Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một nanodevice với khả năng ngăn chặn các peptide hình thành các mảng nguy hiểm trong não để ngăn chặn sự phát triển của bệnh Alzheimer.
Bệnh Alzheimer là nguyên nhân gây tử vong đứng hàng thứ sáu ở Hoa Kỳ, ảnh hưởng đến 1/10 người trên 65 tuổi. Các nhà khoa học đang chế tạo các nanodevice để phá vỡ các quá trình trong não dẫn đến bệnh.
Những người bị ảnh hưởng bởi bệnh Alzheimer có một loại mảng bám cụ thể được tạo thành từ các phân tử tự lắp ráp được gọi là peptide β-amyloid (Aβ), tích tụ trong não theo thời gian. Sự tích tụ này được cho là góp phần làm mất kết nối thần kinh và chết tế bào. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các cách để ngăn chặn các peptide hình thành các mảng nguy hiểm này để ngăn chặn sự phát triển của bệnh Alzheimer trong não.
Trong một nghiên cứu đa ngành, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cùng với các cộng tác viên của Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) và Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã phát triển một cách tiếp cận để ngăn chặn sự hình thành mảng bám bằng cách chế tạo một thiết bị có kích thước nano thu giữ các peptide nguy hiểm trước khi chúng có thể tự lắp ráp.
Rosemarie Wilton, một nhà sinh học phân tử thuộc bộ phận sinh học của Argonne chia sẻ: “Các peptide β-amyloid phát sinh từ sự phân hủy protein tiền chất amyloid, một thành phần bình thường của các tế bào não. Trong một bộ não khỏe mạnh, những peptide bị loại bỏ này”.
Tuy nhiên, trong bộ não có xu hướng phát triển bệnh Alzheimer, não không loại bỏ các peptide khiến chúng tập hợp lại thành các mảng phá hoại.
“Ý tưởng là cuối cùng, một loạt các nanodevice của chúng ta có thể thu thập các peptide khi chúng rơi ra khỏi các tế bào – trước khi chúng có cơ hội tổng hợp,” Elena Rozhkova, một nhà khoa học tại Trung tâm Vật liệu nano, Văn phòng Sở Khoa học Người dùng DOE của Argonne (CNM) nói thêm.
Trang trí bề mặt
Các nhà nghiên cứu đã phủ lên bề mặt của nanodevice mới bằng những mảnh kháng thể – một loại protein – nhận biết và liên kết với các peptide Aβ. Bề mặt của nanodevice có dạng hình cầu và xốp, và các miệng hố của nó tối đa hóa diện tích bề mặt có sẵn cho các kháng thể bao phủ. Diện tích bề mặt nhiều hơn có nghĩa là nhiều khả năng hơn để bắt các peptide dính.
Để tìm ra lớp phủ tối ưu, trước tiên các nhà khoa học đã tìm kiếm tài liệu trước đó để xác định các kháng thể có ái lực cao với các peptide Aβ. Điều quan trọng là chọn một kháng thể thu hút các peptide nhưng không liên kết với các phân tử khác trong não. Sau đó, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Wilton đã tạo ra các kháng thể trong vi khuẩn và kiểm tra hiệu suất của chúng.
Một phân tử kháng thể đầy đủ có thể dài tới vài chục nanomet, rất lớn trong lĩnh vực công nghệ nano. Tuy nhiên, chỉ một phần của kháng thể này có liên quan đến việc thu hút các peptide. Để tối đa hóa hiệu quả và khả năng của các nanodevice, nhóm của Wilton đã tạo ra các mảnh nhỏ của các kháng thể để trang trí bề mặt của nanodevice.
Kỹ thuật và thử nghiệm nanodevice
Các nhà khoa học tại CNM đã chế tạo cơ sở của các hạt nano xốp, hình cầu từ silica, một vật liệu đã được sử dụng từ lâu trong các ứng dụng y sinh do tính linh hoạt của nó trong tổng hợp và không độc hại trong cơ thể. Được bọc bằng các mảnh kháng thể, các nanodevice bắt và bẫy các peptide Aβ với độ chọn lọc và độ bền cao.
Rozhkova, người đứng đầu dự án tại CNM cho biết: “Nhiều nỗ lực ngăn ngừa bệnh Alzheimer đã tập trung vào việc ức chế các enzyme cắt các peptide β-amyloid khỏi bề mặt tế bào. Cách tiếp cận loại bỏ của chúng tôi là trực tiếp hơn. Chúng tôi đã lấy các khối xây dựng từ công nghệ nano và sinh học để chế tạo một ‘chiếc lồng’ công suất cao, bẫy các peptide và loại bỏ chúng khỏi não.”
Tại CNM, các nhà khoa học đã kiểm tra tính hiệu quả của các thiết bị bằng cách so sánh cách các peptide hoạt động trong sự vắng mặt và hiện diện của các nanodevice. Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền trong ống nghiệm (TEM), họ đã quan sát thấy sự suy giảm đáng chú ý trong tập hợp peptide với sự hiện diện của các nanodevice. Họ đã phân tích thêm các tương tác bằng kính hiển vi quét laser đồng tiêu và phép đo nhiệt độ vi mô, hai kỹ thuật bổ sung để mô tả các tương tác ở cấp độ nano.
Các nhà khoa học cũng thực hiện tán xạ tia X góc nhỏ để nghiên cứu các quá trình làm cho các nanodevice xốp trong quá trình tổng hợp. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện đặc tính hóa tia X, dẫn đầu bởi Byeongdu Lee, trưởng nhóm trong bộ phận Khoa học tia X của Argonne, tại chùm tia 12-ID-B của Nguồn Photon nâng cao của phòng thí nghiệm (APS), Văn phòng người dùng khoa học DOE.
Các nghiên cứu này đã hỗ trợ cho trường hợp các nanodevice sắp xếp các peptide từ con đường đến tập hợp hơn 90% so với các hạt silica đối chứng mà không có các mảnh kháng thể. Tuy nhiên, các thiết bị vẫn cần thiết để chứng minh tính hiệu quả và an toàn của chúng trong các tế bào và bộ não.
Joonseok Lee – người ban đầu đề xuất thí nghiệm này tại Argonne với tư cách là Giám đốc sau tiến sĩ của Giám đốc và tiên phong thiết kế cho nanodevice – tiếp tục nghiên cứu về tiềm năng trị liệu của thiết bị này tại KIST và KAIST.
Vị trí sau tiến sĩ của Giám đốc là một cơ hội hiếm có được cung cấp tại Argonne, cho phép các dự án nghiên cứu độc đáo và hợp tác xuyên lĩnh vực mà có thể không thể thực hiện được. Nhóm của Rozhkova có những bộ óc đáng kinh ngạc tại phòng thí nghiệm muốn khám phá các chủ đề không thuộc lĩnh vực nghiên cứu được xác định trước và chương trình này khuyến khích sự sáng tạo và đổi mới này.
Các thí nghiệm trong viv o – thí nghiệm diễn ra trong các tế bào sống – được thực hiện bởi Lee và các cộng tác viên của ông cho thấy rằng các nanodevice không độc hại với các tế bào. Họ cũng đã kiểm tra tính hiệu quả của các thiết bị trong não của những con chuột mắc bệnh Alzheimer, cho thấy sự ức chế khoảng 30% sự hình thành mảng bám trong não chứa các nanodevice so với não điều khiển. Nghiên cứu trên chuột được thực hiện tại KIST và KAIST ở Hàn Quốc với sự chấp thuận của chính phủ.
Nghiên cứu này kết hợp các thế mạnh của kỹ thuật kháng thể và công nghệ nano, sức mạnh của hai Cơ sở Người dùng DOE tại Argonne và sự hợp tác sáng tạo từ chương trình sau tiến sĩ của phòng thí nghiệm để khám phá phương pháp công nghệ để ngăn ngừa bệnh Alzheimer.
Sử dụng một phương pháp tương tự, các nhà khoa học cũng có thể ghép các hạt nano silica với các kháng thể khác nhau nhắm vào các phân tử liên quan đến các bệnh thoái hóa thần kinh khác như bệnh Huntington và bệnh Parkinson, cũng liên quan đến sự tổng hợp protein bất thường. Các hạt nano xốp có thể được nâng cấp hơn nữa để sử dụng trong các ứng dụng hình ảnh bao gồm hình ảnh huỳnh quang và hình ảnh cộng hưởng từ.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Argonne . Bản gốc được viết bởi Savannah Mitchem. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :