阿尔茨海默病是美国第六大死因，每 10 名 65 岁以上的人中就有 1 人罹患此病。科学家们正在设计纳米设备，以破坏导致这种疾病的大脑过程。

受阿尔茨海默病影响的人有一种特定类型的斑块，由称为 β-淀粉样蛋白 (Aβ)肽的自组装分子组成，随着时间的推移会在大脑中积聚。这种堆积被认为是导致神经连接丧失和细胞死亡的原因。研究人员正在研究防止肽形成这些危险斑块的方法，以阻止大脑中阿尔茨海默病的发展。

在一项多学科研究中，美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家与韩国科学技术研究所 (KIST) 和韩国先进科学技术研究所 (KAIST) 的合作者开发了一种方法通过设计一种纳米尺寸的装置来防止斑块形成，该装置在危险肽可以自组装之前捕获它们。

“β-淀粉样肽产生于淀粉样前体蛋白(脑细胞的正常成分)的分解，”阿贡生物科学部的分子生物学家罗斯玛丽·威尔顿说。“在健康的大脑中，这些废弃的肽被消除了。”

然而，在容易发展为阿尔茨海默氏症的大脑中，大脑不会消除肽，让它们聚集成破坏性的斑块。

阿贡纳米材料中心 (CNM) 的科学家埃琳娜·罗日科娃 (Elena Rozhkova) 补充说：“我们的想法是，最终，我们的纳米装置浆液可以在肽离开细胞时收集它们——在它们有机会聚集之前，”美国能源部科学用户设施办公室。

装饰表面

研究人员用抗体片段(一种蛋白质)覆盖了新纳米装置的表面，该片段识别并结合 Aβ 肽。纳米装置的表面是球形和多孔的，它的凹坑最大限度地增加了抗体覆盖的可用表面积。更多的表面积意味着更多的捕获粘性肽的能力。

为了找到最佳涂层，科学家们首先搜索了以前的文献，以确定对 Aβ 肽具有高亲和力的抗体。选择一种能够吸引肽但不与大脑中的其他分子结合的抗体是很重要的。然后由威尔顿领导的团队在细菌中产生抗体并测试它们的性能。

一个完整的抗体分子可以长达几十纳米，这在纳米技术领域是很大的。然而，只有一小部分这种抗体参与吸引肽。为了最大限度地提高纳米设备的有效性和容量，威尔顿的团队制造了微小的抗体片段来装饰纳米设备的表面。

设计和测试纳米器件

CNM 的科学家们用二氧化硅构建了多孔球形纳米装置的基础，二氧化硅由于其合成灵活性和在体内无毒而长期以来一直用于生物医学应用。涂有抗体片段的纳米装置以高选择性和强度捕获和捕获 Aβ 肽。

“许多预防阿尔茨海默氏症的尝试都集中在抑制酶从细胞表面切割 β-淀粉样肽，”在 CNM 领导该项目的 Rozhkova 说。“我们的消除方法更直接。我们利用纳米技术和生物学的构建模块来设计一个高容量的‘笼子’，它可以捕获肽并将其从大脑中清除。”

在 CNM，科学家们通过比较肽在没有和存在纳米设备的情况下的表现来测试设备的有效性。使用体外透射电子显微镜 (TEM)，他们观察到在纳米装置存在的情况下肽聚集显着下降。他们使用共聚焦激光扫描显微镜和微尺度热泳测量进一步分析了相互作用，这两种额外的技术用于表征纳米尺度的相互作用。

科学家们还进行了小角度 X 射线散射，以研究在合成过程中使纳米器件多孔的过程。研究人员在实验室高级光子源 (APS) 的光束线 12-ID-B 上进行了 X 射线表征，由阿贡 X 射线科学部门的组长 Byeongdu Lee 领导，该实验室是美国能源部科学用户设施办公室。

这些研究支持这样一种情况，即与不含抗体片段的对照二氧化硅颗粒相比，纳米装置将肽从聚集途径中隔离了 90% 以上。然而，这些设备仍然需要证明它们在细胞和大脑中的有效性和安全性。

Joonseok Lee 最初在 Argonne 作为主任的博士后任命者提出该实验并开创了纳米装置的设计，继续在 KIST 和 KAIST 研究该装置的治疗潜力。

“主任的博士后职位是 Argonne 提供的难得机会，它允许进行独特的研究项目和跨领域合作，否则可能无法实现，”Rozhkova 说。“我们在实验室拥有令人难以置信的头脑，他们想要探索不属于预定研究领域的主题，而该计划鼓励这种创造力和创新。”

Lee 和他的合作者进行的体内实验——在活细胞中进行的实验——表明纳米装置对细胞无毒。他们还测试了这些设备在患有阿尔茨海默氏症的小鼠大脑中的有效性，表明与对照大脑相比，包含纳米设备的大脑中斑块形成的抑制率约为 30%。小鼠研究是在韩国 KIST 和 KAIST 进行的，并获得了适当的政府批准。

这项研究结合了抗体工程和纳米技术的优势、阿贡两个 DOE 用户设施的力量以及实验室博士后计划所产生的创新合作，以探索预防阿尔茨海默氏症的技术方法。

使用类似的方法，科学家们还可以将二氧化硅纳米粒子与不同的抗体配对，这些抗体针对与其他神经退行性疾病相关的分子，如亨廷顿病和帕金森病，这些疾病也涉及异常蛋白质聚集。多孔纳米粒子可以进一步升级用于成像应用，包括荧光成像和磁共振成像。

一篇题为“二氧化硅纳米耗竭剂：靶向和清除阿尔茨海默氏症 β-淀粉样蛋白斑块”的研究论文发表在《高级功能材料》四月刊上，并登上了封面。

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