Die Forschung zeigt, dass mit Alzheimer assoziierte Proteinplaques klebriger sind als gedacht

Wissenschaftler der Rice University nutzen die Fluoreszenzlebensdauer, um ein neues Licht auf ein Peptid zu werfen, das mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wird, von der die Centers for Disease Control and Prevention schätzt, dass sie bis 2060 fast 14 Millionen Menschen in den USA betreffen wird.

Durch einen neuen Ansatz mit zeitaufgelöster Spektroskopie und Computerchemie fanden Angel Martí und sein Team experimentelle Beweise für eine alternative Bindungsstelle auf Amyloid-beta-Aggregaten und öffneten damit die Tür für die Entwicklung neuer Therapien für Alzheimer und andere mit Amyloidablagerungen verbundene Krankheiten .

Die Studie ist erschienen in Chemische Wissenschaft.

Amyloid-Plaque-Ablagerungen im Gehirn sind ein Hauptmerkmal von Alzheimer. „Amyloid-beta ist ein Peptid, das sich im Gehirn von Menschen, die an der Alzheimer-Krankheit leiden, aggregiert und diese supramolekularen nanoskaligen Fasern oder Fibrillen bildet“, sagte Martí, Professor für Chemie, Bioingenieurwesen und Materialwissenschaften und Nanoingenieurwesen und Fakultätsdirektor des Rice Emerging Scholars-Programm. „Sobald sie ausreichend wachsen, fallen diese Fibrillen aus und bilden sogenannte Amyloid-Plaques.

„Zu verstehen, wie Moleküle im Allgemeinen an Amyloid-Beta binden, ist nicht nur für die Entwicklung von Medikamenten, die mit besserer Affinität an seine Aggregate binden, besonders wichtig, sondern auch, um herauszufinden, wer die anderen Akteure sind, die zur Toxizität des Gehirngewebes beitragen“, fügte er hinzu.

Die Martí-Gruppe hatte zuvor eine erste Bindungsstelle für Amyloid-Beta-Ablagerungen identifiziert, indem sie herausgefunden hatte, wie metallische Farbstoffmoleküle in der Lage sind, an von den Fibrillen gebildete Taschen zu binden. Die Fähigkeit der Moleküle zu fluoreszieren oder Licht zu emittieren, wenn sie unter einem Spektroskop angeregt werden, zeigte das Vorhandensein der Bindungsstelle an.

Zeitaufgelöste Spektroskopie, die das Labor bei seiner neuesten Entdeckung verwendete, „ist eine experimentelle Technik, die die Zeit untersucht, die Moleküle in einem angeregten Zustand verbringen“, sagte Martí. „Wir regen das Molekül mit Licht an, das Molekül absorbiert die Energie der Lichtphotonen und gelangt in einen angeregten Zustand, einen energetischeren Zustand.“

Dieser energetisierte Zustand ist für das fluoreszierende Leuchten verantwortlich. “Wir können die Zeit messen, die Moleküle im angeregten Zustand verbringen, was als Lebensdauer bezeichnet wird, und dann verwenden wir diese Informationen, um das Bindungsgleichgewicht kleiner Moleküle an Amyloid-beta zu bewerten”, sagte Martí.

Zusätzlich zur zweiten Bindungsstelle entdeckten das Labor und Mitarbeiter der University of Miami, dass mehrere fluoreszierende Farbstoffe, von denen nicht erwartet wurde, dass sie an Amyloidablagerungen binden, dies tatsächlich taten.

„Diese Ergebnisse ermöglichen es uns, eine Karte der Bindungsstellen in Amyloid-beta und eine Aufzeichnung der Aminosäurezusammensetzungen zu erstellen, die für die Bildung von Bindungstaschen in Amyloid-beta-Fibrillen erforderlich sind“, sagte Martí.

Die Tatsache, dass die zeitaufgelöste Spektroskopie empfindlich auf die Umgebung des Farbstoffmoleküls reagiert, ermöglichte es Martí, auf das Vorhandensein der zweiten Bindungsstelle zu schließen. „Wenn das Molekül frei in Lösung ist, hat seine Fluoreszenz eine bestimmte Lebensdauer, die auf diese Umgebung zurückzuführen ist. Wenn das Molekül jedoch an die Amyloidfasern gebunden ist, ist die Mikroumgebung anders und folglich auch die Fluoreszenzlebensdauer“, sagt er erklärt. „Für das an Amyloidfasern gebundene Molekül haben wir zwei unterschiedliche Fluoreszenzlebensdauern beobachtet.

„Das Molekül band nicht an eine einzige Stelle im Amyloid-beta, sondern an zwei verschiedene Stellen. Und das war äußerst interessant, weil unsere früheren Studien nur eine Bindungsstelle anzeigten. Das geschah, weil wir nicht alle Komponenten mit dem sehen konnten Technologien, die wir zuvor verwendet haben”, fügte er hinzu.

Die Entdeckung veranlasste mehr Experimente. „Wir haben uns entschieden, dies weiter zu untersuchen, indem wir nicht nur die von uns entwickelte Sonde verwenden, sondern auch andere Moleküle, die seit Jahrzehnten in der anorganischen Photochemie verwendet werden“, sagte er. „Die Idee war, eine negative Kontrolle zu finden, ein Molekül, das nicht an Amyloid-beta binden würde. Aber was wir entdeckten, war, dass diese Moleküle, von denen wir nicht erwartet hatten, dass sie überhaupt an Amyloid-beta binden würden, tatsächlich mit anständiger Affinität daran binden .”

Martí sagte, die Ergebnisse würden sich auch auf die Untersuchung „vieler Krankheiten auswirken, die mit anderen Arten von Amyloiden in Verbindung stehen: Parkinson, Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Typ-2-Diabetes, systemische Amyloidose“.

Das Verständnis der Bindungsmechanismen von Amyloidproteinen ist auch für die Untersuchung nicht pathogener Amyloide und ihrer potenziellen Anwendungen in der Arzneimittelentwicklung und Materialwissenschaft hilfreich.

„Es gibt funktionelle Amyloide, die unser Körper und andere Organismen aus verschiedenen Gründen produzieren, die nicht mit Krankheiten in Verbindung gebracht werden“, sagte Martí. „Es gibt Organismen, die Amyloide mit antibakterieller Wirkung produzieren. Es gibt Organismen, die Amyloide für strukturelle Zwecke produzieren, um Barrieren zu schaffen, und andere, die Amyloide zur chemischen Speicherung verwenden. Die Untersuchung von nicht pathogenen Amyloiden ist ein aufstrebendes Gebiet der Wissenschaft, also das hier Ein weiterer Weg, den unsere Ergebnisse entwickeln können.”