Dijagnostički potencijal amiloidogenih proteina, dio 3
Jun 07, 2024
4.5. Kombinirana detekcija
Neurodegenerativne bolesti dijele mnoge simptome i patološke mehanizme. Posebno, agregati istog amiloidogenog proteina mogu postojati kod ljudi pogođenih različitim oblicima neurodegeneracije [151].
Kako ljudi stare, njihovo fizičko zdravlje postepeno pokazuje znakove opadanja i starenja. Među njima, neurodegenerativna bolest je ozbiljna bolest koja utiče na fizičke funkcije ljudi, nivo inteligencije i sposobnost pamćenja. Međutim, ne trebamo biti frustrirani i uplašeni jer postoji mnogo načina da se odgodi nastanak neurodegenerativnih bolesti. Istovremeno, veoma je važno prilagoditi svoj mentalitet i zadržati pozitivan stav prema životu. Ovaj članak će istražiti odnos između neurodegenerativnih bolesti i pamćenja i pružiti neke učinkovite načine za poboljšanje pamćenja kako bismo mogli imati zdrav, sretan i ispunjen život.
Neurodegenerativne bolesti su bolesti koje zahvaćaju nervni sistem, kao što su Alchajmerova bolest, Parkinsonova bolest i Hantingtonova bolest. Ove bolesti obično utiču na pamćenje ljudi, manifestujući se zaboravljanjem nedavnih stvari, ponavljanjem istih zadataka i postupnim gubljenjem kontrole nad svakodnevnim poslovima. Da bismo izbjegli pojavu ovih simptoma, potrebno je poduzeti neke aktivne mjere, kao što su:
1. Čuvajte zdravlje. Dobra fizička kondicija jedan je od najboljih načina za prevenciju neurodegenerativnih bolesti. Umjereno vježbanje može poboljšati fizičku funkciju i održati opskrbu mozga krvlju i kisikom. Osim toga, veoma su važne i zdrave prehrambene navike, koje mogu obezbijediti dovoljno ishrane i energije za održavanje zdravlja organizma.
2. Aktivno vježbajte mozak. Ako želimo da očuvamo pamćenje, moramo redovno da vežbamo mozak. To može uključivati učenje novih stvari, igara i aktivnosti koje izazivaju kognitivne sposobnosti mozga, ili čak stimuliranje mozga sudjelovanjem u društvenim aktivnostima. Ove aktivnosti mogu promovirati stvaranje novih neuronskih veza i održati mozak fleksibilnim i otpornim.
3. Održavajte pozitivan stav prema životu. Psihološki faktori također igraju ključnu ulogu u dugoročnoj prevenciji neurodegenerativnih bolesti. Radosna, pozitivna i optimistična osoba je često manje pod utjecajem negativnih faktora i vjerojatnije je da će održati dobro fizičko i mentalno zdravlje. Pozitivan stav prema životu može promovirati nove načine obraćanja pažnje i razmišljanja i pomoći u poboljšanju pamćenja.
Ukratko, prevencija neurodegenerativnih bolesti je dugoročan zadatak koji zahtijeva redovnu pažnju fizičkog i moždanog zdravlja. Održavanjem zdrave prehrane, umjerenim vježbanjem i pozitivnim načinom razmišljanja možemo poboljšati svoju unutrašnju snagu i otpornost i djelotvorno spriječiti nastanak neurodegenerativnih bolesti. Istovremeno, treba da zadržimo optimističan, pozitivan i srećan stav i da uživamo u zdravom, srećnom i ispunjenom životu. Vidi se da moramo poboljšati svoje pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer Cistanche može regulisati i ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta, koji su veoma važni za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche deserticola može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije adekvatnu ishranu i energiju, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.
Kliknite znati suplemente za poboljšanje pamćenja
Na primjer, A i p-tau agregati se također mogu naći kod pacijenata sa DLB, a -syn agregati kod pacijenata sa AD. Zajednička pojava A , -syn i tau ukazuje na preklapanje između AD, tauopatija i sinukleinopatija [152].
Amiloidni agregati mogu biti prisutni i kod ljudi koji ne pokazuju nikakve simptome bolesti [151]. Ova zapažanja dovode do zaključka da, u nekim slučajevima, samo praćenje jednog pojedinačnog amiloidogenog proteina možda neće biti dovoljno za postavljanje tačne dijagnoze.
Različite studije su procijenile dijagnostičke performanse praćenja nivoa različitih amiloidogenih proteina zajedno (Tabela 2). Na primjer, kvantifikacija koncentracija u CSF-u i p-tau181, koji nosi fosforilirani Thr181, i omjera A 42/A 38 je u stanju da razlikuje AD od drugih neurodegenerativnih bolesti [66,104].
Nedavna studija sprovedena na kohorti od 4444 učesnika tokom 14 godina uspela je da poveže nivoe NFT-a i A 42 u plazmi sa rizikom od razvoja AD i demencije svih uzroka [153]. Nadalje, analiza nivoa total-syn i total tau u CSF-u mogla bi pomoći u identifikaciji sinukleinopatija u odnosu na druge neurodegenerativne bolesti [68].
Nedavni rad je pokazao da je određivanje omjera oligomernog -syn/ukupnog -syn, p- -syn129 i p-tau181 u CSF-u bilo u stanju da identifikuje pacijente s PD iz kontrola [154].
Također je pokazano da je povećanje glikacije, -syn Tyr 39nitracije i pTyr125, te smanjenje nivoa SUMO-1 u uzorcima krvi povezano sa PD [117].
Konačno, nađeno je da koncentracija ukupnog TDP-43 i omjer ukupni tau/pThr181-tau u likvoru diskriminiraju ALS/FTD pacijente od zdravih kontrola [155].U tabeli 2, sumiramo glavni proteini koji se mogu pratiti u kombinaciji u dijagnostičke svrhe.
5. Nedavni napredak u tehnologiji detekcije
S obzirom na njihovu pristupačnu cijenu i mogućnost lakog stvaranja visoke propusnosti, imunotestovi, kao što su ELISA i imunoblotiranje, su najčešće korištene tehnike za kvantifikaciju koncentracija amiloidogenih proteina u tjelesnim tekućinama i tkivima.
U upotrebi su i drugi pristupi, uključujući PET, MS i mikroskopiju, a pojavljuju se i nove tehnologije detekcije sa ultra-osjetljivošću. Važan primjer pruža MS.
Nedavno uspostavljena kapilarna izotahoforeza – elektrosprej jonizacija MS mogla bi otkriti pikomolarne koncentracije A [157]. U drugoj studiji, automatizovani klinički maseni spektrometar mogao je detektovati različite A varijante u CSF na multipleks način [158]. Važno je napomenuti da su oba pristupa bila bez antitijela i nisu zahtijevali korak obogaćivanja imuniteta.
Omjeri 42/A 40 u CSF-u također se mogu odrediti LC-MS/MS testom sa visokom kliničkom osjetljivošću [159]. Prednosti MS-a uključuju malu veličinu uzorka, brzo vrijeme obrade, široku primjenu i osjetljivost.
Analiza jedne čestice amiloida može se izvesti mikroskopskim metodama uključujući fluorescenciju, atomsku silu i elektronsku mikroskopiju. Posebno, metode zasnovane na fluorescenciji omogućavaju ultraosjetljivo otkrivanje pojedinačnih amiloidnih fibrila i oligomera u neurodegenerativnim bolestima. Nadalje, metode super-rezolucije nude uvid u strukturna svojstva i hidrofobnost površine [17].
Sensing nanopora je neoptička tehnika za koju je nedavno pokazano da omogućava analizu jedne molekule polimernih proteina i može se proširiti na amiloide i oligomere [160,161].
U sensingu nanopora, biomolekula se prenosi kroz ananopor ugrađen u tanku dielektričnu membranu koja razdvaja dvije komore sa elektrolitima. Različite konformacije biomolekula mogu se okarakterizirati nakon njegove translokacije kroz nanopore analizom promjene jonske provodljivosti pora [162,163].
Druge novije metode uključuju testove zasijavanja amiloida, kao što je ciklička amplifikacija pogrešno savijanja proteina [164] i konverzija izazvana potresom u realnom vremenu (RT-QuIC) [165]. U ovim testovima, sastav i broj amiloida u biološkim uzorcima određuju se sposobnošću ovih uzoraka da indukuju agregaciju rekombinantnog monomerikamiloidogenog proteina korištenjem mjerenja agregacije na bazi ThT.
Ovi testovi su uspostavljeni za nekoliko amiloidogenih proteina. Posebno, RT-QuIC test za -syn pokazao je visoku dijagnostičku osjetljivost za PD i DLB [165]. I MS i mikroskopske tehnike zahtijevaju sofisticiranu instrumentaciju.
ELISA kompleti za nekoliko biomarkera uključujući A 42, p-tau, total-tau i -syn su komercijalno dostupni. Međutim, ELISA može biti radno intenzivna za postavljanje i sa ograničenom osjetljivošću. Razvijene su različite tehnike ELISA visoke osjetljivosti. Na primjer, istraživači su izmjerili ukupnu koncentraciju -syn u tjelesnim tekućinama koristeći imobilizirane lipide [166].
Takođe, ELISA je kombinovana sa drugim tehnologijama detekcije, kao što je nova elektrohemiluminiscencija na ploči [167]. Ovim pristupom postignuto je značajno skraćeno vrijeme obrade, sa manjim zahtjevima za volumenom uzorka i istovremenom obradom više biomarkera [167]. Osim elektrohemiluminiscencije, digitalna ELISA je također razvijena s jednom molekulskom nizom (Simoa) tehnologijom.
Izvještava se da ova metoda ima povećanu osjetljivost za detekciju A 42 u ljudskoj plazmi (u rasponu pM) [168]. Štaviše, uspostavljena je analiza raspodjele intenziteta fluorescencije na površini (sFIDA) koja liči na sendvič ELISA gdje su A oligomeri imobilizirani na funkcionalizirana staklena površina putem antitijela, snimljena fluorescentnom mikroskopijom visoke rezolucije [169].
Multi-analyte Profiling (xMAP) platforma se izdvaja od širokog spektra pristupa zasnovanih na svojoj sposobnosti multipleksiranja.
Simultana kvantifikacija do 100 uzoraka u jednom testu može se postići na poluautomatskom testu. Studije su pokazale da su xMAP podaci za ukupni tau, p-tau, A 40 i A 42 dobro korelirali sa ELISA vrijednostima zasnovanim na istraživanju s većom osjetljivošću i specifičnošću [170].
Lančana reakcija imuno-polimeraze (I-PCR) koristi PCR u realnom vremenu (također poznat kao kvantitativni PCR) za kombinovanje amplifikacije nukleinske kiseline sa testovima baziranim na antitijelima kako bi se povećala 10 do 109-puta osjetljivost konvencionalnih imunoloških testova.
Istraživači su kvantificirali višestruke fosforilirane tau epitope koristeći I-PCR u CSF [171] i razvili anano-I-PCR pristup koji je koristio nanočestice zlata funkcionalizirane sa monoklonalnim antitijelom specifičnim za tau za ukupnu tau kvantifikaciju u uzorcima CSF [172]. Nivo ukupnog A 40 prisutnog u mikrodisekovanim neuronima se takođe može kvantifikovati korišćenjem I-PCR sa visokom osetljivošću i opsegom detekcije [173].
Ova tehnika je prikladna za male količine uzoraka, pruža brzo vrijeme do rezultata i može biti podložna multipleksiranju. Dijagnoza na mjestu liječenja (POC) je, nesumnjivo, trend u nastajanju.
Ovaj pristup omogućava da se konvencionalni ELISA, Luminex xMAP i qPCR razviju u jeftine, prenosive i jednostavne POC uređaje [174]. ELISA na papiru je najjednostavnija opcija za POC dijagnostiku.
6. Zaključci i potencijalni budući pravci
Biomarkeri bolesti predstavljaju suštinski preduslov za razvoj tačnih dijagnostičkih pristupa. U ovom pregledu smo raspravljali o tome kako amiloidogeni proteini imaju potencijal kao biomarkeri za neurodegenerativne bolesti i opisali tehnologije detekcije za procjenu njihove koncentracije u tijelu (Slika 3).
Osim genetskih mutacija, mnogi PTM i specifične konformacije amiloidogenih proteina su povezane s bolešću i pojavljuju se kao potencijalni biomarkeri (tablice 1 i 2). U ovom kontekstu, među svim agregiranim konformacijama vrijedni pažnje su oligomeri, koji su visoko toksični i smatraju se glavnim akterima u nastanku i progresiji bolesti.
Upotreba amiloidogenih proteina kao biomarkera dolazi sa izazovima. Prvo, neurodegenerativne bolesti dijele neke ključne patološke mehanizme, uključujući stvaranje agregata od strane istog amiloidogenog proteina (npr. A i p-tau depoziti mogu se naći kod pacijenata sa DLB) [152].
Ovo otežava razlikovanje jednog oblika neurodegeneracije od drugog na osnovu detekcije samo jednog specifičnog amiloidogenog proteina. Nadalje, amiloidogenim proteinima je teško pristupiti unutar CNS-a i njihove koncentracije u nepristupačnim tjelesnim tekućinama imaju primjetne fluktuacije, posebno u ranim stadijumima bolesti.
Po našem mišljenju, obećavajuće dijagnostičke strategije koje mogu prevazići ova pitanja su one zasnovane na detekciji višestrukih amiloidogenih proteina ili karakteristika proteina (odeljak 4.5).
Dodatno, amiloidogeni proteini se mogu pratiti u sprezi s drugim tipovima biomarkera, kao što su metaboliti. Nedavna istraživanja su pokazala da su metabolički putevi pogođeni neurodegeneracijom, a platforme za detekciju su razvijene za metaboličko profiliranje [175].
Na primjer, nuklearna magnetna rezonanca i MS uspješno su korišteni za određivanje metaboličkih promjena u ćelijskim sistemima [176], postmortem uzoraka mozga [177] i CSF pacijenata [178].
Kombinovani pristupi takođe mogu uključivati neuropsihološku procenu i neuroimaging. Štaviše, amiloidogeni proteini se takođe mogu detektovati u delovima tela pored CNS-a i telesnih tečnosti.
Na primjer, agregirani oblici -syn pronađeni su u probavnom sistemu pacijenata sa PD [179]. Dijagnostička važnost ovog nalaza je dvostruka: pokazuje da se drugi dijelovi tijela mogu ispitati na potencijalne biomarkere neurodegeneracije [180]; također implicira da pacijenti mogu pokazivati simptome/poremećaje koji nisu povezani s neurodegenerativnim stanjem, ali se umjesto toga mogu koristiti za ranu dijagnozu.
Osjetljivost i specifičnost važni su atributi tehnologija detekcije za amiloidogene proteine. U odjeljcima 4.3 i 5 opisali smo nekoliko obećavajućih pristupa koji su trenutno u razvoju.
One se zasnivaju na biosenzorima, detekciji jedne molekule i molekularnim sondama (npr. antitijela). Po našem mišljenju, pristupi zasnovani na antitijelima posebno imaju veliki potencijal jer omogućavaju detekciju u složenim smjesama. Štaviše, antitela se mogu razviti da ciljaju različite karakteristike proteina, uključujući PTM i konformacije (npr. oligomere).
Zaključno, amiloidogeni proteini su privlačni potencijalni biomarkeri neurodegeneracije. Njihov dijagnostički uspjeh je isprepleten s razvojem kombinovanih strategija otkrivanja, koje uključuju druge vrste biomarkera, organskih sistema i ultraosjetljivih tehnologija.
Doprinosi autora: Pisanje-priprema originalnog nacrta, YJ, DMV, DG, YG, RT, JTW,FAA; pisanje-recenzija i uređivanje, YJ, DMV, DG, YG, RT, JTW, FAA Svi autori su pročitali i pristali na objavljenu verziju rukopisa.
Finansiranje: Zahvaljujemo UK Research and Innovation (Future Leaders Fellowship MR/S033947/1), Društvu za Alchajmerovu bolest, UK (Grant 511) i Alchajmerovom istraživanju UK (ARUK-PG2019B-020) na podršci.
Izjava institucionalnog odbora za reviziju: Nije primjenjivo.
Izjava o informiranoj saglasnosti: Nije primjenjivo.
Zahvalnice: Slike su kreirane pomoću ChemDraw v19.1 i Biorender.com (pristupljeno 5. aprila 2021.).
Sukob interesa: FAA je izumitelj patenta PCT/GB2020/051965.
Reference
1. Graham, ME Sekuritizacija demencije: Društveni aspekti sekuritizacije na sigurnim jedinicama za negu demencije. Aging Soc. 2021, 41,439–455. [CrossRef]
2. Agrawal, M.; Biswas, A. Molekularna dijagnostika neurodegenerativnih poremećaja. Front. Mol. Biosci. 2015, 2, 54. [CrossRef][PubMed]
3. Hussain, R.; Zubair, H.; Pursell, S.; Shahab, M. Neurodegenerativne bolesti: Regenerativni mehanizmi i novi terapijski pristupi. Brain Sci. 2018, 8, 177. [CrossRef] [PubMed]
4. Reul, S.; Lohmann, H.; Wiendl, H.; Duning, T.; Johnen, A. Može li kognitivna procjena razlikovati rane faze Alchajmerove i bihevioralne varijante frontotemporalne demencije na početnoj kliničkoj prezentaciji? Alchajmerova rez. Ther. 2017, 9, 61. [CrossRef][PubMed]
5. Van Steenoven, I.; Koel-Simmelink, MJ; Vergouw, LJ; Tijms, BM; Piersma, SR; Pham, TV; Bridel, C.; Ferri, G.-L.; Cocco, C.; Noli, B.; et al. Identifikacija novih kandidata biomarkera cerebrospinalne tekućine za demenciju s Lewyjevim telima: proteomika pristup. Mol. Neurodegener. 2020, 15, 36. [CrossRef] [PubMed]
6. Li, B.; Ge, P.; Murray, KA; Sheth, P.; Zhang, M.; Nair, G.; Sawaya, MR; Shin, WS; Boyer, DR; Ye, S.; et al. Cryo-EM sa sinukleinom pune dužine otkriva polimorfe fibrila sa zajedničkim strukturnim jezgrom. Nat. Commun. 2018, 9, 3609. [CrossRef]
7. Dobson, CM Protein folding i misfolding. Nature 2003, 426, 884–890. [CrossRef]
8. Knowles, TP; Vendruscolo, M.; Dobson, CM Amiloidno stanje i njegova povezanost s bolestima pogrešnog savijanja proteina. Nat. Rev.Mol. Cell Biol. 2014, 15, 384–396. [CrossRef] [PubMed]
9. Astoricchio, E.; Alfano, C.; Rajendran, L.; Temussi, PA; Pastore, A. Široki svijet koacervata: od mora do neurodegeneracije. Trends Biochem. Sci. 2020, 45, 706–717. [CrossRef]
10. Buratti, E.; Baralle, FE TDP-43: Gumiranje neurona kroz interakcije protein-protein i protein-RNA. Trends Biochem.Sci. 2012, 37, 237–247. [CrossRef] [PubMed]
11. Vogler, TO; Wheeler, JR; Nguyen, ED; Hughes, MP; Britson, KA; Lester, E.; Rao, B.; Dalla Betta, N.; Whitney, ON; Ewachiw,TE; et al. TDP-43 i RNA formiraju mio-granule slične amiloidu u regenerirajućim mišićima. Nature 2018, 563, 508–513. [CrossRef]
12. Bhardwaj, A.; Myers, MP; Buratti, E.; Baralle, FE Karakteriziranje TDP-43 interakcije sa svojim RNA ciljevima. Nucleic Acids Res.2013, 41, 5062–5074. [CrossRef]
13. Bucciantini, M.; Rigacci, S.; Stefani, M. Amiloidna agregacija: Uloga bioloških membrana i sistema agregat–membrana.J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 517–527. [CrossRef] [PubMed]
14. Chen, SW; Drakulić, S.; Deas, E.; Ouberai, M.; Aprile, FA; Arranz, R.; Ness, S.; Roodveldt, C.; Guilliams, T.; De-Genst, EJ; et al. Strukturna karakterizacija toksičnih oligomera koji su kinetički zarobljeni tokom formiranja -sinukleinskih fibrila. Proc. Natl. akad. SAD 2015, 112, E1994–E2003. [CrossRef] [PubMed]
15. Ghosh, D.; Mehra, S.; Sahay, S.; Singh, PK; Maji, SK Agregacija sinukleina i njena modulacija. Int. J. Biol. Macromol. 2017, 100, 37–54. [CrossRef] [PubMed]
For more information:1950477648nn@gmail.com
