Nanomaterialele care imită proteinele ar putea trata bolile neurodegenerative

Un nou nanomaterial care imită comportamentul proteinelor ar putea fi un tratament eficient pentru Alzheimer și alte boli neurodegenerative. Nanomaterialul modifică interacțiunea dintre două proteine cheie din celulele creierului, ceea ce ar putea avea un efect terapeutic puternic.

Rezultatele inovatoare, publicate recent în revista Advanced Materials, au fost posibile datorită unei colaborări între oamenii de știință de la Universitatea din Wisconsin-Madison și inginerii de nanomateriale de la Universitatea Northwestern.

Lucrarea se concentrează pe modificarea interacțiunii dintre două proteine despre care se crede că sunt implicate în dezvoltarea unor boli precum Alzheimer, Parkinson și scleroza laterală amiotrofică (SLA).

Prima proteină se numește Nrf2, un tip specific de proteină numită factor de transcripție care activează și dezactivează genele în interiorul celulelor.

Una dintre funcțiile importante ale Nrf2 este efectul său antioxidant. Deși diferite boli neurodegenerative apar din procese patologice diferite, acestea sunt unite de efectul toxic al stresului oxidativ asupra neuronilor și a altor celule nervoase. Nrf2 combate acest stres toxic în celulele creierului, ajutând la prevenirea dezvoltării bolilor.

Profesorul Jeffrey Johnson de la Facultatea de Farmacie a Universității din Wisconsin-Madison și soția sa, Delinda Johnson, cercetător științific principal la aceeași facultate, studiază Nrf2 de zeci de ani ca o țintă promițătoare pentru tratarea bolilor neurodegenerative. În 2022, soții Johnson și colegii lor au descoperit că creșterea activității Nrf2 într-un anumit tip de celulă cerebrală, astrocitele, ajută la protejarea neuronilor din modelele murine de boala Alzheimer, ducând la o reducere semnificativă a pierderilor de memorie.

Deși cercetările anterioare au sugerat că creșterea activității Nrf2 ar putea fi baza tratării bolii Alzheimer, oamenii de știință au întâmpinat dificultăți în a viza eficient proteina în creier.

„Este dificil să introduci medicamente în creier, dar a fost, de asemenea, foarte greu să găsești medicamente care activează Nrf2 fără multe efecte secundare”, spune Jeffrey Johnson.

Acum a apărut un nou nanomaterial. Cunoscut sub numele de polimer asemănător proteinelor (PLP), materialul sintetic este conceput să se lege de proteine ca și cum ar fi ea însăși o proteină. Această imitație la scară nanometrică a fost creată de o echipă condusă de Nathan Giannenchi, profesor de chimie la Universitatea Northwestern și membru al Institutului Internațional de Nanoștiințe al universității.

Giannecchi a conceput mai multe PLP-uri pentru a viza diferite proteine. Acest PLP anume este conceput pentru a modifica interacțiunea dintre Nrf2 și o altă proteină numită Keap1. Interacțiunea acestor proteine, sau calea de acțiune, este o țintă binecunoscută pentru tratamentul multor afecțiuni, deoarece Keap1 controlează momentul în care Nrf2 răspunde la stresul oxidativ și combate acesta. În condiții normale, Keap1 și Nrf2 sunt asociate, dar atunci când este stresat, Keap1 eliberează Nrf2 pentru a-și îndeplini funcția antioxidantă.

„Chiar în timpul unei conversații, Nathan și colegii săi de la Grove Biopharma, un startup axat pe direcționarea terapeutică a interacțiunilor proteinelor, i-au menționat lui Robert că plănuiau să vizeze Nrf2”, spune Johnson. „Iar Robert a spus: «Dacă ai de gând să faci asta, ar trebui să-l suni pe Jeff Johnson».”

Curând, Johnson și Giannenchi discutau posibilitatea ca laboratorul Universității din Wisconsin-Madison să furnizeze celulele cerebrale ale modelelor de șoareci necesare pentru a testa nanomaterialul lui Giannenchi.

Jeffrey Johnson spune că inițial a fost oarecum sceptic față de abordarea PLP, având în vedere lipsa sa de familiaritate cu aceasta și dificultatea generală de a viza cu precizie proteinele din celulele creierului.

„Dar apoi unul dintre studenții lui Nathan a venit aici și l-a folosit pe celulele noastre și, la naiba, a funcționat foarte bine”, spune el. „Apoi am aprofundat cu adevărat subiectul.”

Studiul a constatat că PLP-ul lui Giannecchi a fost extrem de eficient în legarea la Keap1, eliberând Nrf2 pentru a se acumula în nucleul celulelor, sporindu-i funcția antioxidantă. Important este că a făcut acest lucru fără a provoca efecte secundare nedorite care interferează cu alte strategii de activare a Nrf2.

Deși această lucrare a fost realizată pe celule în cultură, Johnson și Giannecchi intenționează acum să efectueze studii similare pe modele murine de boli neurodegenerative, o linie de cercetare pe care nu se așteptau să o urmeze, dar pe care acum sunt încântați să o urmeze.

„Nu avem expertiza necesară pentru a lucra cu biomateriale”, spune Delinda Johnson. „Așadar, faptul că am obținut acest lucru de la Northwestern și apoi am dezvoltat în continuare partea de biologie aici, la Universitatea din Wisconsin, arată că aceste tipuri de colaborări sunt cu adevărat importante.”