Количество страдающих от болезни Альцгеймера оценивается в 44 миллионов человек. Однако до сих пор не разработана ни полноценная теория патогенеза, ни эффективная терапия. Поэтому заболевание сложно диагностировать на начальных этапах.
Известно, что болезнь Альцгеймера ассоциирована с агрегацией бета-амилоида в клетках. Учёные из Кембриджского университета показали, что выделение тепла сопровождает агрегацию бета-амилоида, а также повреждает нормальные белки. Исследование опубликовано в одном из самых престижных химических научных журналов мира — Journal of the American Chemical Society.
По данным Всемирной организации здравоохранения, болезнь Альцгеймера является причиной 60–70% случаев деменции. Несмотря на высокую частоту встречаемости заболевания, пока мало что известно о механизмах, которые запускают его развитие. Отчасти такое положение дел объясняется сложностью диагностики: болезнь развивается десятками лет, диагноз ставится не сразу, в худшем случае — при посмертном исследовании образцов ткани мозга.
При болезни Альцгеймера в клетке накапливаются патологические белки с нарушенной конформацией, которые имеют свойство «слипаться», или, иными словами, агрегировать. Основной белок, «ответственный» за агрегацию — один из видов бета-амилоида, Aβ42 (Amyloid β, состоящий из 42 пептидов). Точные причины агрегации этих белков пока неизвестны, но результаты агрегации — гибель нейронов и уменьшение объёма мозга. Симптомами болезни Альцгеймера выступают потеря памяти, изменения в личности пациента, сложности при выполнении повседневных действий.
Британских исследователей заинтересовало, как меняется внутриклеточная температура во время процесса агрегации, а также как на нее повлияет добавление небольших молекул, ингибирующих агрегацию.
Перед началом работы учёным пришлось разрешить ряд технических проблем. Прежде всего, для измерения внутриклеточной температуры нужны были сенсоры микроскопического размера. Так впервые при изучении болезни Альцгеймера были применены флуоресцентные полимерные термометры, которые флуоресцируют в разных спектрах — в зависимости от температуры.
Ещё один важный момент, учтённый исследователями: нагрев клетки может происходить в результате клеточного стресса — в этом случае нагрев возникает из-за нарушения работы митохондрий. Причём аналогичную реакцию можно получить, добавив в среду вещество с названием карбонилцианид p-(три-фторметокси)-фенилгидразон (FCCP). Оно воздействует на митохондрию таким образом, что энергия протонного градиента не может более тратиться на синтез АТФ и утилизируется в тепло. В одной из контрольных проб исследователи добавили FCCP, чтобы сравнить два случая, при которых происходит изменение температуры: при агрегации Aβ42 и при патологической работе митохондрий.
Было показано, что агрегация бета-амилоида вызывает увеличение температуры клетки, причём нагрев не связан с нарушением работы митохондрий. Как известно, температура влияет на правильность фолдинга (сворачивания) белка в его третичную структуру, а при сильном нагреве белковые структуры могут денатурировать — разрушаться. Например, яичный белок при нагреве денатурирует, меняя свои видимые характеристики. Возникает ситуация, когда тепло, выделившееся в результате агрегации патологического бета-амилоида, повреждает здоровые белки, которые тоже начинают агрегировать. Таким образом, нагрев играет роль в продолжении агрегации.
Также было показано, что при добавлении веществ, ингибирующих агрегацию, температура клетки понижалась. Это означает, что у использованных учеными соединений и их аналогов есть потенциал для терапии болезни Альцгеймера, а методика может применяться для скрининга потенциальных кандидатов на роль лекарственных соединений. Будет ли реализован этот потенциал, покажут дополнительные тесты и клинические испытания.
Помимо лабораторных экспериментов исследовательская группа представила математическую модель, которая описывает причины повышения температуры, а также процессы, происходящие с бета-амилоидом во внутриклеточной среде.
По мере того, как бета-амилоид начинает агрегировать, запускается процесс выделения энергии в виде тепла. Для начала агрегации бета-амилоида требуется довольно много энергии. Но, однажды начавшись, агрегация протекает с выделением тепла и возрастающей скоростью, включая в себя всё больше белков.
Сформировавшиеся агрегаты могут покинуть клетку и заразить соседние клетки, начав агрегацию бета-амилоида в них.
Текст: Лариса Позняк