Per la prima volta, gli scienziati hanno sviluppato una simulazione al computer di come gli ammassi di proteine ​​difettose nelle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer si diffondono nel cervello, per la maggior parte del tempo in modalità invisibile, oltre 30 anni.

"Speriamo che la capacità di modellare i disturbi neurodegenerativi ispiri migliori test diagnostici e, in definitiva, trattamenti per rallentarne gli effetti, ", ha affermato l'ingegnere meccanico di Stanford Ellen Kuhl, che descrive il lavoro in un articolo del 12 ottobre in Lettere di revisione fisica co-autore con Johannes Weickenmeier dello Stevens Institute of Technology e Alain Goriely dell'Università di Oxford.

Le simulazioni si concentrano sull'Alzheimer, Parkinson e sclerosi laterale amiotrofica (SLA, o la malattia di Lou Gehrig), ma i ricercatori ritengono che la loro tecnica sia abbastanza generale da funzionare per altri disturbi cerebrali che coinvolgono proteine ​​deformi, compresa l'encefalopatia traumatica cronica.

Segui le proteine

Il gruppo sapeva che ciascuna delle tre malattie che stavano studiando produceva ammassi caratteristici di difetti, proteine ​​mal ripiegate che si accumulano nel cervello. Per vedere come quei grumi tossici si sono diffusi nel tempo, Kuhl e i suoi colleghi hanno esaminato sezioni di cervello prelevate da persone morte dopo aver sviluppato una delle tre malattie. I ricercatori precedenti avevano macchiato quelle fette di cervello per rivelare la presenza delle varie proteine ​​di interesse.

Quando il team di Kuhl ha inserito i dati risultanti in un computer, hanno anche eseguito la modellazione matematica per simulare il modo in cui il modello delle proteine ​​difettose si diffonde dai grumi relativamente sparsi nelle persone che erano all'inizio della malattia a gruppi molto più diffusi nelle persone con malattia avanzata, un processo che può richiedere fino a 30 anni.

"Immagina un effetto domino, " ha detto Kuhl, che fa parte dello Stanford Neurosciences Institute e della Stanford Bio-X. "Ciò che fa il nostro modello è collegare i punti tra i punti dati statici, matematicamente, per mostrare la progressione della malattia con dettagli senza precedenti".

Nel caso della malattia di Alzheimer, gli scienziati hanno modellato la progressione di due proteine ​​misfolding - note come tau e beta amiloide - che cambiano forma e formano grumi tossici nel cervello delle persone con la malattia. I ricercatori precedenti avevano macchiato le fette di cervello per entrambe le proteine ​​e, con il nuovo modello, Il team di Kuhl è stato in grado di creare due simulazioni che mostrano il modo diverso in cui ciascuna di queste varianti di quella malattia si diffonde.

Diffondere il difetto

I neuroscienziati non sanno esattamente come un gruppo di proteine ​​difettose influisca sui suoi vicini per diffondere il misfolding, anche se Kuhl ha detto che ci sono tre teorie prevalenti. La virtù del modello, lei disse, è che predice il percorso della malattia indipendentemente da quale teoria sia corretta.

Kuhl ora prevede di lavorare con i neuroscienziati per comprendere meglio i meccanismi di come le proteine ​​si ripiegano male. Queste intuizioni migliorerebbero il loro modello e forse porterebbero a modi migliori di diagnosticare la malattia mentre è ancora in modalità invisibile.

"La vera sfida è che la morte cellulare da proteine ​​tossiche avviene anni, se non decenni, prima che inizino a manifestarsi i primi sintomi, "ha detto Kuhl.

Kuhl prevede inoltre di rendere il software di modellazione disponibile gratuitamente ad altri scienziati, ripetendo ciò che ha fatto dieci anni fa con modelli simili per studiare il cuore, lavoro ora noto come Living Heart Project. Oggi, Kuhl ha detto, più di 150 laboratori accademici e commerciali utilizzano il software Living Heart per testare procedure chirurgiche o progettare dispositivi come le valvole cardiache. Il software del cervello sarà conosciuto come Living Brain Project.

"Dato l'invecchiamento della popolazione, entro la metà del secolo 135 milioni di persone in tutto il mondo avranno una qualche forma di demenza, " Kuhl ha detto. "Dobbiamo trovare nuovi modi per stimolare la ricerca verso la diagnostica e gli interventi, e la modellazione al computer può svolgere un ruolo chiave nell'identificazione di nuovi bersagli terapeutici".