Wie pathogene Ereignisse bei Alzheimer in Echtzeit sichtbar werden
Die Alzheimer-Krankheit stellt ein ernsthaftes Gesundheitsproblem dar, denn weltweit sind Millionen Menschen von dem mit der Alzheimer-Krankheit einhergehenden Verlust der kognitiven Fähigkeiten und Demenz betroffen. Es gibt zwei Arten von Peptidaggregaten: Beta-Amyloid, das in extrazellulären Plaques vorkommt, und das mit intrazellulären Mikrotubuli assoziierte Tau-Protein, das Neurofibrillenbündel bildet. Neue Erkenntnisse weisen darauf hin, dass diese Aggregate mit der neuronalen Membran interagieren und sie schädigen, aber der genaue Mechanismus ist nach wie vor unklar.
Visualisierung der Interaktion von Amyloid-Peptiden mit der neuronalen Membran
Ziel des mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) durchgeführten Projekts AMNEsIA waren Erkenntnisse über den zugrundeliegenden Mechanismus der Toxizität der Amyloid-Peptid-Aggregate. „Unser Ziel bestand darin, die Wechselwirkungen der Amyloid-Peptide mit Membranen im Zeitverlauf auf Nanoebene zu visualisieren“, erklärt MSCA-Stipendiatin Cécile Feuillie. Feuillie wandte in Zusammenarbeit mit dem Institut für Chemie und Biologie von Membranen und Nano-Objekten (CBMN) in Bordeaux die Rasterkraftmikroskopie (RKM) an, um den Zusammenhang zwischen Beta-Amyloid-Aggregaten und Lipid-Doppelschichten zu untersuchen, die naturgemäß die neuronale Membran nachahmten. Gleichzeitig entwickelte das Forschungsteam eine Methode zur Erzeugung von Amyloid-Peptiden mit homogener Struktur und prüfte deren Wirkung auf Zielmembranen. Mit diesem Ansatz konnten zwei große Schwierigkeiten überwunden werden: die inhärente Komplexität biologischer Membranen in Hinsicht auf die Lipidzusammensetzung und der heterogene Aggregatzustand der Amyloid-Peptide. Erforscht wurde der Einfluss von Zusammensetzung, Ladung und Packungsdichte der Membranlipide auf die Wechselwirkung zwischen Amyloid-Peptiden und biomimetischen Membranen. Die Rasterkraftmikroskopie hat eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung zu bieten, dank derer das wissenschaftliche Team die schnellen Phänomene des durch Amyloid-Oligomere induzierten Membranabbaus abbilden konnte. „Wir konnten in Echtzeit bei Interaktion mit Amyloid-Peptiden eine schnelle detergenzienartige Wirkung auf die Membranen beobachteten“, betont Feuillie. Sowohl das Beta-Amyloid-Peptid als auch Tau interagierten mit spezifischen Membranlipiden, wie etwa dem Gangliosid GM1 und Cholesterin im Fall von Beta-Amyloid, und lösten den Membranabbau aus. Diese Feststellungen untermauerten die Bedeutung der Lipide in Bezug auf die mit der Alzheimer-Krankheit verbundene Toxizität der Amyloid-Peptide. Gleichzeitig wurde deutlich, dass es notwendig ist, weitere Untersuchungen unter biologisch relevanteren Bedingungen anzustellen, bei denen in den Zielmembranen eine Lipidkombination vorhanden ist.
Zukunftsaussichten der Rasterkraftmikroskopie in der Alzheimerforschung
AMNEsIA ist die Entwicklung einer robusten Methodik auf der Grundlage der Rasterkraftmikroskopie gelungen, mit der dynamische Prozesse wie etwa Wechselwirkungen zwischen Peptiden und Membranen untersucht werden können. Durch Markierung von Lipiden und Amyloid-Peptiden können Rasterkraft- und Fluoreszenzmikroskopie kombiniert und die Abbildung der Interaktion verbessert werden. Insgesamt hat diese Arbeit wichtige Folgen für das Verständnis jener pathogenen Ereignisse, die zu der mit der Alzheimer-Krankheit assoziierten Neurodegeneration führen. Sie bahnt den Weg zur Erforschung neuartiger therapeutischer Angriffspunkte. Zukünftige Pläne widmen sich der Entwicklung eines Spektroskopieansatzes auf Basis der Rasterkraftmikroskopie, um den Mechanismus der Amyloidfaserbildung auf chemischer Ebene zu untersuchen. Zudem können funktionalisierte Rasterkraftmikroskopie-Sonden, die ein kovalent gebundenes Amyloid-Peptid tragen, zur Erkundung der Interaktion mit der Membran auf molekularer Ebene eingesetzt werden. „AMNEsIA hat großen Einfluss auf das Rasterkraftmikroskopie-Team des CBMN genommen, das sich nun sogar ‚Nanobiotechnologie und methodische Entwicklungen im Bereich Rasterkraftmikroskopie‘ nennt“, schließt Feuillie ihre Ausführungen.
Schlüsselbegriffe
AMNEsIA, Rasterkraftmikroskopie, RKM, AFM, Alzheimer-Krankheit, neuronale Membran, Beta-Amyloid, Tau
