Профессор химической инженерии Университета Мичигана (University of Michigan) Николай Котов (Nicholas Kotov) считает, что специально разработанные наночастицы соответствующих размеров и формы могут стать ключом к борьбе с бляшками, разрушающими нейроны и вызывающими симптомы, ассоциируемые с болезнью Альцгеймера. Такие наночастицы могут привлекать и захватывать цитотоксичные олигомеры амилоидных пептидов и длинные фибриллы, которые, как известно, образуют бляшки при нейродегенеративных заболеваниях.

В последнее время наночастицы изучаются в качестве инструмента для защиты мозга от нейротоксичных белков, способных вносить вклад в начало развития нескольких различных нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера. Такие белки, в частности, бета-амилоидные пептиды, играют определенную роль в отложении фибриновых бляшек в мозге, повреждающих синапсы (контакты между нервными клетками), и ведут к снижению когнитивных способностей человека.

В начале болезни Альцгеймера бета-амилоид накапливается в центрах мозга, где формируется новая память. По мере прогрессирования заболевания эти токсичные фрагменты белка блокируют нейромедиаторы и препятствуют достижению ими рецепторов нейронов. Надежда на наночастицы основывается на их способности имитировать некоторые биологические функции и проникать через гематоэнцефалический барьер, что позволяет им останавливать рост блокирующих нейроны фибрилл лучше, чем лекарственные препараты, которые могут сдерживать некоторые варианты коротких пептидов, антитела и белки – такие как сывороточный альбумин.

Типичные препараты для замедления прогрессии болезни Альцгеймера связываются с амилоидными пептидами в соотношении 1:1 и малоэффективны. (В настоящее время на рынке нет препаратов, способных вылечить болезнь Альцгеймера). Несмотря на то, что такие соединения, как показано, препятствуют образованию фибрилл, ученые надеются, что неорганические наночастицы будут делать это более эффективно. Наночастицы могут ингибировать фибрилляцию амилоидного пептида в ничтожно малых количествах и с гораздо большим эффектом. Одна наночастица может захватить больше 100 амилоидных пептидов.

Хотя нанотехнологический подход обладает большим потенциалом, существует много проблем, включая подбор материала для наночастиц, который наряду с эффективностью должен демонстрировать биосовместимость и отсутствие токсичности. Не менее важно, что некоторые из уже изученных наночастиц, включая квантовые точки и углеродные нанотрубки, фактически скорее способствуют и даже ускоряют образование фибрилл, чем предотвращают его.

Ученые междисциплинарной группы из Университета Мичигана и южно-корейского Национального университета Kyungpook (Kyungpook National University) утверждают, что им удалось устранить, по крайней мере, некоторые из недостатков нанотехнологического подхода к блокированию бета-амилоидных пептидов. В исследовании, опубликованном в прошлом месяце в журнале Angewandte Chemie International Edition, исследователи описывают подавление фибрилляции с помощью наночастиц теллурида кадмия (CdTe), имеющих тетраэдрическую форму и отрицательный заряд.

«Мы решили посмотреть, как неорганические материалы могут повлиять на фибрилляцию амилоидных пептидов – небольших близких к белкам структур, образующих протяженные скопления, выглядящие как нановолокна», – говорит профессор Котов, руководивший исследованием. «Как амилоидные пептиды, так и наночастицы обладают выраженной способностью к самосборке в фибриллы. Мы были готовы к любому действию, оказываемому наночастицами на образование амилоидных фибрилл. И были очень рады наблюдать удивительный эффект подавления их образования, который открывает дорогу новым подходам к разработке лекарственных препаратов для предотвращения болезни Альцгеймера».

Надежда на наночастицы основывается на их
способности имитировать некоторые
биологические функции и проникать
через гематоэнцефалический барьер,
что позволяет им останавливать рост
блокирующих нейроны фибрилл лучше,
чем лекарственные препараты.
(Фото: Courtesy of the NIH National Institute on Aging)

Несмотря на то, что наночастицы теллурида кадмия не являются биосовместимыми и токсичны для организма, ученые выбрали их потому, что по размеру, электрическому заряду и поведению они напоминают некоторые из белков, доказавших свою эффективность в блокировании процесса фибрилляции. С помощью таких белков организм человека пытается предотвратить прогрессирование болезни Альцгеймера.

Кроме того, за плечами профессора Котова и его коллег многолетний опыт работы с этим материалом, и они хорошо знают его способность к самосборке. Для воздействия на фибрилляцию большое значение имеют размер и форма наночастиц. Например, округлая форма (как у углеродных нанотрубок) усиливает этот процесс. Но когда короткая цепочка амилоидных пептидов обертывается вокруг тетраэдрической наночастицы, ее острые кромки искажают их форму, предотвращая связывание с цепочкой дополнительных пептидов.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи смешали два раствора, один из которых содержал наночастицы CdTe, а другой – амилоидные пептиды, а затем проверили результат, используя атомно-силовую микроскопию, трансмиссионную электронную микроскопию и другие методы. То, что наночастицы «значительно подавляют фибрилляцию бета-амилоида», полностью подтвердилось.

Ученые считают, что их работа является своего рода планом для создания наночастиц из биосовместимых материалов со свойствами аналогичными свойствам наночастиц теллурида кадмия, особенно их структуре с острыми кромками. «Несмотря на тот факт, что наночастицы CdTe цитотоксичны и не могут быть использованы in vivo, эта модель показывает, что [наночаститцы] могут достичь равной или лучшей эффективности в подавлении фибрилляции, чем известные белки», – полагают исследователи.

Работа профессора Котова и его группы – важная ступень в доказательстве того, что наночастица для подавления фибрилляции бета-амилоида может быть найдена, считает Сара Бреннер (Sara Brenner), доцент нанобионаук и вице-президент Нанотехнологических Инициатив Университета в Олбани (University at Albany).

«Многие фундаментальные научные исследования, которые в конечном итоге могут дойти до клинических испытаний, начинаются с фундаментального понимания структуры и функции», – добавляет она.

Профессор химической инженерии
Университета Мичигана Николай Котов –
выпускник Московского государственного
университета, где впоследствии он защитил
кандидатскую диссертацию.
(Фото: www.engin.umich.edu)

Изучение того, как различные наноматериалы могут быть использованы в медицине, не слишком сильно отличается от более привычных подходов к разработке лекарственных препаратов и методов лечения, которые должны быть одобрены U.S. Food and Drug Administration, говорит Бреннер. «Разница состоит в том, что, если мы имеете дело с наномасштабом, за нами нет накопленной за сотни лет медицинской литературы и экспериментирования, показывающего, каковы могут быть результаты».

Профессор Котов знают это лучше, чем кто-либо другой. Сейчас он и его коллеги занимаются разработкой наночастиц, которые смогут успешно бороться с фибриллами, оставаясь при этом нетоксичными для живого организма. Кроме того, ученые хотят глубже понять поведение наночастиц в целом при их введении в кровь, в частности, как эти частицы переносятся в мозг. Это означает необходимость работы с врачами, заинтересованными в лучшем понимании эффекта наноразмерных структур на прогрессию болезни Альцгеймера.

Аннотация к статье

Mechanism of Fibrillation Inhibition of Amyloid Peptides by Inorganic Nanoparticles Reveals Functional Similarities with Proteins