Nuova amiloide Aβ42 scoperta nel morbo di Alzheimer

L’accumulo delle fibrille della proteina amiloide (Aβ) patogena sotto forma di placche nel cervello è un segno distintivo della malattia di Alzheimer. Decodificare la sua organizzazione strutturale è quindi fondamentale per progettare terapie mirate contro la malattia.

Mentre sono state segnalate diverse forme, o polimorfi, di specie Aβ40 della proteina, meno si sa delle specie più patogene, Aβ42. Inoltre, la caratterizzazione di tracce di Aβ da piccole quantità di campione utilizzando tecniche analitiche standard rimane ancora una sfida.

Per questa ragione, un gruppo di esperti del Tokyo Institute of Technology, RIKEN, Università dell’Illinois a Chicago e Università di Chicago, capitanati dal Prof. Yoshitaka Ishii, hanno testato l’applicabilità della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare a stato solido (SSNMR) nel decifrare le differenze strutturali a livello atomico di Aβ e fibrille patogene associate. Questa potente tecnica analitica misura il comportamento e le proprietà differenziali dei nuclei sotto l’influenza di campi magnetici ed elettrici, evidenziando la loro struttura atomica.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Journal of the American Chemical Society.

Amiloide e amiloidosi: di cosa si tratta

Le amiloidosi interessano un gruppo di patologie che di caratterizzano da alterazioni della conformazione e del metabolismo delle proteine, che causano la tendenza di varie proteine dell’organismo ad aggregarsi in fibrille e a depositarsi nei tessuti, causando disfunzioni anche gravi degli organi coinvolti in questa disfunzione.

Le forme di amiloidosi esistenti sono varie, comprese anche delle forme rare di natura ereditaria, con insorgenza in età adulta: il quadro clinico dipende dal gene coinvolto, dalla natura della mutazione e da altri fattori dei quali ancora non si conoscono a fondo le caratteristiche. Tra le forme ereditarie, la più comune è quella da transtiretina, causata da una disfunzione del sistema nervoso: si manifesta inizialmente con sindrome del tunnel carpale, spesso bilaterale, e alterazione della sensibilità degli arti inferiori, con conseguente difficoltà nell’esecuzione dei movimenti fini delle mani, dolori alle estremità e deficit di forza. Questa forma può essere associata anche ad alterazioni della motilità intestinale, impotenza e cardiomiopatia.

Altre forme sono dovute a difetti nell’apolipoproteina: la forma A-1 interessa prevalentemente reni, cuore e fegato, la A-2 soprattutto il rene. L’amiloidisi da gelsolina, già nota come amiloidosi familiare – tipo Finlandese, si presenta invece in due forme: quella sistemica, in cui i depositi proteici si accumulano in diversi organi e tessuti ma portano essenzialmente a distrofia della cornea, cutis laxa e disfunzioni del sistema nervoso, e una seconda forma ancora poco caratterizzata che causa esclusivamente disfunzioni renali.

L’amiloidosi da beta2-microglobulina è purtroppo frequente nella forma sporadica, legata alla dialisi e caratterizzata da problemi alle ossa e giunture; si riscontra molto meno invece la forma ereditaria, causa di una neuropatia. Infine esistono anche amiloidosi familiari da fibrinogeno alfa, lisozima e cistatina C, con caratteristiche varie e complicazioni per il rene, fegato e tessuto cerebrale.

Per quanto invece riguarda le placche di amiloide che interessano il morbo di Alzheimer si tratta di cumuli delle proteine misfolded che si sviluppano negli spazi fra le cellule nervose.

Queste proteine anormalmente configurate si sono dimostrate fondamentali nell’insorgere del  morbo di Alzheimer. Le placche dell’amiloide hanno una genesi principale nelle aree del cervello responsabile della memoria e di altre funzioni cognitive.

Le placche dell’amiloide si generano nel momento in cui i pezzi di proteine formano un cumulo dell’beta-amiloide. L’beta-amiloide si sviluppa quando una proteina molto più grande citata come la proteina del precurose dell’amiloide (APP) è ripartita. Il APP è composto da 771 amminoacidi ed è separato da due enzimi per produrre l’beta-amiloide. La grande proteina in primo luogo è tagliata dal beta secretase e poi dal secretase di gamma, producendo i pezzi dell’beta-amiloide che possono comporrsi di 38, 40 o 42 amminoacidi. L’beta-amiloide composto di 42 amminoacidi è chimicamente “più appicicoso„ che le altre lunghezze e quindi è più probabili formare le placche.

Le placche dell’amiloide formano una delle due funzionalità di definizione del morbo di Alzheimer. l’Beta-amiloide è probabilmente responsabile della formazione dei cd grovigli o viluppi di tau, che danneggiano i neuroni e causano i sintomi di demenza. Tecnicamente, una persona può presentare tutte le caratteristiche del morbo di Alzheimer ma se una biopsia del tessuto cerebrale o tomografia a emissione di positroni non rivela la presenza di placche dell’amiloide o di grovigli di tau, non si parlerà di morbo di Alzheimer.

Amiloide Aβ42: qualche dettaglio sulla ricerca

Per poter offrire una comprensione più completa della scoperta, il Prof. Ishii ha spiegato: “Sono disponibili informazioni limitate sulle variazioni strutturali delle fibrille Aβ42 preparate in condizioni fisiologicamente rilevanti, nonostante la loro importanza patologica. Nel nostro studio, dimostriamo l’uso di ¹ H (isotopo dell’idrogeno) -rilevato SSNMR nella caratterizzazione di pazienti derivati, nonché fibrille sintetiche Aβ in quantità limitate a partire da pico- a nanomoli.”

^Il SSNMR rilevato con ¹³ C (isotopi di carbonio), tradizionalmente utilizzato per la caratterizzazione strutturale, necessita di grandi quantità di campioni e mette in difficoltà nella preparazione di campioni omogenei. Vista la maggiore sensibilità e facilità di analisi delle tracce nei campioni biologici, i ricercatori hanno utilizzato SSNMR rilevato ¹ H con sensibilità migliorata per la loro analisi. Fibrille sintetiche e cervello derivato Aβ da un paziente con malattia di Alzheimer sono stati etichettati con isotopi ¹³ C e ¹⁵ N a residui di aminoacidi specifici per una maggiore sensibilità, risoluzione atomica e analisi strutturale sito-specifica.

Il gruppo di scienziati sono riusciti a caratterizzare con successo un nuovo polimorfo di Ap42 utilizzando l’approccio sopracitato, con solo circa 42 nmol di Ap—da 25 a 100 volte inferiori rispetto alle concentrazioni precedentemente utilizzate. Inoltre, il miglioramento della sensibilità ha ridotto significativamente il tempo necessario per ottenere gli spettri dei campioni. Le posizioni spettrali ottenute con questa tecnica hanno rivelato che la struttura dello scheletro proteico e la disposizione delle catene laterali sono distinte dalle strutture precedentemente riportate.

Nel complesso, lo studio definisce i contatti molecolari coinvolti nella stabilizzazione delle fibrille patogene di Aβ42, aprendo così la strada a nuove strategie terapeutiche che possono colpire questi aggregati tossici che guidano la progressione della malattia di Alzheimer.

Il Prof. Ishii conclude affermando le applicazioni cliniche dei loro risultati: “Il nostro studio dimostra la propensione di Aβ42 a formare molteplici forme di fibrille, nel cervello così come nelle preparazioni sintetiche. Riteniamo che il nostro studio possa aprire nuove strade per l’analisi delle tracce di campioni biologici come fibrille amiloidi e oligomeri per i quali l’ SSNMR rilevato dal ¹³ C potrebbe essere inefficace.”

Siamo davvero un passo avanti verso la comprensione di questa complessa malattia.,

Amiloide Aβ42: trovato il modo per rivelare i segnali spettrali delle fibrille amiloidi

La malattia di Alzheimer è la malattia neurodegenerativa più comune in cui i neuroni muoiono gradualmente, portando alla demenza. L’esatto meccanismo e le cause di questo disturbo non sono ancora stati identificati. Tuttavia, è noto che le placche amiloidi si formano nel cervello dei pazienti. Le placche sono costituite da fibrille amiloidi, che sono speciali gruppi filamentosi formati da proteine ​​amiloidi.

“Il numero di pazienti con disturbi neurodegenerativi continuerà a crescere in futuro. Grazie al successo dell’umanità nel trattamento del cancro e delle malattie cardiovascolari, sempre più persone vivono fino agli 80 anni. A questa età, il rischio di sviluppare malattie neurodegenerative disturbi, compreso il morbo di Alzheimer, diventa molto alto.Sfortunatamente, non è stata ancora trovata alcuna cura per queste malattie”, afferma Nikolai Skrynnikov, coautore della ricerca, Ph.D., Professore, Capo del Laboratorio Biomolecolare NMR a San Pietroburgo Università.

Nikolai Skrynnikov insieme ad un team di scienziati hanno decifrato le caratteristiche strutturali dei depositi di amiloide relativamente di recente. Tuttavia, uno studio più dettagliato dell’amiloidogenesi deve affrontare una serie di difficoltà. In particolare, questo perché nei tessuti cerebrali fibrille amiloidi coesistono con altre forme strutturali di proteine ​​amiloidogeniche. Questi sono monomeri, frammenti proteolitici e vari oligomeri, alcuni dei quali fungono da “semi” per la costruzione di nuove fibrille.

L’analisi di una tale miscela è una sfida importante. Ad esempio, studiando campioni amiloidogenici mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), si ottengono una moltitudine di segnali che provengono non solo da fibrille di interesse per gli scienziati, ma anche da altre specie proteiche. Gli esperti sono quindi alla ricerca di modi per separare i segnali spettrali delle fibrille e altre forme strutturali concomitanti.

Il metodo più ovvio e diretto per raggiungere questo obiettivo è il cosiddetto “filtro di diffusione”. Si tratta di uno speciale esperimento NMR che consente di separare i segnali dalle fibrille pesanti e da altri componenti più mobili del campione. Tuttavia, circa dieci anni fa gli scienziati dell’Università di Oxford hanno pubblicato due articoli in cui è stata messa in discussione la fattibilità di un tale filtro per campioni di fibrille amiloidi, dopodiché la ricerca in questo campo si è interrotta.

“Il movimento di una fibrilla può essere paragonato al movimento casuale di un tronco sulla superficie di un lago, mentre il movimento di un monomero è come quello di un ago di pino. I ricercatori di Oxford hanno sostenuto che la rotazione del tronco potrebbe essere più veloce —durante la svolta, la velocità lineare alle estremità del tronco risulta essere sufficientemente elevata. Per questo motivo, secondo gli autori, diventa impossibile distinguere tra un tronco che gira rapidamente e un ago agile“, spiega Nikolai Skrynnikov. “Ma questo è lontano dalla verità.”

Gli scienziati dell’Università di San Pietroburgo hanno messo a dura prova l’affermazione dei loro colleghi di Oxford e non solo l’hanno smentita, ma hanno anche creato una nuova teoria dell’esperimento NMR di diffusione. Inoltre, i ricercatori hanno descritto l’essenza dell’effetto con tre metodi: il metodo analitico, cioè ricavando una formula compatta che riflette l’esito dell’esperimento; il metodo numerico, cioè risolvendo alcune equazioni differenziali mediante un opportuno algoritmo numerico; e il metodo Monte Carlo, cioè utilizzando la simulazione al computer per catturare i movimenti casuali delle fibrille in soluzione. Tutti e tre i metodi hanno mostrato risultati praticamente identici, convalidando così la nuova teoria.

Per la verifica sperimentale della nuova teoria, i ricercatori si sono rivolti alla proteina di lievito Sup35, che è nota per avere proprietà amiloidogeniche. Gli scienziati dell’Università di San Pietroburgo hanno svolto un ruolo di primo piano nei primi studi su questa proteina. Il professor Sergey Inge-Vechtomov, i suoi studenti e seguaci sono stati tra i primi investigatori di Sup35.

 Il team di ricerca del Laboratorio NMR biomolecolare dell’Università di San Pietroburgo, insieme agli scienziati del Dipartimento di genetica e biotecnologia dell’Università, ha utilizzato Sup35 come sistema modello per dimostrare che l’uso di un filtro di diffusione in campioni contenenti fibrille amiloidi è davvero possibile. I ricercatori hanno ottenuto con successo uno spettro di fibrille, “cancellate” da altri segnali spettrali.

“Venti o trent’anni fa, gli scienziati avevano poca comprensione di ciò che accade nel cervello umano con l’insorgenza della demenza. Gradualmente, la conoscenza è stata accumulata e sono stati sviluppati nuovi metodi di ricerca. Grazie a questi metodi, ora sappiamo dell’esistenza di depositi di amiloide e hanno un’idea abbastanza dettagliata della loro struttura“, osserva Nikolai Skrynnikov.

 “La nostra teoria e la sua prova sono un contributo al corpo di conoscenze fondamentali su cui i chimici medicinali fanno affidamento nella loro ricerca di nuovi farmaci. In futuro, il nostro filtro di diffusione proposto per esperimenti NMR nei sistemi amiloidogenici potrebbe aiutare in questa ricerca“.