p A doença de Alzheimer é a sexta causa de morte nos Estados Unidos, que afeta uma em cada 10 pessoas com mais de 65 anos. Os cientistas estão criando nanodispositivos para interromper os processos cerebrais que levam à doença. p Pessoas afetadas pela doença de Alzheimer têm um tipo específico de placa, feito de moléculas automontadas chamadas de peptídeos β-amiloides (Aβ), que se acumulam no cérebro com o tempo. Acredita-se que esse acúmulo contribua para a perda de conectividade neural e morte celular. Os pesquisadores estão estudando maneiras de evitar que os peptídeos formem essas placas perigosas, a fim de interromper o desenvolvimento da doença de Alzheimer no cérebro.

p Em um estudo multidisciplinar, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), juntamente com colaboradores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST) e do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), desenvolveram uma abordagem para prevenir a formação de placas ao projetar um dispositivo de tamanho nanométrico que captura os perigosos peptídeos antes que eles possam se automontar.

p "Os peptídeos β-amiloides surgem da quebra de uma proteína precursora de amiloide, um componente normal das células cerebrais, "disse Rosemarie Wilton, um biólogo molecular na divisão de biociências da Argonne. "Em um cérebro saudável, esses peptídeos descartados são eliminados. "

p Em cérebros propensos ao desenvolvimento de Alzheimer, Contudo, o cérebro não elimina os peptídeos, deixando-os conglomerados em placas destrutivas.

p "A ideia é que, eventualmente, uma pasta de nossos nanodispositivos pode coletar os peptídeos conforme eles caem das células - antes que eles tenham a chance de se agregar, "adicionou Elena Rozhkova, um cientista do Centro de Materiais em nanoescala (CNM) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility.

p Decorar a superfície

p Os pesquisadores cobriram a superfície do novo nanodispositivo com fragmentos de um anticorpo - um tipo de proteína - que reconhece e se liga aos peptídeos Aβ. A superfície do nanodispositivo é esférica e porosa, e suas crateras maximizam a área de superfície disponível para os anticorpos cobrirem. Mais área de superfície significa mais capacidade para capturar os peptídeos pegajosos.

p Para encontrar o revestimento ideal, os cientistas primeiro pesquisaram a literatura anterior para identificar anticorpos que têm alta afinidade para os peptídeos Aβ. Era importante escolher um anticorpo que atrai os peptídeos, mas não se liga a outras moléculas do cérebro. Então a equipe, liderado por Wilton, produziu os anticorpos em bactérias e testou seu desempenho.

p Uma molécula de anticorpo completa pode ter até algumas dezenas de nanômetros de comprimento, que é grande no reino da nanotecnologia. Contudo, apenas uma fração desse anticorpo está envolvida na atração dos peptídeos. Para maximizar a eficácia e capacidade dos nanodispositivos, O grupo de Wilton produziu minúsculos fragmentos de anticorpos para decorar a superfície do nanodispositivo.

p Engenharia e teste do nanodispositivo

p Os cientistas da CNM construíram a base do poroso, nanodispositivos esféricos de sílica, um material há muito utilizado em aplicações biomédicas devido à sua flexibilidade de síntese e não toxicidade para o corpo. Revestido com os fragmentos de anticorpo, os nanodispositivos capturam e prendem os peptídeos Aβ com alta seletividade e força.

p "Muitas tentativas de prevenir a doença de Alzheimer se concentraram na inibição de enzimas que cortam os peptídeos β-amilóides da superfície da célula, "disse Rozhkova, que liderou o projeto na CNM. "Nossa abordagem de eliminação é mais direta. Pegamos blocos de construção de nanotecnologia e biologia para projetar uma 'gaiola' de alta capacidade que captura os peptídeos e os elimina do cérebro."

p Na CNM, os cientistas testaram a eficácia dos dispositivos comparando como os peptídeos se comportavam na ausência e na presença dos nanodispositivos. Usando microscopia eletrônica de transmissão in vitro (TEM), eles observaram um declínio notável na agregação de peptídeos na presença dos nanodispositivos. Eles analisaram ainda mais as interações usando microscopia confocal de varredura a laser e medição de termoforese em microescala, duas técnicas adicionais para caracterizar interações em nanoescala.

p Os cientistas também realizaram o espalhamento de raios-X de baixo ângulo para estudar os processos que tornam os nanodispositivos porosos durante a síntese. Os pesquisadores realizaram a caracterização de raios-X, liderado por Byeongdu Lee, um líder de grupo na divisão de ciência de raios-X de Argonne, na linha de luz 12-ID-B da Advanced Photon Source (APS) do laboratório, um DOE Office of Science User Facility.

p Esses estudos apoiaram o caso de que os nanodispositivos sequestram os peptídeos do caminho para a agregação em mais de 90 por cento em comparação com as partículas de sílica de controle sem os fragmentos de anticorpo. Contudo, os dispositivos ainda precisavam demonstrar sua eficácia e segurança dentro das células e cérebros.

p Joonseok Lee - que originalmente propôs este experimento em Argonne como Diretor de Pós-Doutorado nomeado e foi o pioneiro no design do nanodispositivo - continuou o estudo do potencial terapêutico deste dispositivo no KIST e KAIST.

p "The Director's Postdoctoral Position is a rare opportunity offered at Argonne that allows for unique research projects and cross-field collaborations that might not otherwise be possible, " said Rozhkova. "We have incredible minds at the lab who want to explore topics that don't fall under a predefined area of research, and this program encourages this creativity and innovation."

p The in vivo experiments—experiments that took place in living cells—performed by Lee and his collaborators showed that the nanodevices are nontoxic to cells. They also tested the effectiveness of the devices in the brains of mice with Alzheimer's, demonstrating around 30 percent suppression of plaque formation in brains containing the nanodevices compared to control brains. The research on mice was conducted at KIST and KAIST in South Korea with appropriate government approvals.

p This study combined the strengths of antibody engineering and nanotechnology, the power of two DOE User Facilities at Argonne and innovative collaboration resulting from the laboratory's postdoctoral program to explore a technological approach to preventing Alzheimer's.

p Using a similar approach, scientists may also be able to pair the silica nanoparticles with different antibodies that target molecules related to other neurodegenerative diseases, such as Huntington's disease and Parkinson's disease, which also involve abnormal protein aggregation. The porous nanoparticles may be further upgraded for use in imaging applications including fluorescent imaging and magnetic resonance imaging.

p A paper on the research, titled "Silica nanodepletors:Targeting and clearing Alzheimer's β-amyloid plaques", was published in the April issue of Materiais Funcionais Avançados and was featured on its cover.