Forscher der Universität Kanazawa berichten in Nano-Buchstaben wie Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie zu Erkenntnissen über Prozesse führt, die für die Alzheimer-Krankheit relevant sind. Darüber hinaus erweist sich die Technik als hervorragendes Instrument zur Untersuchung der Wirkung von Medikamenten gegen die Krankheit.
Der Amyloid-Hypothese zufolge wird die Alzheimer-Krankheit – die häufigste Form der Demenz – durch Fehler in der Produktion, Ansammlung und Entsorgung von Amyloid-beta (Aβ) im Gehirn verursacht. Aβ bezieht sich auf eine Gruppe von Peptiden (Proteinfragmenten), die im Laufe der Zeit Plaques im Gehirn von Menschen mit Alzheimer bilden. Es wurden Medikamente entwickelt, die darauf abzielen, die Aggregation von Aβ zu reduzieren, doch neuere Erkenntnisse zeigen, dass verschiedene Arten von Aβ-Aggregaten unterschiedliche Beiträge zur Entstehung der Alzheimer-Krankheit leisten.
Insbesondere Zwischenaggregate wie Protofibrillen sind toxischer als die eigentlichen Endfibrillen, den Hauptbestandteil von Aβ-Plaques. Für die weitere Entwicklung wirksamer Medikamente gegen die Alzheimer-Krankheit ist daher ein genaues Verständnis der komplexen Aggregationswege notwendig. Kenjiro Ono von der Universität Kanazawa und Kollegen ist es nun gelungen, die Strukturdynamik von Protofibrillen sowie die Wirkung eines kürzlich entwickelten Medikaments auf Basis von Anti-Aβ-Antikörpern sichtbar zu machen.
HS-AFM-Film von Aβ42 PF auf blankem Glimmer. Kredit: Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00187
Die Wissenschaftler untersuchten die Entstehung und Struktur von Aβ-Protofibrillen mittels Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (HS-AFM). Die letztgenannte Methode hat sich in den letzten Jahren zu einem leistungsstarken Nano-Bildgebungsinstrument zur Untersuchung von Biomolekülen und ihrer Dynamik mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung entwickelt. HS-AFM-Beobachtungen zeigten, dass Protofibrillen eine Knotenstruktur mit stabilen Strukturmerkmalen – insbesondere dem Bindungswinkel zwischen Knoten – über mehrere Proben hinweg aufweisen. Wichtig ist, dass sich diese Knotenstruktur von echten, reifen Fibrillen unterscheidet, die eine helikale Struktur haben.
Anschließend untersuchten Ono und Kollegen die Dissoziation von Protofibrillen. Sie fanden heraus, dass die Länge der Protofibrillen von ihrer Konzentration abhängt, was darauf hindeutet, dass Aggregate spontan dissoziieren können.
Um detaillierte Einblicke in die Wirkungsweise von Anti-Aβ-Antikörper-Medikamenten zu erhalten, untersuchten die Forscher die Bindung zwischen Aβ-Protofibrillen und einem neuen Medikament namens Lecanemab. Sie fanden heraus, dass die Bindungsfähigkeit (Affinität) von Lecanemab für Protofibrillen nahezu unabhängig von der Größe der Protofibrillen ist – mit anderen Worten, die Affinität variiert während des Aggregationsprozesses nicht wesentlich. HS-AFM-Beobachtungen zeigten außerdem, dass Lecanemab die Oberfläche kleiner Prä-Protofibrillen-Aggregate bedeckt. Dadurch hemmt das Medikament die weitere Aggregation zu Protofibrillen, was wiederum die Bildung richtiger Aβ-Fibrillen und -Plaques verhindert.
Die Ergebnisse von Ono und Kollegen liefern direkte Beweise für einen Mechanismus, durch den ein Antikörper-Medikament in den Aβ-Aggregationsprozess eingreift. Generell bestätigt die Arbeit die Vielseitigkeit der HS-AFM-Methode zur Untersuchung biochemischer Pfade. „Einzelmolekül-HS-AFM ist ein wirksames Werkzeug, um die strukturelle Dynamik vorübergehender, metastabiler Amyloid-Aggregationszwischenprodukte und die Auswirkungen von Anti-Aggregations-Medikamenten auf sie aufzudecken“, erklären die Forscher.
Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie
Das allgemeine Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM) besteht darin, eine sehr kleine Spitze die Oberfläche einer Probe abtasten zu lassen. Während dieses horizontalen (xy) Scans folgt die Spitze, die an einem kleinen Ausleger befestigt ist, dem vertikalen (z) Profil der Probe und übt eine messbare Kraft auf den Ausleger aus. Die Größe der Kraft an der xy-Position kann mit dem z-Wert in Beziehung gesetzt werden; Die bei einem Scan erzeugten xyz-Daten ergeben dann eine Höhenkarte, die Strukturinformationen über die untersuchte Probe liefert. Beim Hochgeschwindigkeits-AFM (HS-AFM) ist das Funktionsprinzip etwas komplizierter: Der Cantilever wird in der Nähe seiner Resonanzfrequenz in Schwingungen versetzt. Wenn die Spitze um eine Oberfläche bewegt wird, werden die Schwankungen der Amplitude (oder der Frequenz) der Schwingung des Auslegers – die sich aus der Wechselwirkung der Spitze mit der Oberfläche der Probe ergeben – aufgezeichnet, da diese ein Maß für den lokalen „z“-Wert liefern.
HS-AFM führt zu einem Video, bei dem das Zeitintervall zwischen den Bildern von der Geschwindigkeit abhängt, mit der ein einzelnes Bild generiert werden kann (durch xy-Scannen der Probe). Forscher der Universität Kanazawa haben HS-AFM in den letzten Jahren weiterentwickelt, sodass es zur Untersuchung biochemischer Moleküle und biomolekularer Prozesse in Echtzeit eingesetzt werden kann. Kenjiro Ono und Kollegen haben die Methode nun angewendet, um die Strukturdynamik von Amyloid-Beta-Protofibrillen zu untersuchen, die bekanntermaßen eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit spielen, sowie die Wirkung eines Anti-Amyloid-Beta-Antikörper-Medikaments gegen die Krankheit .
Mehr Informationen:
Takahiro Watanabe-Nakayama et al., Strukturelle Dynamik von Amyloid-β-Protofibrillen und Wirkungen von Anti-Amyloid-β-Antikörpern, beobachtet durch Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00187