessa kasserade peptider elimineras."

I hjärnor som är benägna att utveckla Alzheimers, dock, hjärnan eliminerar inte peptiderna, lämnar dem att konglomeras till de destruktiva plackarna.

"Tanken är att så småningom, en slurry av våra nanoenheter kan samla peptiderna när de faller bort från cellerna – innan de får en chans att aggregera, " lade Elena Rozhkova till, en forskare vid Argonnes Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility.

Dekorera ytan

Forskarna täckte ytan på den nya nanoenheten med fragment av en antikropp - en typ av protein - som känner igen och binder till Aβ-peptiderna. Ytan på nanodelen är sfärisk och porös, och dess kratrar maximerar den tillgängliga ytan för antikropparna att täcka. Mer yta betyder mer kapacitet för att fånga de klibbiga peptiderna.

För att hitta den optimala beläggningen, forskarna sökte först i tidigare litteratur för att identifiera antikroppar som har hög affinitet till Aβ-peptider. Det var viktigt att välja en antikropp som attraherar peptiderna men som inte binder till andra molekyler i hjärnan. Sedan laget, ledd av Wilton, producerade antikropparna i bakterier och testade deras prestanda.

En fullständig antikroppsmolekyl kan vara upp till några dussin nanometer lång, som är stort inom nanoteknikens område. Dock, endast en bråkdel av denna antikropp är involverad i attrahera peptiderna. För att maximera effektiviteten och kapaciteten hos nanodelenheterna, Wiltons grupp producerade små fragment av antikropparna för att dekorera nanoenhetens yta.

Konstruera och testa nanoenheten

Forskarna vid CNM konstruerade basen av det porösa, sfäriska nanoenheter av kiseldioxid, ett material som länge har använts i biomedicinska tillämpningar på grund av dess flexibilitet i syntesen och dess icke-toxicitet i kroppen. Belagd med antikroppsfragmenten, nanoenheterna fångar och fångar Aβ-peptiderna med hög selektivitet och styrka.

"Många försök att förhindra Alzheimers har fokuserat på att hämma enzymer från att skära bort β-amyloidpeptider från cellens yta, "sa Rozhkova, som ledde projektet på CNM. "Vår elimineringsmetod är mer direkt. Vi har tagit byggstenar från nanoteknik och biologi för att konstruera en "bur" med hög kapacitet som fångar peptiderna och rensar dem från hjärnan."

På CNM, forskarna testade apparaternas effektivitet genom att jämföra hur peptiderna betedde sig i frånvaro och närvaro av nanodelenheter. Med hjälp av in vitro transmissionselektronmikroskopi (TEM), de observerade en anmärkningsvärd nedgång i peptidaggregation i närvaro av nanoenheterna. De analyserade vidare interaktionerna med hjälp av konfokal laserskanningsmikroskopi och termoskorvmätning i mikroskala, två ytterligare tekniker för att karakterisera interaktioner på nanoskala.

Forskarna utförde också röntgenspridning med små vinklar för att studera de processer som gör nanoenheterna porösa under syntes. Forskarna utförde röntgenkarakteriseringen, ledd av Byeongdu Lee, en gruppledare i Argonnes avdelning för röntgenvetenskap, vid beamline 12-ID-B i laboratoriets Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility.

Dessa studier stödde fallet att nanoenheterna binder peptiderna från vägen till aggregation med mer än 90 procent jämfört med kontrollkiseldioxidpartiklarna utan antikroppsfragmenten. Dock, enheterna som fortfarande behövs för att visa sin effektivitet och säkerhet inom celler och hjärnor.

Joonseok Lee - som ursprungligen föreslog detta experiment i Argonne som direktör för postdoktor och var föregångare i designen för nanodevice - fortsatte studien av den här terapeutiska potentialen hos denna enhet hos KIST och 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 Avancerade funktionella material and was featured on its cover.