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紅外線雷射摧毀阿茲海默症模擬中的澱粉樣斑塊

紅外線雷射在阿茲海默症模擬中破壞澱粉樣斑塊
  • 在模擬中,紅外線雷射照射破壞了顯示阿茲海默症和帕金森氏症的澱粉樣蛋白斑塊積聚。 

  • 研究人員使用了一種已知能自行形成澱粉樣原纖維的酵母蛋白,並發現了解離原纖維的紅外線雷射的頻率。 

  • 這些結果可能表明一種治療神經退化性疾病的新療法。 

本文發表於東京理科大學媒體: 

模擬與實驗相結合的力量揭示了為什麼神經退化性疾病典型的蛋白質聚集體會在紅外線雷射照射下解離。 

蛋白質聚集成澱粉樣斑塊的結構是許多神經退化性疾病(包括阿茲海默症)的共同特徵。

現在,科學家透過實驗和模擬揭示,當紅外線雷射調諧到特定頻率時,其共振如何導致澱粉樣蛋白原纖維從內到外分解。 他們的發現為澱粉樣斑塊相關神經退化性疾病的新治療可能性打開了大門,而迄今為止,這些疾病仍無法治癒。

阿茲海默症和帕金森氏症等幾種神經退化性疾病的一個顯著特徵是形成含有澱粉樣蛋白聚集體(也稱為原纖維)的有害斑塊。

不幸的是,即使經過幾十年的研究,去除這些斑塊仍然是一項艱鉅的挑戰。 因此,患有這些疾病的患者可用的治療選擇是有限的並且不是很有效。

近年來,一些科學家不再使用藥物的化學途徑,而是轉向超音波等替代方法來破壞澱粉樣原纖維並阻止阿茲海默症的進展。

現在,由 Takayasu Kawasaki 博士(日本東京理科大學 IR-FEL 研究中心)和 Phuong H. Nguyen 博士(法國國家科學研究中心)領導的研究小組,包括來自愛知同步輻射中心的其他研究人員日本名古屋大學同步輻射研究中心使用新方法來展示紅外線雷射照射如何破壞澱粉樣原纖維。

他們的研究發表在 物理化學B學報,科學家們展示了雷射實驗和分子動力學模擬的結果。

由於每種方法都有其固有的局限性,這種對這個問題的雙管齊下的攻擊是必要的,正如川崎博士解釋的那樣,“雖然激光實驗與各種顯微鏡方法相結合可以提供有關激光照射後澱粉樣原纖維的形態和結構演化的訊息,這些實驗的空間和時間分辨率有限,因此無法充分理解潛在的分子機制。另一方面,雖然可以從分子模擬中獲得這些信息,但模擬中使用的雷射強度和照射時間與實際使用的有很大不同在實際實驗中,因此確定通過實驗和模擬獲得的激光誘導原纖維解離過程是否相似非常重要。”

科學家使用了酵母蛋白的一部分,該蛋白已知可以自行形成澱粉樣原纖維。 在雷射實驗中,他們將紅外線雷射光束的頻率調整到原纖維的「醯胺 I 波段」的頻率,從而產生共振。

掃描電子顯微鏡影像證實澱粉樣蛋白原纖維在共振頻率的雷射照射下分解,而光譜技術的組合揭示了原纖維解離後最終結構的細節。

在模擬中,研究人員採用了目前團隊的一些成員先前開發的一種技術,稱為「非平衡分子動力學(NEMD)模擬」。

其結果證實了實驗結果,並進一步闡明了整個澱粉樣蛋白解離過程的具體細節。 透過模擬,科學家觀察到該過程始於原纖維的核心,在那裡共振打破了分子間氫鍵,從而分離了聚集體中的蛋白質。 然後,對該結構的破壞向外擴散到原纖維的末端。

實驗和模擬共同為神經退化性疾病的新型治療可能性提供了良好的案例。 川崎博士評論道:「鑑於現有藥物無法減緩或逆轉阿茲海默症的認知障礙,因此非常需要開發非藥物方法。使用紅外線雷射解離澱粉樣原纖維的能力開闢了一種有前途的方法。 ”

該團隊的長期目標是建立一個將雷射實驗與 NEMD 模擬相結合的框架,以更詳細地研究原纖維解離過程,並且新的工作已經在進行中。 所有這些努力有望為那些治療阿茲海默症或其他神經退化性疾病的人點燃希望的燈塔。

這項研究發表在 物理化學雜誌 2020 年 6 月。 



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