Inflydelse af nanopartikler, omgivende ioner på dannelsen af ​​β-arkstruktur i amyloid β-proteiner

Proteinfunktion og aktivitet bestemmes af både deres samling og sekundære struktur. Abnormiteter relateret til enten proteinaggregation eller sekundær struktur kan føre til neurodegenerative sygdomme. I en ny undersøgelse afslører et internationalt forskerhold, hvordan fluorid-nanopartikler, materialer, der bruges til in vivo-billeddannelse, påvirker samlingen og strukturen af ​​amyloid-β-proteinet. Deres resultater er et skridt mod bedre behandling og forebyggelse af neurologiske lidelser som Alzheimers sygdom.

Selvsamling, eller sammenslutningen af ​​individuelle enheder af et materiale til ordnede strukturer eller mønstre, er et fænomen af ​​stor forskningsinteresse for materialeforskere. Et fremtrædende eksempel på selvsamling kommer fra selvsamling af proteiner i biologiske systemer. Funktionen og aktiviteten af ​​proteiner er styret af deres samlingstilstand. Derudover spiller proteinets "sekundære struktur", karakteriseret ved dets foldning til strukturer, såsom et β-ark, også en rolle. Faktisk kan abnormiteter i proteinets sekundære strukturer eller deres samling føre til forskellige neurodegenerative sygdomme, herunder Alzheimers sygdom.

Nanopartikler (NP'er) tilbyder en lovende vej til behandling og forebyggelse af sådanne sygdomme ved at tillade en kontrolleret og målrettet lægemiddellevering. Derudover bruges uorganiske NP'er, såsom fluorid-NP'er, i hjernebilleddannelsesapplikationer. Sammenlignet med organiske NP'er anses uorganiske NP'er for at være en bedre kandidat til at udvikle højfunktionelle materialer. Men der er stor bekymring med hensyn til deres biotoksicitet. Mens deres interaktioner med bioproteiner er blevet undersøgt, er mekanismen bag disse interaktioner ikke godt forstået.

Et internationalt hold af videnskabsmænd fra Tokyo University of Science (TUS) i Japan og Nazarbayev University i Kasakhstan har nu behandlet dette problem. I deres undersøgelse, som blev gjort tilgængelig online den 2. juni 2022 og blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Bio Materials den 20. juni 2022 undersøgte holdet en sektion af amyloid β-peptidet (et protein fundet i plaques, der dannes i hjernen hos patienter med Alzheimers sygdom) i en opløsning med fluoridkeramik (CeF₃ ) NP'er. Undersøgelsen blev ledet af juniorlektor Masakazu Umezawa og omfattede bidrag fra Mr. Naoya Sakaguchi fra TUS og adjunkter Mehdi Amouei Torkmahalleh og Dhawal Shah fra Nazarbayev University.

Holdet brugte en teknik kaldet "Fourier transform infrarød spektroskopi" (FTIR) til direkte at overvåge effekten af ​​NP-overfladen på peptidbindingerne. "Vi fandt ud af, at nær nanopartikeloverfladen er der større sandsynlighed for, at peptider danner β-sheets. Dette kommer som en effekt af hydrofobicitet. De dele af peptidet, der frastødes af vandopløsningen, klæber til nanopartiklerne, og danner lettere aggregater." forklarer Dr. Umezawa.

Derudover undersøgte holdet effekten af ​​andre omgivende ioner i opløsningen. "Det, vi fandt, var meget overraskende. Selv uden nanopartiklerne påvirkede miljøet hastigheden af ​​sekundær strukturdannelse," siger Dr. Umezawa, "Denne effekt, som er et resultat af en kombination af elektrostatisk interaktion og hydrogenbinding, blev overdrevet ved tilføjelse af nanopartikler. Med et omhyggeligt valg af ioner og nanopartikler kan β-sheetdannelsen enten undertrykkes eller fremmes. Dette indebærer, at processen kan kontrolleres og konstrueres til at udrydde negative virkninger."

De eksperimentelle resultater blev suppleret med simuleringer af molekylær dynamik udført af Nazarbayev University-teamet. Dette hjalp til gengæld med at designe og guide eksperimenterne samt give indsigt i resultaterne.

Med denne dybere forståelse af interaktionen mellem proteiner og NP'er baner undersøgelsen vejen for kontrollerede proteinfoldningsprocesser. Med en sådan kontrol kunne enhver proteindeformation elimineres, og positive interaktioner og strukturelle ændringer kunne fremmes. Dette kan føre til en bedre forebyggelses- og behandlingsprotokol for Alzheimers sygdom og i sidste ende til en bedre livskvalitet for ældre voksne. + Udforsk yderligere

Afkodning af proteinsamlingsdynamik med kunstige proteinnåle