С развитием современных экспериментальных методик и эффективных инструментов детектирования начался новый виток в изучении болезни Альцгеймера. На сегодняшний день это тяжелое нейродегенеративное заболевание является актуальной проблемой во всем мире. Болезнь Альцгеймера называют самой распространенной формой деменции, поражающей людей престарелого возраста. В настоящее время нет эффективных препаратов от этого заболевания. Любое лечение практически невозможно ввиду постановки диагноза на поздних стадиях, а также отсутствия однозначного понимания этиологии болезни. В связи с этим исследования фундаментальных механизмов возникновения болезни Альцгеймера приобретают большое значение.

С 2019 года ученые ОИЯИ ведут работу по изучению свойств клеточных мембран и клеточных взаимодействий, взяв за основу одну из наиболее распространенных теорий возникновения болезни Альцгеймера – бета-амилоидную. Данная теория основывается на том факте, что в мозге пациента, страдающего болезнью Альцгеймера, бета-амилоидный пептид может образовывать так называемые амилоидные бляшки, состоящие из скоплений пептида, свернутого в виде фибрилл, что в конечном итоге приводит к разрушению клеточных мембран и гибели нейронов.

Группа ученых ОИЯИ, проводивших исследования

Изначально группа была нацелена на исследование «поведения» бета-амилоидного пептида, встроенного в мембрану, в зависимости от ее жесткости. При этом использовалась низкая концентрация бета-амилоидного пептида для предотвращения формирования фибрилл. В ходе исследований, которые группа провела в 2019-2020 годах, было выяснено, что жесткостью клеточной липидной мембраны может управлять холестерин и мелатонин. «Присутствие холестерина вызвало заметное увеличение толщины модельной мембраны: холестерин упорядочил углеводородные хвосты липидов и удлинил их, что увеличило толщину и повысило вязкость мембраны, – рассказывает заместитель директора Лаборатории нейтронной физики по научной работе, руководитель научной группы Норберт Кучерка. – Эффект влияния мелатонина, уменьшающего толщину мембраны и понижающего ее вязкость, связан с разупорядочением липидных хвостов: молекулы мелатонина локализовались в области фосфолипидных голов и привели к увеличению расстояния между ними».

В ходе опытов с холестерином и мелатонином ученые заметили, что температура оказывает влияние на структуру модельной мембраны в присутствии бета-амилоидного пептида, а именно на униламеллярные везикулы, представляющие собой сферическую оболочку, состоящую из липидного бислоя. Результаты следующего этапа исследования, основанные на данных эксперимента, проведенного уже в 2021 году, подтвердили данное наблюдение и позволили обнаружить интересный эффект: при понижении температуры и переходе липидов, из которых состоит модельная мембрана, в гелевую фазу наблюдалось «разрушение» мембраны – распад везикул на бицеллоподобные структуры (плоские дискообразные структуры из одного бислоя липидов), но только в присутствии амилоид-бета пептида. В отсутствие пептида мембрана сохраняла целостность.

Самоорганизующиеся структуры маленьких однослойных везикул и дисков после моделирования. Липидные цепи представлены серым цветом, головные группы липидов — синим, а молекулы Aβ(25-35) – красным. Молекулы воды не показаны для лучшей визуализации.

Проделанная в рамках исследования работа была высоко оценена и получила вторую премию ОИЯИ в категории научно-технических прикладных работ за 2022 год.

«Изменения физико-химических свойств клеточной мембраны в результате фазового перехода сами по себе не приводят к ее разрушению. Тем не менее, взаимодействие с дополнительными компонентами может приводить к резким структурным изменениям. В своем исследовании мы документально подтвердили, что такие изменения, вызванные присутствием бета-амилоидного пептида, происходят во время фазовых переходов. Мы использовали метод малоуглового рассеяния нейтронов на реакторе ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ, идеально подходящий для исследования таких разупорядоченных систем, как липидные мембраны, поскольку методы, основанные на кристаллографии, в таких случаях не срабатывают. Кривые малоуглового рассеяния нейтронов продемонстрировали деструктивное влияние бета-амилоидного пептида на модельную мембранную систему. Под влиянием температуры и в присутствии пептида форма модельной системы изменяется от больших везикул до везикул малого размера и бицеллоподобных структур», – сообщил один из авторов работы, старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Александр Иваньков.

Наблюдаемый эффект фрагментации пептидом мембраны может быть ключевым моментом в понимании роли мембранно-пептидных взаимодействий при болезни Альцгеймера, отмечают ученые. «Теперь нам нужно понять, как и почему это происходит. А когда найдем механизм в нашей простой модельной системе, будем усложнять ее, изучать различные теории, проверять их. Наши исследования, по сути, фундаментального уровня, то есть наши результаты не имеют непосредственного применения, однако у них есть потенциал, чтобы стать прикладными и применяться в фармакологии и областях, связанных со здоровьем человека», – подытожил Норберт Кучерка.

Список литературы

1. O. Ivankov, T. Kondela, E. Dushanov, E. Ermakova, T. Murugova, D. Soloviov, A. Kuklin, N. Kučerka; Cholesterol and melatonin regulated membrane fluidity does not affect membrane’s breakage triggered by amyloid-beta peptide. Biophysical Chemistry 298 (2023) 107023:1-8
2. Oleksandr Ivankov, Dina R. Badreeva, Elena V. Ermakova, Tomáš Kondela, Tatiana N. Murugova, Norbert Kučerka; Anionic lipids modulate little the reorganization effect of amyloid-beta peptide on membranes. General Physiology and Biophysics 42/1 (2023) 59-66
3. Tomáš Kondela, Pavol Hrubovčák, Dmitry Soloviov, Dina Badreeva, Tatiana Murugova, Vadim Skoi, Alexander Kuklin, Olexander Ivankov, Norbert Kučerka; Approaches for a Closer Look at Problems of Liquid Membranes with Amyloid-Beta Peptides. in Soft Matter Systems for Biomedical Applications, edited by Leonid Bulavin and Nikolai Lebovka. Springer (2022)
4. O. Ivankov, T.N. Murugova, E.V. Ermakova, T. Kondela, D.R. Badreeva, P. Hrubovčák, D. Soloviov, A. Tsarenko, A. Rogachev, A.I. Kuklin, N. Kučerka; Amyloid-beta peptide (25-35) triggers a reorganization of lipid membranes driven by temperature changes. Scientific Reports 11 (2021) 21990:1-9
5. Pavol Hrubovčák, Ermuhammad Dushanov, Tomáš Kondela, Oleksandr Tomchuk, Kholmirzo Kholmurodov and Norbert Kučerka; Reflectometry and molecular dynamics study of the impact of cholesterol and melatonin on model lipid membranes.European Biophysics Journal 50 (2021) 1025-1035
6. Ivankov O., Ermakova E., Murugova T., Badreeva D., Dushanov E., Kondela T., Kholmurodov Kh., Kuklin A., Kučerka N.; Interactions in the model membranes mimicking preclinical conformational diseases in Advances in Biomembranes and Lipid Self-Assembly, edited by Ales Iglic, Ana García Sáez, Michael Rappolt. Elsevier (2020)
7. Murugova T., Ivankov O., Ermakova E., Kondela T., Hrubovčák P., Skoi, V., Kuklin A., Kučerka N.; Structural changes introduced by cholesterol and melatonin to the model membranes mimicking preclinical conformational diseases.General Physiology and Biophysics 39/2 (2020) 135-144