異常澱粉樣蛋白（Aβ）多肽聚集形成的老年斑是阿爾茨海默病（AD）病理性生物標記物，最主要亞型Aβ-40和Aβ-42是治療AD的潛在靶點，其中Aβ-42具有更強的疏水性和纖維發生性，是AD患者大腦主要溶解物。新興共識認為可溶性Aβ-42低聚物具有更強的神經毒性，然而由於缺乏多肽病理變化可視化工具，這種理論發現並未轉化為保存或者恢復認知功能的藥物。弗裡堡大學Michael Mayer團隊在Science Advances的研究開發了一種石墨烯和純淨水之間的界面，為動態解析Aβ-40和Aβ-42多肽裝配的大小，形狀和形態學提供未受汙染且無偽跡的理想可視化平臺。結果顯示，Aβ-42比 Aβ-40聚集更快，即使纖維出現之後，一種獨立於Aβ-42直徑7-9nm的穩定Aβ-42低聚物更廣泛存在。最終分辨出Aβ-40和Aβ-42網絡的差異，其中只有Aβ-42纖維在mm級長度上側向相互作用排列，這一特性可以用於生物功能材料的開發，為AD治療提供潛在治療干預靶點。
01，不同Aβ單體結構及多肽聚集成像
核磁共振圖像（NMR）顯示，Aβ-42單體結構上比Aβ-40長2個氨基酸殘留。孵育0.5小時後，在石墨烯外延並在水中通過原子力顯微鏡（AFM）成像得出，Aβ-42聚集速度(直徑：8.4± 2.1nm)快於Aβ-40（直徑：4.1 ± 1.1）。
圖1 早期階段Aβ-40和Aβ-42多肽聚集圖像
02，Aβ-42聚集動態變化
AFM成像顯示，Aβ40最早在孵育30小時後觀察到纖維發生，而Aβ42纖維早在8h已經出現。隨時間變化，Aβ-42低聚物在各階段的聚集速度均快於Aβ-40，且即使在直徑7-9nm直徑分佈的成熟纖維開始後仍然存在低聚物聚集。表明Aβ-42可能成為潛在治療干預的靶點。
圖2. Aβ顆粒隨時間聚集成像
03，Aβ纖維網絡形態學異常
研究觀察到Aβ-40 和Aβ-42成熟纖維網絡形態學存在顯著的差異，Aβ-42纖維以mm尺度排列且與相鄰纖維最小交叉延長，而Aβ-40以更短纖維直徑組成隨機網絡。孵育澱粉樣可溶物150h後出現對齊排列的成熟Aβ-42纖維，有別於相同時間下Aβ-40成熟纖維的拓撲結構。研究使用分子動力學模擬對不同種類的澱粉樣聚集物和石墨烯之間的相互作用進行定量，Aβ-42最大長度分佈高於Aβ-40。
圖3. 後期階段Aβ纖維網絡成像
本研究利用單層石墨烯-水成像平臺，以單個顆粒分辨率，每5小時間隔，從0.5到150小時動態描述了不同階段Aβ-40和Aβ-42聚集形態學改變，證明Aβ-42聚集速度更快且更早形成成熟纖維，晚期階段二者聚集物成熟纖維網絡的拓撲結構存在差異。該平臺克服了常見平臺造成的蛋白結構上變性及受汙染的限制，實現了毒性蛋白動態聚集可視化，推動神經退行性疾病新的病理機制及針對性干預治療靶點研究進程。
參考文獻：
[1] Nirmalraj PN, List J, Battacharya S, et al. Complete aggregation pathway of amyloid β (1-40) and (1-42) resolved on an atomically clean interface. Sci Adv. 2020;6(15):eaaz6014. Published 2020 Apr 8. doi:10.1126/sciadv.aaz6014
編譯作者：Helen (Brainnews創作團隊)
校審：Victoria, Simon (Brainnews編輯部)
