La malattia di Alzheimer è la sesta causa di morte negli Stati Uniti, colpisce una persona su 10 di età superiore ai 65 anni. Gli scienziati stanno progettando nanodispositivi per interrompere i processi nel cervello che portano alla malattia.

Le persone che sono affette dal morbo di Alzheimer hanno un tipo specifico di placca, costituito da molecole autoassemblate chiamate peptidi β-amiloidi (Aβ), che si accumulano nel cervello nel tempo. Si pensa che questo accumulo contribuisca alla perdita di connettività neurale e alla morte cellulare. I ricercatori stanno studiando modi per impedire ai peptidi di formare queste placche pericolose al fine di arrestare lo sviluppo del morbo di Alzheimer nel cervello.

In uno studio multidisciplinare, scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, insieme ai collaboratori del Korean Institute of Science and Technology (KIST) e del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), hanno sviluppato un approccio per prevenire la formazione di placca progettando un dispositivo di dimensioni nanometriche che cattura i pericolosi peptidi prima che possano autoassemblarsi.

"I peptidi -amiloidi derivano dalla rottura di una proteina precursore dell'amiloide, un normale componente delle cellule cerebrali, " ha detto Rosemarie Wilton, un biologo molecolare nella divisione Biosciences di Argonne. "In un cervello sano, questi peptidi scartati vengono eliminati."

Nei cervelli inclini allo sviluppo dell'Alzheimer, però, il cervello non elimina i peptidi, lasciandoli conglomerati nelle placche distruttive.

"L'idea è che, infine, un impasto liquido dei nostri nanodispositivi potrebbe raccogliere i peptidi mentre cadono dalle cellule, prima che abbiano la possibilità di aggregarsi, " ha aggiunto Elena Rozhkova, uno scienziato presso il Centro di Argonne per i materiali su nanoscala (CNM), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Decorare la superficie

I ricercatori hanno coperto la superficie del nuovo nanodispositivo con frammenti di un anticorpo, un tipo di proteina, che riconosce e si lega ai peptidi Aβ. La superficie del nanodispositivo è sferica e porosa, e i suoi crateri massimizzano l'area superficiale disponibile per gli anticorpi da coprire. Più superficie significa più capacità di catturare i peptidi appiccicosi.

Per trovare il rivestimento ottimale, gli scienziati hanno prima cercato nella letteratura precedente per identificare gli anticorpi che hanno un'elevata affinità con i peptidi Aβ. Era importante scegliere un anticorpo che attirasse i peptidi ma non si legasse ad altre molecole nel cervello. Poi la squadra, guidato da Wilton, ha prodotto gli anticorpi nei batteri e ne ha testato le prestazioni.

Una molecola di anticorpo completa può essere lunga fino a poche dozzine di nanometri, che è grande nel regno della nanotecnologia. Però, solo una frazione di questo anticorpo è coinvolta nell'attrarre i peptidi. Per massimizzare l'efficacia e la capacità dei nanodispositivi, Il gruppo di Wilton ha prodotto minuscoli frammenti degli anticorpi per decorare la superficie del nanodispositivo.

Ingegneria e test del nanodispositivo

Gli scienziati del CNM hanno costruito la base del poroso, nanodispositivi sferici in silice, un materiale che è stato a lungo utilizzato nelle applicazioni biomediche grazie alla sua flessibilità nella sintesi e alla sua atossicità nel corpo. Rivestito con i frammenti di anticorpo, i nanodispositivi catturano e intrappolano i peptidi Aβ con elevata selettività e forza.

"Molti tentativi di prevenire l'Alzheimer si sono concentrati sull'inibizione degli enzimi che tagliano i peptidi -amiloidi dalla superficie della cellula, " ha detto Rozhkova, che ha guidato il progetto al CNM. "Il nostro approccio all'eliminazione è più diretto. Abbiamo preso gli elementi costitutivi dalla nanotecnologia e dalla biologia per progettare una "gabbia" ad alta capacità che intrappola i peptidi e li elimina dal cervello".

Al CNM, gli scienziati hanno testato l'efficacia dei dispositivi confrontando il comportamento dei peptidi in assenza e presenza dei nanodispositivi. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione in vitro (TEM), hanno osservato un notevole calo dell'aggregazione peptidica in presenza dei nanodispositivi. Hanno ulteriormente analizzato le interazioni utilizzando la microscopia a scansione laser confocale e la misurazione della termoforesi su microscala, due tecniche aggiuntive per caratterizzare le interazioni su scala nanometrica.

Gli scienziati hanno anche eseguito la diffusione di raggi X a piccolo angolo per studiare i processi che rendono porosi i nanodispositivi durante la sintesi. I ricercatori hanno eseguito la caratterizzazione a raggi X, guidato da Byeongdu Lee, un leader del gruppo nella divisione X-ray Science di Argonne, alla linea di luce 12-ID-B dell'Advanced Photon Source (APS) del laboratorio, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Questi studi hanno supportato il caso che i nanodispositivi sequestrano i peptidi dal percorso verso l'aggregazione di oltre il 90% rispetto alle particelle di silice di controllo senza i frammenti di anticorpi. Però, i dispositivi ancora necessari per dimostrare la loro efficacia e sicurezza all'interno di cellule e cervelli.

Joonseok Lee, che originariamente aveva proposto questo esperimento all'Argonne come incaricato post-dottorato del direttore e pioniere del design per il nanodispositivo, ha continuato lo studio del potenziale terapeutico di questo dispositivo al KIST e al KAIST.

"La posizione post-dottorato del direttore è una rara opportunità offerta ad Argonne che consente progetti di ricerca unici e collaborazioni trasversali che altrimenti non sarebbero possibili, " said Rozhkova. "We have incredible minds at the lab who want to explore topics that don't fall under a predefined area of research, and this program encourages this creativity and innovation."

The in vivo experiments—experiments that took place in living cells—performed by Lee and his collaborators showed that the nanodevices are nontoxic to cells. They also tested the effectiveness of the devices in the brains of mice with Alzheimer's, demonstrating around 30 percent suppression of plaque formation in brains containing the nanodevices compared to control brains. The research on mice was conducted at KIST and KAIST in South Korea with appropriate government approvals.

This study combined the strengths of antibody engineering and nanotechnology, the power of two DOE User Facilities at Argonne and innovative collaboration resulting from the laboratory's postdoctoral program to explore a technological approach to preventing Alzheimer's.

Using a similar approach, scientists may also be able to pair the silica nanoparticles with different antibodies that target molecules related to other neurodegenerative diseases, such as Huntington's disease and Parkinson's disease, which also involve abnormal protein aggregation. The porous nanoparticles may be further upgraded for use in imaging applications including fluorescent imaging and magnetic resonance imaging.

A paper on the research, titled "Silica nanodepletors:Targeting and clearing Alzheimer's β-amyloid plaques", was published in the April issue of Materiali funzionali avanzati and was featured on its cover.