Las personas que están afectadas por la enfermedad de Alzheimer tienen un tipo específico de placa, hecha de moléculas autoensambladas llamadas péptidos β-amiloides Aβ, que se acumulan en el cerebro con el tiempo. Se cree que esta acumulación contribuye a la pérdida de los nerviosconectividad y muerte celular. Los investigadores están estudiando formas de evitar que los péptidos formen estas placas peligrosas para detener el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer en el cerebro.
En un estudio multidisciplinario, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, junto con colaboradores del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología KIST y el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea KAIST, han desarrolladoun enfoque para prevenir la formación de placa mediante la ingeniería de un dispositivo de tamaño nano que captura los péptidos peligrosos antes de que puedan autoensamblarse.
Los péptidos β-amiloides surgen de la descomposición de una proteína precursora amiloide, un componente normal de las células cerebrales ", dijo Rosemarie Wilton, bióloga molecular en la división de Biociencias de Argonne." En un cerebro sano, estos péptidos descartados se eliminan ".
Sin embargo, en los cerebros propensos al desarrollo de Alzheimer, el cerebro no elimina los péptidos, dejándolos conglomerados en las placas destructivas.
"La idea es que, eventualmente, una suspensión de nuestros nanodispositivos podría recolectar los péptidos a medida que se alejan de las células, antes de que tengan la oportunidad de agregarse", agregó Elena Rozhkova, científica del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne CNM, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
Decorando la superficie
Los investigadores cubrieron la superficie del nuevo nanodispositivo con fragmentos de un anticuerpo, un tipo de proteína, que reconoce y se une a los péptidos Aβ. La superficie del nanodispositivo es esférica y porosa, y sus cráteres maximizan la superficie disponibleárea para que cubran los anticuerpos. Más área de superficie significa más capacidad para capturar los péptidos adhesivos.
Para encontrar el recubrimiento óptimo, los científicos primero buscaron en la literatura anterior para identificar anticuerpos que tienen alta afinidad con los péptidos Aβ. Era importante elegir un anticuerpo que atraiga los péptidos pero no se una a otras moléculas en el cerebro. LuegoEl equipo, liderado por Wilton, produjo los anticuerpos en bacterias y probó su rendimiento.
Una molécula de anticuerpo completa puede tener hasta unas pocas docenas de nanómetros de largo, lo cual es importante en el ámbito de la nanotecnología. Sin embargo, solo una fracción de este anticuerpo está involucrada en atraer los péptidos. Para maximizar la efectividad y la capacidad de los nanodispositivos,El grupo de Wilton produjo pequeños fragmentos de anticuerpos para decorar la superficie del nanodispositivo.
Ingeniería y prueba del nanodispositivo
Los científicos de CNM construyeron la base de los nanodispositivos porosos y esféricos a partir de sílice, un material que se ha utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones biomédicas debido a su flexibilidad en la síntesis y su no toxicidad en el cuerpo. Recubierto con los fragmentos de anticuerpos, los nanodispositivoscapturar y atrapar los péptidos Aβ con alta selectividad y fuerza.
"Muchos intentos para prevenir el Alzheimer se han centrado en inhibir las enzimas para cortar los péptidos β-amiloides de la superficie de la célula", dijo Rozhkova, quien dirigió el proyecto en CNM. "Nuestro enfoque de eliminación es más directo. Hemos tomado bloques de construccióndesde nanotecnología y biología hasta diseñar una 'jaula' de alta capacidad que atrapa los péptidos y los elimina del cerebro ".
En CNM, los científicos probaron la efectividad de los dispositivos comparando cómo se comportaron los péptidos en ausencia y presencia de los nanodispositivos. Mediante microscopía electrónica de transmisión in vitro TEM, observaron una disminución notable en la agregación de péptidos en presencia delos nanodispositivos. Analizaron las interacciones mediante microscopía de escaneo láser confocal y medición de termoforesis en microescala, dos técnicas adicionales para caracterizar las interacciones a nanoescala.
Los científicos también realizaron dispersión de rayos X de ángulo pequeño para estudiar los procesos que hacen que los nanodispositivos sean porosos durante la síntesis. Los investigadores realizaron la caracterización de rayos X, dirigida por Byeongdu Lee, líder del grupo en la división de Ciencia de Rayos X de Argonne,en la línea de luz 12-ID-B de la fuente avanzada de fotones APS del laboratorio, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
Estos estudios respaldaron el caso de que los nanodispositivos secuestran los péptidos de la vía de agregación en más del 90 por ciento en comparación con las partículas de sílice de control sin los fragmentos de anticuerpos. Sin embargo, los dispositivos aún necesitaban demostrar su efectividad y seguridad dentro de las células y los cerebros..
Joonseok Lee, quien originalmente propuso este experimento en Argonne como designado postdoctoral del director y fue pionero en el diseño del nanodispositivo, continuó el estudio del potencial terapéutico de este dispositivo en KIST y KAIST.
"La posición posdoctoral del director es una oportunidad excepcional que se ofrece en Argonne que permite proyectos de investigación únicos y colaboraciones entre campos que de otra manera no serían posibles", dijo Rozhkova. "Tenemos mentes increíbles en el laboratorio que desean explorar temas queno pertenezca a un área de investigación predefinida, y este programa fomenta esta creatividad e innovación ".
El en viv o experimentos, experimentos que tuvieron lugar en células vivas, realizados por Lee y sus colaboradores mostraron que los nanodispositivos no son tóxicos para las células. También probaron la efectividad de los dispositivos en el cerebro de ratones con Alzheimer, demostrando una supresión de alrededor del 30 por cientode la formación de placa en los cerebros que contienen los nanodispositivos en comparación con los cerebros de control. La investigación en ratones se realizó en KIST y KAIST en Corea del Sur con las aprobaciones gubernamentales apropiadas.
Este estudio combinó las fortalezas de la ingeniería de anticuerpos y la nanotecnología, el poder de dos instalaciones de usuario del DOE en Argonne y la colaboración innovadora resultante del programa posdoctoral del laboratorio para explorar un enfoque tecnológico para prevenir el Alzheimer.
Usando un enfoque similar, los científicos también pueden emparejar las nanopartículas de sílice con diferentes anticuerpos que atacan a las moléculas relacionadas con otras enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Huntington y la enfermedad de Parkinson, que también implican una agregación anormal de proteínas. Las nanopartículas porosas pueden estar másactualizado para su uso en aplicaciones de imágenes que incluyen imágenes fluorescentes e imágenes de resonancia magnética.
Mascarillas críticas para prevenir la propagación de COVID-19