Прозрачный мозг и 3D атлас амилоидных бляшек
Исследователи из университета Рокфеллера (США) использовали недавно разработанный метод визуализации, делающий ткань мозга прозрачной. Это позволило им увидеть объемную картину расположения скоплений патологического белка, бета-амилоидных бляшек, в мозге умерших людей, страдавших болезнью Альцгеймера.
Наличие и распределение в мозге скоплений патологического белка бета-амилоида, который считается «спусковым механизмом» для цепочки событий, ведущих к гибели нейронов, до последнего времени определяли, анализируя срезы мозга. Подготовка срезов отнимает много времени, последующая трехмерная реконструкция требует кропотливой работы и может оказаться неточной. В любом случае, полученное представление будет ограниченным, потому что мозг – сложная трехмерная структура, с множеством взаимосвязанных компонентов, которую трудно полноценно реконструировать по данным срезов. Нужен был способ увидеть картину в целом.
Такие методы пространственной визуализации мозга как позитронно-эмиссионная и функциональная магнитно-резонансная томография показывают активность различных зон мозга, но для изучения распределения бета-амилоида непригодны. Зато в самый раз пришелся недавно разработанный метод под названием iDISCO (immunolabeling-enabled 3D imaging of solvent cleared organs).
Ткань мозга примерно на 60% состоит из жиров. Если их удалить, мозг становится, по словам ученых, твердым и прозрачным, почти «как стекло». По методике iDISCO мозг пропитывают составом, который придает жирам электрический заряд, а потом подвергают воздействию электрического поля с противоположным зарядом. Получается «магнит», который «вытягивает» жир из мозга.
Сами бляшки окрашивали с помощью иммунологических методов, после чего они стали видны в объеме - в целом полушарии мозга мыши и в небольших фрагментах мозга человека. Оказалось, что у мышей-моделей болезни Альцгеймера бляшки достаточно малы, однородны по размеру и форме и не сгруппированы, в отличие от мозга больного человека, где видна неоднородность, бляшки более крупные, и наблюдаются сложные трехмерные амилоидные структуры.
Скопления бета-амилоида окрашены лиловым цветом
Ученые надеются, что сопоставляя симптомы пациента и посмертную картину распределения в его мозге бета-амилоида, можно будет научиться различать типы болезни Альцгеймера, которая может оказаться не одним, а несколькими состояниями, потому что не всегда количество амилоидных бляшек соответствует тяжести заболевания. Иногда бляшек много, но слабоумие не наступает, а иногда бляшек вроде бы нет, но есть симптомы заболевания. Возможно, по этой причине проваливаются клинические испытания разрабатываемых препаратов: потому, что они имеют разную эффективность при разных вариантах болезни. Пока нет способа эти варианты различать, и трехмерная визуализация бляшек, их расположения, анализ структур, которые они образуют, может помочь научиться этому.
16 Сентября 2014Мозг способен компенсировать пагубное действие амилоидных бляшек
На ранних стадиях болезни Альцгеймера мозг человека может особым образом реорганизовываться, что откладывает появления симптомов заболевания.
читать 22 Августа 2014Болезнь Альцгеймера: насколько мы близки к решению проблемы?
Очень редко случаются дни, когда в медицинских новостных лентах нет ни одного сообщения об исследовании, посвященном болезни Альцгеймера. Однако на каком этапе развития находится это исследовательское направление?
читать 25 Марта 2014Еще один антидиабетический препарат поможет при болезни Альцгеймера?
Антидиабетический препарат прамлинтид уменьшает количество бета-амилоидных бляшек в ткани мозга и улучшает способность к обучению и запоминанию в двух экспериментальных моделях болезни Альцгеймера.
читать 26 Декабря 2012Подавление иммунного ответа поможет при болезни Альцгеймера?
Инактивация иммунного комплекса, запускающего воспалительные реакции в ткани головного мозга, подавляет течение болезни Альцгеймера.
После 65 лет риск развития болезни Альцгеймера удваивается каждые 5 лет. Теперь новое исследование обнаружило, что способность головного мозга выводить токсические фрагменты белка, связанные с заболеванием, значительно снижается у пожилых людей.
После 65 лет риск развития болезни Альцгеймера удваивается каждые 5 лет.
В журнале Annals of Neurology исследователи из Вашингтонского Университета в Сент-Луисе, штат Миссури, описали, как они обнаружили, что мозгу пожилых людей требуется гораздо больше времени, чтобы вывести бета-амилоид 42, основной ингредиент белковых бляшек, которые накапливаются в головном мозге при болезни Альцгеймера.
Рэндалл Дж. Бейтман, старший автор и профессор неврологии, сказал: «Мы обнаружили, что людям в 30 лет обычно требуется около 4 часов, чтобы вывести половину бета-амилоида 42 из головного мозга. В этом новом исследовании, мы показали, что в возрасте 80 лет этот процесс занимает больше 10 часов».
Если его не вывести, существует больше шансов, что бета-амилоид 42 – фрагмент белка, который является естественным побочным продуктом деятельности мозга – будет свертываться в бляшки, которые нарушают функции головного мозга, такие как коммуникация между клетками.
Ученые давно подозревали, что эти бляшки являются одним из главных факторов болезни Альцгеймера – формы деменции (слабоумия).
Деменция является прогрессирующим заболеванием, при котором память, мышление и поведение ухудшаются до тех пор, пока пациент больше не может поддерживать разговор и ухаживать за собой. Хотя эта болезнь поражает, в основном, пожилых людей, это не является нормальной составляющей старения.
По данным Всемирной организации здравоохранения, примерно 48 миллионов людей в мире страдают деменцией, и эта цифра растет почти на 8 миллионов каждый год. Болезнь Альцгеймера составляет примерно две третьих этих случаев.
Более низкие значения выведения бета-амилоида 42 у людей с симптомами болезни Альцгеймера
В своем исследовании профессор Бейтман и его коллеги протестировали 100 добровольцев в возрасте от 60 до 87 лет. У половины из этих участников наблюдались клинические признаки болезни Альцгеймера, такие как проблемы с памятью, а 62 участника имели формирование бляшек в головном мозге.
Исследователи установили наличие этих признаков и симптомов во время детального психического и физического обследования, которое прошли участники. Кроме сканирования головного мозга для обследования на наличие бляшек, ученые протестировали спинномозговую жидкость участников, используя технологию, которую они разработали самостоятельно.
При помощи этой технологии – названной SILK (stable isotope-linked kinetics – стабильная кинетика, связанная с изотопами) – исследователи смогли наблюдать, что происходит с бета-амилоидом 42 и другими белками.
У участников, в которых наблюдались свидетельства наличия бляшек, ученые обнаружили, что бета-амилоид 42 был более склонен к выходу из жидкости, омывающей головной мозг, и накапливанию в бляшках.
Кроме того, более низкие темпы выведения бета-амилоида 42 – такие как те, что исследователи увидели у пожилых участников – были связаны с симптомами болезни Альцгеймера, включая ухудшение памяти, изменения личности и деменцию.
Профессор Бейтман говорит, что ученые считают, что головной мозг имеет четыре способа утилизации бета-амилоида: перемещение его в спинной мозг, перемещение через гематоэнцефалический барьер, растворение или поглощение с другими белками, отложение в виде бляшек. Он приходит к выводу:
«При помощи дополнительных исследований, таких как это, мы надеемся определить, какой из первых трех способов утилизации бета-амилоида замедляется со старением головного мозга. Это может помочь нам в попытках разработки новых методов лечения».
Ученые Мичиганского университета открыли новое полезное свойство галлата эпигаллокатехина (EGCG ) – биоактивного вещества, содержащегося в листьях зеленого чая. Результаты их исследования доказывают, что EGCG предотвращает неправильное сворачивание определенные белков головного мозга, в том числе и связанных с развитием болезни Альцгеймера . (Фото: University of Michigan)
Ученые Мичиганского университета (University of Michigan , U-M) открыли новое полезное свойство одной из молекул, содержащихся в зеленом чае: она предотвращает неправильное сворачивание специфических белков головного мозга. Агрегация этих белков, называемых металло-ассоциированными бета-амилоидами , связана с болезнью Альцгеймера и другими нейродегенеративными заболеваниями .
Доцент кафедры химии Института наук о жизни (Life Sciences Institute ) U-M Ми Хээ Лим (Mi Hee Lim), PhD, и междисциплинарная группы ученых изучили влияние экстракта зеленого чая на образование агрегатов металло-ассоциированных бета-амилоидов in vitro . Результаты их экспериментов представлены в статье, недавно опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
Ученые установили, что in vitro содержащееся в зеленом чае соединение эпигаллокатехин-3-галлат (epigallocatechin-3-gallate, EGCG ) более активно взаимодействует с металло-ассоциированными бета-амилоидами (содержащими, в частности, медь, железо и цинк), чем со свободными от металлов пептидами, образуя при этом мелкие неструктурированные агрегаты. Кроме того, при инкубации живых клеток с EGCG снижалась токсичность как свободных от металлов, так и связанных с ними бета-амилоидов.
Доцент кафедры химии Института наук о жизни (Life Sciences Institute) U-M Ми Хээ Лим (Mi Hee Lim), PhD. (Фото: lsi.umich.edu)
Чтобы получить представления о структуре взаимодействий и понять эту реактивность на молекулярном уровне, ученые использовали методы масс-спектрометрии подвижности ионов (IM-MS), 2D ЯМР-спектроскопию и вычислительные методы. Эксперименты показали, что EGCG взаимодействует с мономерами и димерами бета-амилоидов, образуя более компактные пептидные конформации, чем при связывании с необработанными EGCG бета-амилоидами. Кроме того, образовывались тройные – EGCG–металл–Aβ – комплексы.
Исследовательская группа доктора Лим состояла из химиков, биохимиков и биофизиков.
«К этой молекуле проявляют очень большой интерес многие ученые», - говорит доктор Лим, отмечая, что EGCG и другие содержащиеся в натуральных продуктах флавоноиды давно считаются мощными антиоксидантами. «Мы использовали комплексный подход. Это первый пример междисциплинарного исследования, в центре внимания которого была структура, проведенного тремя учеными из трех разных областей науки».
По мнению Лим, хотя малые молекулы и металло-ассоциированные бета-амилоиды изучаются многими учеными, большинство из исследователей рассматривают их со своей, узкой точки зрения.
Нейробиолог Бин Е (Bing Ye). (Фото: umms.med.umich.edu)
«Но, так как мозг очень сложен, мы считаем, что необходимо сочетание нескольких подходов».
Статья в PNAS – отправная точка, продолжает ученый, и следующим шагом в исследованиях будет проверка способности несколько измененной молекулы EGCG препятствовать образованию бляшек у плодовых мушек.
«Мы хотим модифицировать молекулу таким образом, чтобы она специфически препятствовала образованию бляшек, связанных с болезнью Альцгеймера», - поясняет Лим.
Она планирует продолжать свою работу в сотрудничестве с нейробиологом из LSI Бин Е (Bing Ye). Вместе исследователи проверят способность новой молекулы подавлять потенциальную токсичность агрегатов, содержащих белки и металлы, на плодовых мушках.
По материалам
Оригинальная статья:
S.-J. Hyung, A. S. DeToma, J. R. Brender, S. Lee, S. Vivekanandan, A. Kochi, J.-S. Choi, A. Ramamoorthy, B. T. Ruotolo, M. H. Lim. Insights into antiamyloidogenic properties of the green tea extract (-)-epigallocatechin-3-gallate toward metal-associated amyloid-β species
© «Экстракт зеленого чая предотвращает образование бета-амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу Болезнь Альцгеймера . Письменное разрешение обязательно.
Еще о болезни Альцгеймера
Амилоидные бляшки рядом с обречёнными на гибель нейронами (иллюстрация David Brody / Washington University in St. Louis).
Плотные белковые бляшки и спутанные нейрофибриллярные клубки выедают человеческий мозг изнутри в процессе медленного прогрессирования болезни Альцгеймера. Кто же несёт ответственность за происходящее?
Внеклеточный протеин бета-амилоид образует те самые бляшки (виновен!), а избыточное фосфорилирование внутриклеточного тау-белка приводит к образованию рыхлых клубков (виновен!). Но каким образом эти внеклеточные амилоидные бляшки могут быть смертельно опасны для нейронов и как всё это связано с фосфорилированием тау-белка? До сих пор никто не дал по-настоящему ясного ответа на столь важные вопросы. К счастью, проблемой занялись учёные из Виргинского университета (США): их работа в самом начале, но уже есть интересные результаты.
Как оказалось, нейроны погибают не из-за какого-то там непонятного прямого отравления, а из-за того, что присутствие бета-амилоидов приводит к некорректному протеканию важнейшего клеточного процесса: амилоиды заставляют нейроны запустить клеточный цикл, который те никак не могут закончить и погибают, так и не завершив деления.
Учёным уже удалось обнаружить несколько потенциальных биомаркеров, позволяющих проводить максимально раннюю диагностику этого заболевания (задолго до появления каких-либо симптомов), а также предложить новые идеи, касающиеся создания эффективной терапии.
В соответствии с результатами прямых наблюдений, в течение 24 часов нахождения рядом с амилоидами обычные нейроны начинают подготовку к клеточному делению с удвоения молекулы ДНК. С другой стороны, нейроны с выключенным геном тау-протеина никак не реагируют на присутствие бляшек амилоидов. Если не вдаваться в детали, то общее объяснение напрашивается само собой: в процесс вовлечён некий клеточный сигнальный каскад, связывающий находящийся рядом бета-амилоид и внутриклеточный тау-белок. Осталось докопаться до деталей - до тех белков и сигнальных молекул, которые организуют каскад. Таким образом исследователи идентифицировали несколько ферментов киназ, вовлечённых в регулирование клеточного цикла или модификацию тау-протеина.
Каждая из трёх киназ - fyn, CAMKII и PKA - должна быть активирована для того, чтобы нейрон мог войти в клеточный цикл, и каждая модифицирует тау-белок в определённых местах. В случае мутации в любом из этих мест бета-амилоид теряет способность подталкивать нейроны ко вхождению в клеточный цикл.
В опытах на мышах было показано, что в случае, когда экспрессия тау-протеина в клетках нейронов подавлена, образование амилоидных бляшек не оказывает негативного воздействия на мозг и способности животного (обучаемость и память). Это интригующее наблюдение было подтверждено данными вскрытия: мозг зверька сохранял абсолютную целостность даже в присутствии очень значительных количеств расплодившихся амилоидных отложений.
Подготовлено по материалам Nature News.
Похожие статьи
