Neues molekulares Lineal ermöglicht präzise Messung toxischer Tau-Fibrillen in Flüssigkeitsproben

Forscher haben ein neues Tool entwickelt, FibrilPaint in Kombination mit dem FibrilRuler-Test, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die Länge toxischer Tau-Amyloid-Fibrillen in winzigen Flüssigkeitsproben direkt zu messen, von den frühesten Aggregationsstadien bis zu reifen Fibrillen und sogar bei sehr geringen Konzentrationen. Da Tau-Fibrillen eng mit der Alzheimer-Krankheit und anderen Demenzerkrankungen in Zusammenhang stehen, ihre Quantifizierung in Lösung jedoch äußerst schwierig ist, stellt dieses „molekulare Lineal“ einen großen Fortschritt dar. Es funktioniert in komplexen, von Patienten stammenden Proben und erkennt selektiv Amyloidfibrillen aus mehreren neurodegenerativen Erkrankungen. Dies ermöglicht weitaus genauere Untersuchungen darüber, wie diese Fibrillen wachsen, brechen und auf potenzielle Medikamente reagieren. Längerfristig könnte es als Grundlage für neue Diagnoseinstrumente oder Biomarker dienen, die das Fortschreiten der Krankheit oder das Ansprechen auf die Behandlung über die Fibrillenlänge verfolgen.

Ein Team aus Chemikern und Biochemikern hat eine leistungsstarke neue Methode entwickelt, um die Größe von Proteinklumpen im Zusammenhang mit Alzheimer und verwandten Demenzerkrankungen in winzigen Flüssigkeitsproben und ohne Objektträger zu messen. Die Technologie namens FibrilPaint und FibrilRuler-Test ermöglicht es Wissenschaftlern, die Länge von Tau-Amyloid-Fibrillen direkt in Lösung zu bestimmen, auch bei sehr geringen Konzentrationen. Die von Prof. Assaf Friedler vom Institut für Chemie der Hebräischen Universität und Prof. Stefan GD Rüdiger von der Universität Utrecht geleitete Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der National Academy of Sciences (PNAS).

Die Alzheimer-Krankheit und mehrere andere neurodegenerative Erkrankungen stehen im Zusammenhang mit der Bildung abnormaler Klumpen des Tau-Proteins im Gehirn. Diese Klumpen, Amyloidfibrillen genannt, wachsen und verändern sich im Laufe der Zeit, und es wird angenommen, dass ihre Entwicklung mit dem Fortschreiten der Krankheit einhergeht.

„Die Länge der Tau-Fibrillen ist nicht nur ein Detail – sie ist ein Schlüsselparameter des Krankheitsprozesses“, sagte Prof. Friedler. „Bisher war es äußerst schwierig, die Fibrillengröße direkt in Lösung zu messen, insbesondere bei den winzigen Konzentrationen, die in echten biologischen Proben vorkommen.“

Die meisten vorhandenen Methoden erfordern entweder große Materialmengen, entfernen die Fibrillen aus ihrer natürlichen Umgebung oder liefern nur indirekte Informationen über die Fibrillengröße. Dies schränkt die Möglichkeiten der Wissenschaftler ein, zu untersuchen, wie Fibrillen wachsen, brechen oder auf potenzielle Medikamente und biologische Prozesse reagieren.

Das Herzstück des neuen Ansatzes ist FibrilPaint1, ein kurzes 22-Aminosäuren-Peptid, das wie ein hochselektiver fluoreszierender „Textmarker“ für Amyloidfibrillen in Flüssigkeiten wirken soll.

FibrilPaint1 verfügt über eine einzigartige Kombination von Eigenschaften:

• Es bindet Tau-Fibrillen mit nanomolarer Affinität, was bedeutet, dass es auch bei sehr geringen Konzentrationen fest haftet.
• Es erkennt sehr frühe Vorläufer, bis hin zu nur vier Schichten dicken Strukturen, aber
• Es bindet nicht an Tau-Monomere, die einzelnen Proteinmoleküle, bevor sie sich zusammenlagern.
• Es trägt eine fluoreszierende Markierung, sodass Forscher sehen und verfolgen können, wo und wie es bindet.
• Es erkennt ein breites Spektrum an Tau-Fibrillen, einschließlich solcher, die von Patienten mit Alzheimer-Krankheit, kortikobasaler Degeneration (CBD) und frontotemporaler Demenz (FTD) stammen.
• Es bindet auch Fibrillen, die von anderen krankheitsbedingten Amyloiden gebildet werden, darunter Amyloid-β, α-Synuclein und Huntingtin
• Bleibt hochselektiv für den Amyloidzustand mit vernachlässigbarer Hintergrundbindung an amorphe Aggregate, Blutserum oder Zelllysat.

„Wir wollten eine Sonde, die sich wie ein intelligenter Schlüssel verhält: Sie findet Amyloidfibrillen, auch sehr frühe, und ignoriert den Rest der überfüllten biologischen Umgebung“, sagte Prof. Rüdiger. „FibrilPaint1 macht genau das.“

Um diese intelligente Sonde in ein quantitatives Werkzeug zu verwandeln, kombinierte das Team FibrilPaint1 mit einer Mikrofluidik-Technologie namens Flow-Induced Dispersion Analysis (FIDA).

Im FibrilRuler-Test bindet FibrilPaint1 an Amyloidfibrillen in Lösung. Wenn die Probe durch eine mikrofluidische Kapillare fließt, zeigt die Art und Weise, wie sich das Fluoreszenzsignal über die Zeit ausbreitet, die effektive Größe des Fibrillen-FibrilPaint-Komplexes. Daraus können die Forscher die Fibrillenlänge mit „Schichtauflösung“ berechnen.

Mit diesem Aufbau war das Team in der Lage, Tau-Fibrillenlängen von nur 4 Schichten bis zu 1.100 Schichten in Lösung zu messen, wobei Probenvolumina im Submikroliterbereich verwendet wurden. Selbst bei niedrigen nanomolaren Konzentrationen blieb die Methode empfindlich und präzise.

„Das ist so, als hätte man ein molekulares Lineal in der Flüssigkeit selbst“, erklärte Prof. Friedler. „Wir müssen Fibrillen nicht länger auf einer Oberfläche immobilisieren oder auf große Materialmengen angewiesen sein. Wir können direkt in Lösung verfolgen, wie Fibrillen wachsen, schrumpfen oder fragmentieren.“

Da FibrilPaint1 vom Patienten stammende Tau-Fibrillen mehrerer Tauopathien erkennt und in komplexen biologischen Mischungen funktionieren kann, ohne an anderen Komponenten zu haften, bietet der FibrilRuler-Test eine attraktive Plattform sowohl für die Grundlagenforschung als auch für zukünftige klinische Anwendungen.

Im Labor kann die Methode verwendet werden, um:

• Untersuchen Sie, wie sich Fibrillen unter verschiedenen Bedingungen verlängern oder brechen
• Testen Sie, wie Medikamente oder biologische Wege die Fibrillenlänge modulieren
• Vergleichen Sie die Fibrilleneigenschaften zwischen verschiedenen Krankheiten oder Patientenproben

Längerfristig sehen die Forscher Potenzial für einen diagnostischen Einsatz.

„Wenn wir die Größe von Amyloidfibrillen in patienteneigenem Material – zum Beispiel in Liquor oder anderen zugänglichen Proben – direkt messen können, könnten wir einen neuen Typ von Biomarker für Demenz gewinnen“, sagte Prof. Rüdiger. „Die Fibrillenlänge ist ein informativer Parameter, der bisher nur sehr schwer zugänglich war.“

Prof. Friedler fügte hinzu: „Unsere Vision ist, dass der FibrilRuler-Test in eine Diagnoseplattform umgewandelt werden könnte, um das Fortschreiten der Krankheit oder das Ansprechen auf die Behandlung zu überwachen, indem die Fibrillengröße im Laufe der Zeit verfolgt wird. Dies erfordert zwar weitere Entwicklung und Validierung, diese Studie ist jedoch ein wichtiger erster Schritt.“

Quellen: