Наноприборы для мозга могут предотвратить образование бляшек при болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера — шестая по значимости причина смерти в США, поражающая каждого десятого человека старше 65 лет. Учёные создают наноустройства, чтобы нарушить процессы в мозге, ведущие к болезни.

У пациентов с болезнью Альцгеймера в мозге со временем накапливается особый тип бляшек, состоящих из самоорганизующихся молекул — пептидов β-амилоида (Aβ). Считается, что это накопление способствует потере нейронных связей и гибели клеток.

В междисциплинарном исследовании учёные из Национальной лаборатории Аргонн (Министерство энергетики США) совместно с коллегами из Корейского института науки и технологий (KIST) и Корейского института передовых технологий (KAIST) разработали подход для предотвращения образования бляшек. Они создали наноразмерное устройство, которое захватывает опасные пептиды до того, как они самоорганизуются.

«В здоровом мозге эти "отходы" устраняются. В мозге, склонном к развитию Альцгеймера, пептиды не устраняются, что позволяет им объединяться в разрушительные бляшки», — пояснила молекулярный биолог Розмари Уилтон.

«Идея в том, что суспензия наших наноустройств сможет собирать пептиды, как только они отделяются от клеток — до того, как у них появится шанс агрегировать», — добавила Елена Рожкова из Центра наноразмерных материалов (CNM) Аргонн.

Конструирование поверхности

Поверхность нового наноустройства покрыли фрагментами антител — белков, которые распознают и связывают пептиды Aβ. Поверхность устройства сферическая и пористая, её кратеры максимизируют доступную площадь для покрытия антителами. Большая площадь означает большую ёмкость для захвата «липких» пептидов.

Чтобы найти оптимальное покрытие, учёные выбрали из литературы антитела с высоким сродством к пептидам Aβ, которые не связываются с другими молекулами мозга. Группа под руководством Уилтон вырастила антитела в бактериях и протестировала их.

Поскольку полная молекула антитела (несколько десятков нанометров) слишком велика для нанотехнологий, группа Уилтон использовала для покрытия поверхности устройства только крошечные фрагменты антител, участвующие в привлечении пептидов.

Создание и тестирование наноустройства

Учёные CNM создали основу пористых сферических наноустройств из диоксида кремния (silica) — биосовместимого материала. Покрытые фрагментами антител, устройства захватывают и удерживают пептиды Aβ с высокой селективностью и силой.

«Многие попытки предотвратить болезнь Альцгеймера были сосредоточены на ингибировании ферментов, отрезающих пептиды β-амилоида от поверхности клетки. Наш подход к устранению более прямой. Мы взяли строительные блоки из нанотехнологий и биологии, чтобы создать высокоёмкую "клетку", которая захватывает пептиды и выводит их из мозга», — сказала Рожкова.

В CNM учёные сравнили поведение пептидов в отсутствие и в присутствии наноустройств. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (TEM) in vitro они наблюдали значительное снижение агрегации пептидов в присутствии устройств. Взаимодействия дополнительно проанализировали с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и микроскейл термофореза.

Учёные также выполнили малоугловое рентгеновское рассеяние на линии 12-ID-B источника продвинутых фотонов (APS) Аргонн, чтобы изучить процессы образования пористости устройств при синтезе.

Исследования показали, что наноустройства изолируют пептиды от пути агрегации более чем на 90% по сравнению с контрольными частицами silica без фрагментов антител.

Исследования in vivo и перспективы

Джунсук Ли, предложивший эксперимент в Аргонн, продолжил изучение терапевтического потенциала устройства в KIST и KAIST.

Эксперименты in vivo (в живых клетках) показали, что наноустройства нетоксичны для клеток. Тесты на мозге мышей с моделью болезни Альцгеймера продемонстрировали около 30% подавления образования бляшек в мозге с наноустройствами по сравнению с контрольным мозгом.

Это исследование объединило силу инженерии антител и нанотехнологий, возможности двух пользовательских объектов Министерства энергетики в Аргонн и инновационное сотрудничество в рамках постдокторской программы.

По аналогичному подходу можно сочетать наночастицы silica с другими антителами, нацеленными на молекулы, связанные с иными нейродегенеративными заболеваниями (болезнь Хантингтона, Паркинсона), которые также связаны с аномальной агрегацией белков. Пористые наночастицы могут быть усовершенствованы для применения в визуализации (флуоресцентная, МРТ).

Статья «Silica nanodepletors: Targeting and clearing Alzheimer's β-amyloid plaques» опубликована в апрельском номере журнала Advanced Functional Materials и была помещена на обложку.