Nanoprobe muliggør måling af proteindynamik i levende celler

Et team af forskere fra Massachusetts General Hospital (MGH) og Rowland Institute ved Harvard University har brugt en specialiseret nanoprobe udviklet af Harvard/Rowland -efterforskerne til direkte at måle niveauer af vigtige proteiner i livet, dyrkede celler. Som beskrevet i journalen Nano bogstaver , efterforskerne brugte enheden til at spore niveauer af de Alzheimers-sygdomsassocierede proteiner amyloid-beta (A-beta) og tau i neuroner og andre celler udsat for et bedøvelsesmiddel, der vides at producere Alzheimers-lignende ændringer i musens hjerner. Deres resultater understøtter den opfattelse, at generation af A-beta er blandt de første trin, der fører til den karakteristiske neurodegeneration af Alzheimers sygdom.

"For at studere dynamikken i A-beta og tau, vi havde brug for en måde at udløse ekspression af både proteiner og et værktøj til at spore dynamiske ændringer af proteinekspression, "siger hovedforfatter Feng Liang, Ph.d., en stipendiat ved Rowland Institute.

I 2008, nogle af MGH -medlemmerne af det nuværende team viste, at bedøvelsesmidlet isofluran inducerede karakteristiske ændringer set ved Alzheimers sygdom - herunder aktivering af celledødsenzymer og dannelse af A -beta - i dyrkede celler og i musens hjerner. I 2014, Harvard/Rowland -forskerne demonstrerede deres nanodelenheders evne til at detektere niveauer af intracellulære proteiner i livet, dyrkede celler. Den nuværende undersøgelse fusionerer begge disse resultater for at undersøge et centralt spørgsmål vedrørende mekanismen for Alzheimers sygdom - om generation af A -beta går forud for eller følger generationen af ​​den unormale form for tau, der kendetegner sygdommen.

Spidsen af ​​enheden udviklet af Harvard/Rowland -efterforskerne er på omkring 50 nanometer (milliarder af en meter) på tværs, omkring 200 gange mindre end en enkelt celle. En integreret guldnanorod fungerer som biosensor for det, der kaldes overfladeplasmonresonans - en oscillation af elektroner som reaktion på et lyssignal, der kan generere en optisk aflæsning, der afspejler proteinbindingssignaler. Antistoffer rettet mod specifikke proteiner kan integreres i sonden for at give specifikke målinger af proteinniveauer. Teamet demonstrerede først, at det var muligt at bruge nanoplasmonic fiber tip sonde (nFTP) til at kvantificere proteinniveauer i individuelle celler uden at påvirke deres vitalitet og levedygtighed.

Ved hjælp af nFTP-enheden spores efterforskerne derefter de skiftende niveauer af A-beta og den Alzheimers-associerede form for tau, som er karakteriseret ved overskydende fosfatmolekyler, i dyrkede celler, der var blevet behandlet med isofluran. Aflæsningerne indikerede, at stigningen i A-beta-ekspression gik forud for stigningen i phosphorylerede tau-niveauer med flere timer. Holdet viste derefter, at mens blokering af A-beta-ekspression reducerede tau-niveauer, blokering af tau forhindrede ikke den indledende stigning i A-beta. Imidlertid, uden phosphoryleret tau -udtryk, A-beta-niveauerne begyndte til sidst at falde, foreslår en sekvens, hvor A-beta-generation stimulerer tau-phosphorylering, som fremmer yderligere generation af A-beta.

"Vi har bragt den traditionelle immunoassay ind i levende celler med udsøgt følsomhed, "siger Qimin Quan, Ph.d., en junior stipendiat ved Rowland Institute og medkorresponderende forfatter af Nano bogstaver rapport. "Enheden er stadig begrænset i sin evne til at måle et stort antal enkeltceller, kræver yderligere forbedring. Men dens høje følsomhed, etiketfri og enkeltcellet kapacitet gør det til et unikt værktøj til diagnosticering af klinisk opnåede begrænsede prøver. "

Zhongcong Xie, MD, Ph.d., direktør for Geriatric Anesthesia Research Unit i MGH Department of Anesthesia, Critical Care and Pain Medicine og medsvarende forfatter til undersøgelsen, tilføjer, "Hvert år har cirka 8,5 millioner patienter med Alzheimers sygdom brug for bedøvelse og kirurgisk behandling på verdensplan. At lære, hvordan anæstesi påvirker mekanismerne bag Alzheimers, kræver samarbejde mellem specialister i anæstesi, neurologi og teknik. I øvrigt, denne brug af både et bedøvelsesmiddel og nFTP-enheden til at måle interaktioner mellem A-beta og tau er bare et første skridt. "Xie er professor i anæstesi ved Harvard Medical School.