Behandling med nanomaterialet grafenoxid kan minska den skadliga process som stör hjärnans funktioner vid Alzheimers sjukdom. Det visar en studie på jästceller.
Alzheimers sjukdom är en obotlig hjärnsjukdom som leder till demens och död, och orsakar stort lidande hos både drabbade och närstående. Över 40 miljoner människor världen över uppskattas leva med sjukdomen eller någon form av demens.
Den underliggande orsaken till Alzheimers sjukdom anses vara att felveckade proteiner, så kallade amyloid-beta-peptider, bildar ansamlingar eller aggregat i hjärnan.
Aggregaten som även kallas amyloida plack utlöser en rad skadliga processer i hjärncellerna, neuronerna. Detta leder till celldöd och förlorad hjärnfunktion i det drabbade området.
Hittills finns inga effektiva strategier för att behandla amyloid-ansamling i hjärnan.
Så påverkas cellerna vid demenssjukdomen
Vid Alzheimers sjukdom orsakar amyloid-ansamling bland annat störningar i cellernas metabolism, det vill säga ämnesomsättning.
Detta skapar stress i endoplasmatiskt retikulum – en del av cellen där många av dess proteiner tillverkas. Det kan minska cellernas förmåga att hantera felveckade proteiner, och därför öka ansamlingen av dessa proteiner.
Aggregaten påverkar också funktionen hos mitokondrierna, som är cellernas energikraftverk. Därmed utsätts neuronerna för en ökad oxidativ stress, vilket innebär att vissa molekyler, så kallade syreradikaler, skadar andra molekyler – något som hjärnceller är extra känsliga för.
Nanomaterial minskar ansamling
Forskare på Chalmers tekniska högskola har nu visat att behandling med nanomaterialet grafenoxid leder till minskade nivåer av ansamlade amyloidpeptider.
– Denna effekt av grafenoxid har nyligen visats även av andra forskare, men inte i jästceller. Vår studie förklarar också mekanismen bakom effekten. Grafenoxid påverkar cellernas metabolism, på ett sätt som ökar deras motståndskraft mot felveckade proteiner och oxidativ stress. Detta har inte visats tidigare, säger forskaren Xin Chen vid Chalmers.
Studien har gjorts genom en kombination av proteinanalys och kompletterande experiment. Forskarna har använt bagerijäst som modell för mänskliga celler.
– Cellerna i vår jästmodell liknar neuroner som drabbas av ansamling av amyloid-beta42, den form av amyloidpeptider som är mest benägen att bilda aggregat. Dessa celler åldras snabbare än normalt och uppvisar stress i endoplasmatiskt retikulum, störd mitokondriefunktion och ökad produktion av skadliga reaktiva syreradikaler, säger forskaren Xin Chen vid Chalmers.
Nanoflagor kan gynna nedbrytning
Grafenoxid-nanoflagor används flitigt i olika forskningsprojekt för att till exempel utveckla cancerbehandlingar, målstyrda läkemedelsleveranser i kroppen och biosensorer. De utgör ett tvådimensionellt material av kol och har mycket stor ledningsförmåga.
Nanoflagorna är vattenlösliga och interagerar gärna med biomolekyler som till exempel proteiner. När grafenoxid kommer in i levande celler har det förmågan att påverka veckningen av proteiner.
– Nanoflagorna kan därför störa ansamlingen av proteiner. De kan även främja nedbrytning av aggregat som redan har bildats, säger forskaren Santosh Pandit vid Chalmers.
Forskarna tror att nanoflagorna verkar via två olika processer – som är oberoende av varandra – för att mildra de skadliga effekterna av felveckade proteiner i jästcellerna.
I den ena processen verkar grafenoxid direkt för att hindra ansamlingen av amyloid-beta42. I den andra agerar materialet indirekt genom en för närvarande okänd mekanism där specifika gener för stressrespons aktiveras. Då ökar cellens förmåga att hantera felveckade proteiner och oxidativ stress.
Väcker hopp om framtida behandling
Gåtan Alzheimers sjukdom är långt ifrån löst, men Chalmersforskarna menar att grafenoxid har stor potential för framtida behandling av neurodegenerativa sjukdomar.
– Nästa steg är att testa om det finns möjlighet att utveckla system baserade på grafenoxid för leverans av läkemedel in i celler vid Alzheimers sjukdom.Vi vill också undersöka om grafenoxid har gynnsamma effekter i ytterligare modeller för neurodegenerativa sjukdomar, som Parkinsons sjukdom, säger Xin Chen.
Mer om proteiner och peptider
Proteiner och peptider är i grunden samma typ av molekyl, och består av aminosyror. Peptidmolekyler är mindre – vanligtvis utgörs de av färre än 50 aminosyror – och har en mindre komplicerad struktur. Både proteiner och peptider kan bli deformerade om de veckar sig på fel sätt när de tillverkas i cellen. När många amyloid-beta-peptider ansamlas i hjärnan klassificeras aggregaten som proteiner.
Vetenskaplig studie:
Graphene Oxide Attenuates Toxicity of Amyloid-β Aggregates in Yeast by Promoting Disassembly and Boosting Cellular Stress Response, Advanced Functional Materials.
Kontakt:
Xin Chen, forskare vid avdelningen för systembiologi, institutionen för life sciences på Chalmers tekniska högskola, cxin@chalmers.se
Santosh Pandit, forskare vid avdelningen för systembiologi, institutionen för life sciences på Chalmers tekniska högskola, pandit@chalmers.se
