Bilderna för tankarna till galaxer eller färgskimrande gasmoln långt ute i universum. Men de föreställer inte avlägsna objekt i rymden, utan mikroskopiskt små skador i hjärnan som färgats in med spårarmolekyler som utvecklats av forskare vid LiU. Vid flera sjukdomstillstånd i hjärnan bildas långa fibrer av proteiner, som med tiden trasslar ihop sig till klumpar, eller plack. Vid demenssjukdomen Alzheimers sjukdom består placken oftast av felveckade varianter av proteinerna amyloid-beta och tau. Proteinerna kan veckas på olika sätt och bilda flera olika 3-dimensionella strukturer. Detta trots att proteinet är uppbyggt av exakt samma aminosyror i samma ordningsföljd.
– I normala fall hänger ett proteins struktur och funktion väldigt tätt samman. En sekvens ger en struktur och en funktion. Men när det handlar om felveckade proteiner får man ett protein med flera olika strukturer och vi tror att de har olika toxiska funktioner. De här felveckade proteinerna kan omvandla andra molekyler till kopior av sig själva och de kan vara mycket svåra för kroppen att bryta ner. Vi tror att vissa strukturer är mer skadliga än andra, säger Per Hammarström, professor i proteinkemi vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM.
Nu har forskarnas spårarmolekyler för första gången använts för att undersöka mänskliga hjärnor. Resultaten av det internationella samarbetsprojektet, som har letts av forskare vid University of Tübingen i Tyskland, publiceras i den ansedda tidskriften PNAS. I studien har forskarna studerat hjärnvävnad från 40 personer som har avlidit i olika varianter av Alzheimers sjukdom. Sjukdomsbilden skiljer sig åt mellan olika individer och forskarna ville undersöka om den stora variationen är kopplad till olika veckningstyper. De molekyler som används i dag för att hitta amyloidplack i hjärnan färgar in den totala mängden amyloidaggregat och kan ge svar på om det finns amyloidplack eller inte.
LiU-forskarnas molekyler är känsligare än de traditionella infärgningsmetoderna och kan signalera att det finns olika typer av aggregat där proteinet är veckat i olika strukturer. Forskarna tittade på felveckat protein i plackets kärna.
– Det som är nytt här är att man ser att det är väldigt varierande. Det är inte en veckningstyp av amyloid-beta i en individ, utan det finns många olika, säger Per Hammarström.
Det är fortfarande oklart vad skillnaderna mellan de olika veckningstyperna innebär. Det behövs mer forskning för att få reda på om skillnaderna i struktur är kopplade till andra egenskaper hos placken och sjukdomsförloppet hos patienterna.
Kameleontmolekyl som ändrar färg
Spårarmolekylerna som forskarna har utvecklat har förmågan att sända ut ljus när de blir belysta – de kan fluorescera. Men det som gör dem unika är att de har en böjbar ryggrad som formar sig efter strukturen på proteinet som de binder till. När molekylen vrider sig ändras fluorescensfärgen som molekylen avger. Samma sorts molekyl kommer därför att lysa med olika färg när den binder till olika strukturer av amyloid-beta, ungefär som en kameleont som anpassar sin färg efter omgivningen den befinner sig i. Studien är den första där forskarna använt en kombination av två spårarmolekyler samtidigt på patientprover.
– De båda molekylerna binder olika bra till olika typer av amyloidaggregat. Den ena ger blå färg och den andra röd, så vi kan enkelt se skillnad på dem i vårt mikroskop, säger Sofie Nyström, förste forskningsingenjör vid IFM.
De olika färgerna kan ses med ögat, men forskarna gör en ingående analys där fluorescensen i ett prov mäts vid olika våglängder. Forskarna beräknar hur mycket det finns av varje färg, så att prover kan jämföras med varandra.
I sjukvården undersöks förekomsten av plack i hjärnan vid misstänkt Alzheimers sjukdom med positronemissionstomografi i en PET-kamera.
– Hos en patient i studien visade PET-kameraundersökningen inte något spår av amyloid-beta, medan en stor mängd aggregat upptäcktes med den här infärgningsmetoden med våra molekyler. Det belyser att det finns ett stort behov av fler diagnostiska verktyg, säger Peter Nilsson, professor i organisk kemi vid IFM.
Vassare diagnostik av hjärnsjukdomar
LiU-forskarna håller nu på att utveckla sina spårarmolekyler vidare för att de ska kunna användas för PET-kameraundersökningar. Om det lyckas skulle det kunna förbättra precisionen vid PET-kameraundersökningar och ge mer information om de felveckade proteinerna hos en enskild patient.
Det finns ett stort behov av substanser för PET-undersökning som inte bara kan visa att det finns plack i hjärnan, utan också kan skilja på amyloid-beta och tau. Det skulle förbättra diagnostiken av flera skador i hjärnan. Klumpar av tau-protein syns nämligen inte bara vid Alzheimers sjukdom, utan också vid en grupp mindre vanliga tillstånd som kallas taupatier.
En sådan taupati är kronisk traumatisk hjärnskada (på engelska chronic traumatic encephalopathy, CTE) som kan uppstå hos individer som fått våld mot huvudet vid upprepade tillfällen, exempelvis idrottsmän inom kontaktsport som boxning, hockey och amerikansk fotboll. I dag går det inte att ställa diagnosen förrän efter att den drabbade har dött.
Peter Nilsson och hans kollegor hoppas att det på sikt ska bli möjligt att använda deras spårarmolekyler för att läsa av förekomsten av tau-aggregat med PET-kamera inom vården. De har nämligen också gjort en variant av de molekylära kameleonterna som kan binda till och signalera förekomsten av tau-plack. Denna studie publiceras i Chemistry-A European Journal och forskarna utgick från en spårarmolekyl som bara känner igen amyloid-beta-aggregat, men anpassade den så att den mer liknande molekyler som binder till tau som gjorts av andra forskargrupper.
– Vi ser att väldigt små förändringar, att flytta ett par atomer bara, kan göra att spårarmolekylen föredrar att binda till en annan typ av aggregat. Genom att göra mycket små ändringar kan vi skräddarsy molekyler som känner igen de olika proteinaggregaten beroende på vilket protein de består av, säger Peter Nilsson.
Förhoppningen är att det ska bli möjligt att upptäcka sjukdomarna tidigare än i dag. För Alzheimers sjukdom har det visat sig att placken börjar bildas så långt som 15–20 år innan de första symtomen, som minnesstörningar eller försämrad språkförmåga, märks.
– Det här öppnar upp möjligheten att utveckla en mer avancerad diagnostik där det går att skilja amyloid-beta och tau åt. Då skulle man kunna undersöka vilket aggregat som kommer först och hur de samspelar, säger Peter Nilsson.
Med förbättrade möjligheter att undersöka placken var för sig skulle det också gå att ta reda på om olika former av behandling hjälper mot det ena aggregatet men inte det andra, och i läkemedelsprövningar skulle effekten av nya läkemedelskandidater kunna utvärderas fortlöpande på levande patienter.
Forskarna har tagit patent på tau-spårarmolekylerna tillsammans med ett företag.
Artiklarna:
Amyloid polymorphisms constitute distinct clouds of conformational variants in different etiological subtypes of Alzheimer’s disease, Jay Rasmussen, Jasmin Mahler, Natalie Beschorner, Stephan Kaeser, Lisa Häsler, Frank Baumann, Sofie Nyström, Erik Portelius, Kaj Blennow, Tammaryn Lashley, Nick Fox, Diego Sepulveda-Falla, Markus Glatzel, Adrian L. Oblak, Bernardino Ghetti, Peter R. Nilsson, Per Hammarström, Matthias Staufenbiel, Lary Walker och Mathias Jucker, (2017) PNAS, publicerad online 20 november 2017, doi: 10.1073/pnas.1713215114
Synthesis of Thiophene-Based Optical Ligands That Selectively Detect Tau Pathology in Alzheimer's Disease, Hamid Shirani, Hanna Appelqvist, Marcus Bäck, Therése Klingstedt, Nigel J. Cairns, Peter R. Nilsson, (2017) Chemistry – A European Journal, publicerad online 8 november 2017, doi:10.1002/chem.201703846
Videoartikel om tekniken: Imaging Amyloid Tissues Stained with Luminescent Conjugated Oligothiophenes by Hyperspectral Confocal Microscopy and Fluorescence Lifetime Imaging. Nyström S, Bäck M, Nilsson KPR, Hammarström P. J Vis Exp. 2017 Oct 20;(128). doi: 10.3791/56279.
