异常淀粉样蛋白（Aβ）多肽聚集形成的老年斑是阿尔茨海默病（AD）病理性生物标记物，最主要亚型Aβ-40和Aβ-42是治疗AD的潜在靶点，其中Aβ-42具有更强的疏水性和纤维发生性，是AD患者大脑主要溶解物。新兴共识认为可溶性Aβ-42低聚物具有更强的神经毒性，然而由于缺乏多肽病理变化可视化工具，这种理论发现并未转化为保存或者恢复认知功能的药物。弗里堡大学Michael Mayer团队在Science Advances的研究开发了一种石墨烯和纯净水之间的界面，为动态解析Aβ-40和Aβ-42多肽装配的大小，形状和形态学提供未受污染且无伪迹的理想可视化平台。结果显示，Aβ-42比 Aβ-40聚集更快，即使纤维出现之后，一种独立于Aβ-42直径7-9nm的稳定Aβ-42低聚物更广泛存在。最终分辨出Aβ-40和Aβ-42网络的差异，其中只有Aβ-42纤维在mm级长度上侧向相互作用排列，这一特性可以用于生物功能材料的开发，为AD治疗提供潜在治疗干预靶点。
01，不同Aβ单体结构及多肽聚集成像
核磁共振图像（NMR）显示，Aβ-42单体结构上比Aβ-40长2个氨基酸残留。孵育0.5小时后，在石墨烯外延并在水中通过原子力显微镜（AFM）成像得出，Aβ-42聚集速度(直径：8.4± 2.1nm)快于Aβ-40（直径：4.1 ± 1.1）。
图1 早期阶段Aβ-40和Aβ-42多肽聚集图像
02，Aβ-42聚集动态变化
AFM成像显示，Aβ40最早在孵育30小时后观察到纤维发生，而Aβ42纤维早在8h已经出现。随时间变化，Aβ-42低聚物在各阶段的聚集速度均快于Aβ-40，且即使在直径7-9nm直径分布的成熟纤维开始后仍然存在低聚物聚集。表明Aβ-42可能成为潜在治疗干预的靶点。
图2. Aβ颗粒随时间聚集成像
03，Aβ纤维网络形态学异常
研究观察到Aβ-40 和Aβ-42成熟纤维网络形态学存在显著的差异，Aβ-42纤维以mm尺度排列且与相邻纤维最小交叉延长，而Aβ-40以更短纤维直径组成随机网络。孵育淀粉样可溶物150h后出现对齐排列的成熟Aβ-42纤维，有别于相同时间下Aβ-40成熟纤维的拓扑结构。研究使用分子动力学模拟对不同种类的淀粉样聚集物和石墨烯之间的相互作用进行定量，Aβ-42最大长度分布高于Aβ-40。
图3. 后期阶段Aβ纤维网络成像
本研究利用单层石墨烯-水成像平台，以单个颗粒分辨率，每5小时间隔，从0.5到150小时动态描述了不同阶段Aβ-40和Aβ-42聚集形态学改变，证明Aβ-42聚集速度更快且更早形成成熟纤维，晚期阶段二者聚集物成熟纤维网络的拓扑结构存在差异。该平台克服了常见平台造成的蛋白结构上变性及受污染的限制，实现了毒性蛋白动态聚集可视化，推动神经退行性疾病新的病理机制及针对性干预治疗靶点研究进程。
参考文献：
[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
编译作者：Helen (Brainnews创作团队)
校审：Victoria, Simon (Brainnews编辑部)
