Un nuovo studio ha fornito informazioni sui meccanismi alla base della formazione di grumi proteici nella malattia di Alzheimer. Lo studio, condotto da ricercatori del Karolinska Institutet, potrebbe aprire la strada a nuovi trattamenti per questa devastante malattia neurodegenerativa.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Communications.
Malattia di Alzheimer: come agisce il nuovo potenziale trattamento
La malattia di Alzheimer colpisce milioni di persone in tutto il mondo, causando perdita di memoria , confusione e declino cognitivo. Una delle caratteristiche principali della malattia è l’accumulo di grumi proteici anomali, chiamati fibrille e placche amiloidi, nel cervello. Questi grumi interferiscono con il normale funzionamento delle cellule cerebrali e possono innescare infiammazioni e morte cellulare.
Gli scienziati stanno cercando di capire come si formano queste fibrille e come prevenirne la formazione. Una strategia consiste nell’utilizzare proteine che possano legarsi a siti specifici sulla superficie delle fibrille e bloccare la generazione di nuovi aggregati. Queste proteine sono chiamate chaperoni molecolari e sono prodotte naturalmente dalle cellule per aiutare altre proteine a ripiegarsi e a funzionare correttamente.
“Nel nostro studio abbiamo utilizzato uno chaperone molecolare specifico, chiamato BRICHOS”, afferma Axel Abelein, ultimo autore dello studio. “È stato dimostrato in precedenza che BRICHOS inibisce la formazione di fibrille amiloidi . Ora volevamo scoprire come riconosce e si lega alla superficie delle fibrille, dandoci indizi su quali parti delle fibrille vengono prodotti i nuovi aggregati.”
I ricercatori del Laboratorio per il misfolding e l’assemblaggio delle proteine, Dipartimento di Bioscienze e Nutrizione, Karolinska Institutet, hanno utilizzato tecniche avanzate di biologia strutturale, come la risonanza magnetica nucleare allo stato solido (NMR) e la microscopia elettronica , per visualizzare la struttura e le interazioni di BRICHOS e le fibrille a livello atomico.
Hanno scoperto che BRICHOS può percepire e attaccarsi a regioni specifiche sulle fibrille, che possono fungere da punti caldi di aggregazione. Legandosi a questi punti caldi, BRICHOS può probabilmente prevenire l’ulteriore generazione di aggregati e quindi sopprimere i loro effetti tossici.
I ricercatori suggeriscono che prendere di mira questi punti caldi di aggregazione potrebbe essere un modo promettente per interferire con il processo di formazione delle fibrille e i suoi effetti dannosi nella malattia di Alzheimer. Si prevede inoltre di indagare se meccanismi simili siano coinvolti in altri disturbi neurodegenerativi, come il morbo di Parkinson, anch’essi caratterizzati dall’aggregazione proteica.
Questo studio è stato condotto in collaborazione con gruppi di Lione, Francia e Riga, Lettonia, che hanno fornito accesso e competenze alla nuova strumentazione NMR a stato solido.
I ricercatori del National Institutes of Natural Sciences e dell’Università della città di Nagoya hanno ottenuto un risultato significativo chiarendo la struttura dell’amiloide β (Aβ) legata ai glicolipidi sulla superficie delle cellule nervose. Questa scoperta fa luce sul ruolo critico della formazione anomala di fibrille Aβ, uno dei principali fattori che contribuiscono alla malattia di Alzheimer, e promette progressi innovativi in medicina e farmacia.
La malattia di Alzheimer è caratterizzata dall’aggregazione anormale di Aβ in fibrille amiloidi, che si accumulano nel cervello. Comprendere il meccanismo molecolare della formazione delle fibrille Aβ è fondamentale nei campi della medicina e della farmacia. Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono concentrati sull’interazione dell’Aβ con i glicolipidi chiamati gangliosidi GM1 sulla membrana cellulare neuronale.
Utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare allo stato solido e simulazioni di dinamica molecolare , il gruppo di ricerca ha rivelato che Aβ adotta una conformazione a forma di “U” dopo il legame con i gangliosidi GM1 sulla superficie della membrana. Questa struttura Aβ a forma di “U” è costituita da due strati, lo strato β1 (distale dalla membrana) e lo strato β2 (più vicino alla membrana), disposti alternativamente.
In contrasto con le fibrille amiloidi Aβ precedentemente riportate, che si allineano in una direzione uniforme, l’assemblaggio Aβ sulle membrane contenenti gangliosidi GM1 mostrava una conformazione completamente diversa. In particolare, si è scoperto che lo strato β1 altamente esposto sulla superficie della membrana agisce come un catalizzatore, accelerando significativamente la fibrillazione delle molecole Aβ circostanti. Inoltre, è stato osservato specificamente che gli anticorpi anti-GM1-Aβ riconoscono questa regione.
Questa ricerca ha svelato con successo la struttura tridimensionale dell’Aβ, che funge da piattaforma catalitica per la formazione di fibrille amiloidi, in presenza di gangliosidi GM1 sulle membrane cellulari neuronali. Sebbene siano stati sviluppati vari anticorpi terapeutici mirati agli aggregati Aβ, questi si legano principalmente alle fibrille amiloidi o ai loro precursori. La distinta struttura Aβ scoperta in questo studio offre nuove possibilità poiché gli anticorpi anti-GM1-Aβ sono in grado di riconoscere e legarsi a questa conformazione unica.
Di conseguenza, questa ricerca rappresenta la prima identificazione dell’entità strutturale responsabile della produzione di fibrille amiloidi nel tessuto cerebrale , offrendo potenzialmente spunti per prevedere il rischio di insorgenza della malattia di Alzheimer e aprendo strade per inibire la sua progressione. La struttura tridimensionale delle molecole Aβ, come rivelato in questo studio, offre prospettive entusiasmanti per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche contro la malattia di Alzheimer.
La deposizione di amiloide è un segno distintivo delle malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer (AD) e il morbo di Parkinson (PD). Il processo di deposizione è descritto come una curva sigmoidale in cui le proteine mal ripiegate si assemblano in oligomeri prima dell’allungamento delle fibrille. Questo processo dinamico è accompagnato dal monomero mal ripiegato con più α-elica formata in un’abbondante struttura a fogli β reticolata. Mirare all’accumulo tossico può rappresentare una strategia promettente per rallentare o prevenire l’inizio della malattia.
In un articolo pubblicato su eLight , un team di scienziati, guidato dal professor Chao Chang dell’Università di Pechino, ha sviluppato una tecnica unica che utilizza una frequenza specifica per regolare e ridurre al minimo lo sviluppo della deposizione di amiloide .
Nel 2018 è stato ipotizzato che il campo fisico dei segnali neurali biologici potrebbe essere un campo elettromagnetico ad alta frequenza che va dal terahertz (THz) all’infrarosso (IR). È molto probabile che sia compreso tra 0,5 e 100 THz ed è denominata onda elettromagnetica (EM) THz generalizzata.
Sono stati dimostrati alcuni processi fisiologici , come lo svolgimento delle forcine del DNA; la permeabilità del canale del calcio voltaggio-dipendente e le correnti del K+ voltaggio-dipendente possono regolarlo.
Il meccanismo ha rivelato che l’onda THz risuona con la popolazione molecolare e modifica il legame idrogeno (legame H) formato in essa. Inoltre, è stato riferito che la rete di legami H intermolecolari paralleli all’asse delle fibrille è la chiave per guidare le fibrille amiloidi.
Con questa conoscenza, sarebbe essenziale prevenire o mitigare la patologia dell’Alzheimer se le caratteristiche risonanti potessero essere sfruttate per modulare il processo di autoassemblaggio ed evitare l’ aggregazione proteica indesiderata .
Uno studio precedente sull’Alzheimer aveva scoperto che una luce da 1.675 cm-1 (50,25 THz) potrebbe dissociare le fibrille di amiloide mediante un esperimento congiunto sul laser a elettroni liberi e un metodo di simulazione della dinamica molecolare (MD).
C’è stato un effetto termico significativo a questa frequenza perché il liquido biologico ha un forte assorbimento nell’intervallo 45-52,5 THz. Il risultato è che l’efficienza regolata nell’ambiente fisiologico è destinata ad essere notevolmente indebolita. Pertanto, è urgente esplorare metodi non termici ed efficienti per inibire il processo di aggregazione dell’Aβ tipici della malattia di Alzheimer.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato l’amiloide β (Aβ) come esempio per condurre la ricerca. Non si afferma che l’Aβ svolga un ruolo determinante nello sviluppo dell’AD, quindi sempre più ricerche hanno iniziato a enfatizzare l’importanza della proteina tau. Le proteine amiloidi hanno processi di aggregazione dinamici simili. Non esistono ancora farmaci efficaci in grado di inibire o alleviare il peggioramento della patologia di Alzheimer.
Lo studio intendeva regolare le conformazioni delle proteine patologiche mediante mezzi ottici che intervengono nel processo dinamico . Questa ricerca basata sull’Aβ può essere ulteriormente applicata alla proteina tau, che è di grande importanza per lo sviluppo di una terapia di combinazione.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato il laser a cascata quantistica (QCL) con una frequenza centrale di 34,88 THz (8,6 µm) per irradiare gli oligomeri Aβ1-42. Hanno monitorato il processo di fibrosi mediante il test di legame della tioflavina T (ThT) e lo spettrometro a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR).
Il gruppo di ricerca ha scoperto che il processo di fibrosi è stato notevolmente rallentato rispetto al gruppo senza campo esterno. La sicurezza di questa frequenza a livello cellulare è stata rilevata anche attraverso analisi della vitalità cellulare e del potenziale della membrana mitocondriale.
È stato notato che le cellule proliferavano in modo significativo e si verificava un leggero aumento del potenziale della membrana mitocondriale. Ciò dimostra che le onde THz possono influenzare positivamente la funzione delle cellule.
Il gruppo di ricerca ha anche riscontrato un cambiamento significativo nella conformazione delle proteine, che passa da una struttura regolarmente ordinata a una struttura disordinata, in particolare con una maggiore struttura del foglio β trasformata nella regione della bobina e della piega. Le onde THz possono essere una strategia promettente per ritardare il processo di fibrillazione dell’amiloide.
Un ulteriore studio internazionale condotto dal Laboratorio di Fisiologia Molecolare del Dipartimento di Medicina e Scienze della Vita dell’UPF (MELIS) identifica nuovi geni che modulano la tossicità della proteina β-amiloide, responsabile della malattia di Alzheimer.
Combinando tecniche di biologia molecolare , genomica e bioinformatica, sono stati identificati 238 geni protettivi o attivatori della tossicità dell’amiloide. Tra questi spicca il gene Surf4. È coinvolto nel controllo del calcio intracellulare e, aumentando la tossicità della proteina β-amiloide, contribuisce alla malattia.
Ogni anno nel mondo vengono diagnosticati 10 milioni di nuovi casi di demenza. Di questi, 7 su 10 sono dovuti alla malattia di Alzheimer. Questa malattia si sviluppa con l’età, quando la proteina β-amiloide, una piccola proteina secreta dai neuroni, inizia a ripiegarsi male e ad aggregarsi all’interno del cervello, esercitando un effetto neurotossico. Al momento non esiste un trattamento efficace per prevenire l’aggregazione della proteina β-amiloide e la neurotossicità.
Nello studio pubblicato sull’International Journal of Molecular Sciences , i ricercatori hanno identificato, nel lievito, 238 geni, simili a quelli umani, che regolano la malattia di Alzheimer. Di questi, 81 aumentano la tossicità della proteina β-amiloide e 157 sono protettivi contro questa tossicità cellulare.
Un’analisi bioinformatica ha dimostrato che la maggior parte dei 238 geni identificati sono coinvolti nell’attività mitocondriale, nella traduzione delle proteine e nella regolazione del calcio intracellulare. In quest’ultimo processo, in cui sono coinvolti gran parte dei geni identificati, spicca il gene Surf4, la cui proteina regola l’ingresso del calcio all’interno della cellula e ha dimostrato di aumentare la tossicità della proteina β-amiloide, contribuendo a Il morbo di Alzheimer.
Secondo il coordinatore dello studio, Francisco J. Muñoz, “il calcio è uno dei messaggeri più importanti che trasferiscono le informazioni dall’esterno all’interno delle cellule. È coinvolto in quasi tutte le funzioni cellulari. Pertanto, quando la proteina Surf4 è sovraespressa, ciò diminuisce ingresso di calcio e interrompe i processi cellulari da esso dipendenti, i neuroni non possono funzionare e diventano molto sensibili alla tossicità dell’amiloide.”
L’identificazione di SURF4 come acceleratore del danno da tossicità della proteina β-amiloide apre la porta all’identificazione di nuovi bersagli terapeutici che regolano la tossicità dell’amiloide nella malattia di Alzheimer.
Per identificare i geni che regolano la malattia di Alzheimer, è stata analizzata una raccolta di 5.154 mutanti del lievito Saccharomyces cerevisiae, il cui genoma è molto simile al genoma umano , e l’espressione di un gene è stata eliminata. Ciascuno di questi mutanti è stato incrociato con altri lieviti dello stesso ceppo che sovraesprimono la proteina β-amiloide umana e la vitalità di queste cellule è stata analizzata per diversi giorni. Inoltre, è stata eseguita un’analisi di text mining per identificare altri geni correlati alla regolazione della tossicità della proteina β-amiloide .