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Infrarotlaser zerstören Amyloid-Plaques in Alzheimer-Simulationen

infrarotlaser zerstören Amyloid-Plaques in Alzheimer-Simulationen
  • In Simulationen zerstörte Infrarot-Laserbestrahlung die Bildung von Amyloid-Plaques, die auf Alzheimer und Parkinson hinweisen. 

  • Die Forscher verwendeten ein Hefeprotein, von dem bekannt ist, dass es selbst Amyloidfibrillen bildet, und ermittelten die Frequenz des Infrarotlasers, der die Fibrillen auflöst. 

  • Diese Ergebnisse könnten auf eine neuartige Therapie neurodegenerativer Erkrankungen hinweisen. 

Dieser Artikel wurde auf den Medien der Tokyo University of Science veröffentlicht: 

Die Leistungsfähigkeit von Simulationen in Kombination mit Experimenten zeigt, warum für neurodegenerative Erkrankungen typische Proteinansammlungen durch Infrarot-Laserbestrahlung aufgelöst werden. 

Die Agglomeration von Proteinen zu Strukturen, die Amyloid-Plaques genannt werden, ist ein gemeinsames Merkmal vieler neurodegenerativer Erkrankungen, einschließlich Alzheimer.

Jetzt enthüllen Wissenschaftler durch Experimente und Simulationen, wie die Resonanz eines Infrarotlasers, wenn er auf eine bestimmte Frequenz eingestellt ist, dazu führt, dass Amyloidfibrillen von innen nach außen zerfallen. Ihre Erkenntnisse eröffnen neue therapeutische Möglichkeiten für bisher unheilbare neurodegenerative Erkrankungen im Zusammenhang mit Amyloid-Plaques.

Ein bemerkenswertes Merkmal mehrerer neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson ist die Bildung schädlicher Plaques, die Aggregate – auch Fibrillen genannt – von Amyloidproteinen enthalten.

Leider ist die Entfernung dieser Plaques auch nach jahrzehntelanger Forschung immer noch eine Herkulesherausforderung. Daher sind die Behandlungsmöglichkeiten für Patienten mit diesen Erkrankungen begrenzt und nicht sehr wirksam.

Anstatt den chemischen Weg mit Medikamenten einzuschlagen, haben sich einige Wissenschaftler in den letzten Jahren alternativen Ansätzen wie Ultraschall zugewandt, um Amyloidfibrillen zu zerstören und das Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit zu stoppen.

Jetzt ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Takayasu Kawasaki (IR-FEL-Forschungszentrum, Universität der Wissenschaften Tokio, Japan) und Dr. Phuong H. Nguyen (Centre National de la Recherche Scientifique, Frankreich), darunter auch andere Forscher des Aichi Synchrotron Radiation Center und das Synchrotron Radiation Research Center der Universität Nagoya, Japan, hat mithilfe neuartiger Methoden gezeigt, wie Infrarotlaserbestrahlung Amyloidfibrillen zerstören kann.

In ihrer Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift für Physikalische Chemie Bpräsentieren die Wissenschaftler Ergebnisse von Laserexperimenten und Molekulardynamiksimulationen.

Dieser zweigleisige Angriff auf das Problem war aufgrund der inhärenten Einschränkungen jedes Ansatzes notwendig, wie Dr. Kawasaki erklärt: „Während Laserexperimente in Verbindung mit verschiedenen Mikroskopiemethoden Informationen über die Morphologie und strukturelle Entwicklung von Amyloidfibrillen nach Laserbestrahlung liefern können, Diese Experimente haben eine begrenzte räumliche und zeitliche Auflösung und verhindern so ein vollständiges Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen. Andererseits können diese Informationen zwar aus molekularen Simulationen gewonnen werden, die in Simulationen verwendete Laserintensität und Bestrahlungszeit unterscheiden sich jedoch stark von den verwendeten in tatsächlichen Experimenten. Es ist daher wichtig festzustellen, ob der durch Experimente und Simulationen ermittelte Prozess der laserinduzierten Fibrillendissoziation ähnlich ist.“

Die Wissenschaftler verwendeten einen Teil eines Hefeproteins, von dem bekannt ist, dass es selbst Amyloidfibrillen bildet. In ihren Laserexperimenten stimmten sie die Frequenz eines Infrarotlaserstrahls auf die der „Amid-I-Bande“ der Fibrille ab und erzeugten so Resonanz.

Rasterelektronenmikroskopische Bilder bestätigten, dass sich die Amyloidfibrillen bei Laserbestrahlung bei der Resonanzfrequenz zerlegten, und eine Kombination von Spektroskopietechniken enthüllte Details über die endgültige Struktur nach der Fibrillendissoziation.

Für die Simulationen verwendeten die Forscher eine Technik, die einige Mitglieder des aktuellen Teams zuvor entwickelt hatten und die als „Nichtgleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen (NEMD)“ bezeichnet wird.

Seine Ergebnisse bestätigten die des Experiments und klärten darüber hinaus den gesamten Amyloid-Dissoziationsprozess bis in sehr spezifische Details auf. Durch die Simulationen beobachteten die Wissenschaftler, dass der Prozess im Kern der Fibrille beginnt, wo die Resonanz intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen aufbricht und so die Proteine ​​im Aggregat trennt. Die Störung dieser Struktur breitet sich dann nach außen bis zu den Enden der Fibrille aus.

Zusammen ergeben das Experiment und die Simulation gute Argumente für eine neuartige Behandlungsmöglichkeit für neurodegenerative Erkrankungen. Dr. Kawasaki bemerkt: „Angesichts der Unfähigkeit vorhandener Medikamente, die kognitive Beeinträchtigung bei der Alzheimer-Krankheit zu verlangsamen oder umzukehren, ist die Entwicklung nicht-pharmazeutischer Ansätze sehr wünschenswert. Die Fähigkeit, Infrarotlaser zur Dissoziation von Amyloidfibrillen einzusetzen, eröffnet einen vielversprechenden Ansatz.“ "

Das langfristige Ziel des Teams besteht darin, einen Rahmen zu schaffen, der Laserexperimente mit NEMD-Simulationen kombiniert, um den Prozess der Fibrillendissoziation noch detaillierter zu untersuchen, und neue Arbeiten sind bereits im Gange. All diese Bemühungen werden hoffentlich ein Hoffnungsschimmer für diejenigen sein, die mit Alzheimer oder anderen neurodegenerativen Erkrankungen zu kämpfen haben.

Diese Studie wurde im veröffentlicht Zeitschrift für Physikalische Chemie im Juni 2020. 



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