วัสดุนาโนที่เลียนแบบโปรตีนสามารถรักษาโรคทางระบบประสาทได้

นาโนวัสดุชนิดใหม่ที่เลียนแบบพฤติกรรมของโปรตีนอาจกลายเป็นการรักษาโรคอัลไซเมอร์และโรคระบบประสาทเสื่อมอื่นๆ ที่มีประสิทธิภาพ นาโนวัสดุนี้เปลี่ยนแปลงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนหลัก 2 ชนิดในเซลล์สมอง ซึ่งอาจมีผลการรักษาที่ทรงพลัง

ผลลัพธ์เชิงนวัตกรรมที่เพิ่งตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials เป็นไปได้ด้วยความร่วมมือระหว่างนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน และวิศวกรนาโนวัสดุจากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น

งานวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน 2 ชนิดที่เชื่อว่ามีส่วนเกี่ยวข้องกับโรคต่างๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์ โรคพาร์กินสัน และโรคกล้ามเนื้ออ่อนแรง (ALS)

โปรตีนชนิดแรกเรียกว่า Nrf2 ซึ่งเป็นโปรตีนชนิดหนึ่งที่เรียกว่าแฟกเตอร์การถอดรหัสที่ทำหน้าที่เปิดและปิดยีนภายในเซลล์

หน้าที่ที่สำคัญอย่างหนึ่งของ Nrf2 คือฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ แม้ว่าโรคระบบประสาทเสื่อมต่างๆ จะเกิดจากกระบวนการทางพยาธิวิทยาที่แตกต่างกัน แต่โรคเหล่านี้ก็มีผลที่เป็นพิษต่อเซลล์ประสาทและเซลล์ประสาทอื่นๆ เช่นกัน Nrf2 ต่อสู้กับความเครียดที่เป็นพิษในเซลล์สมอง ช่วยป้องกันการเกิดโรคต่างๆ

ศาสตราจารย์เจฟฟรีย์ จอห์นสันจากคณะเภสัชศาสตร์ มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน พร้อมด้วยเดลินดา จอห์นสัน ภรรยาของเขา ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสของคณะ ได้ทำการศึกษาวิจัย Nrf2 ในฐานะเป้าหมายที่มีแนวโน้มดีในการรักษาโรคระบบประสาทเสื่อมมานานหลายทศวรรษ ในปี 2022 จอห์นสันและเพื่อนร่วมงานได้ค้นพบว่าการเพิ่มกิจกรรมของ Nrf2 ในเซลล์สมองชนิดหนึ่งที่เรียกว่าแอสโตรไซต์ ช่วยปกป้องเซลล์ประสาทในหนูทดลองที่เป็นโรคอัลไซเมอร์ ส่งผลให้สูญเสียความจำลดลงอย่างมาก

แม้ว่างานวิจัยก่อนหน้านี้จะแนะนำว่าการเพิ่มกิจกรรมของ Nrf2 อาจเป็นพื้นฐานในการรักษาโรคอัลไซเมอร์ แต่บรรดานักวิทยาศาสตร์ยังคงประสบปัญหาในการกำหนดเป้าหมายโปรตีนชนิดนี้ในสมองอย่างมีประสิทธิภาพ

“การนำยาเข้าสู่สมองเป็นเรื่องยาก แต่การค้นหายาที่กระตุ้น Nrf2 โดยไม่เกิดผลข้างเคียงมากนักก็เป็นเรื่องยากเช่นกัน” เจฟฟรีย์ จอห์นสันกล่าว

และตอนนี้ นาโนวัสดุชนิดใหม่ก็ปรากฏขึ้นแล้ว ซึ่งเรียกว่าพอลิเมอร์คล้ายโปรตีน (PLP) วัสดุสังเคราะห์ชนิดนี้ได้รับการออกแบบให้จับกับโปรตีนราวกับว่าเป็นโปรตีนตัวมันเอง เครื่องจำลองระดับนาโนนี้สร้างขึ้นโดยทีมที่นำโดยศาสตราจารย์ด้านเคมี Nathan Giannekshi จากมหาวิทยาลัย Northwestern และสมาชิกของสถาบันนาโนเทคโนโลยีนานาชาติของมหาวิทยาลัย

Giannecchi ได้ออกแบบ PLP หลายตัวเพื่อกำหนดเป้าหมายโปรตีนที่แตกต่างกัน PLP เฉพาะนี้มีโครงสร้างเพื่อเปลี่ยนแปลงปฏิสัมพันธ์ระหว่าง Nrf2 และโปรตีนอีกตัวหนึ่งที่เรียกว่า Keap1 ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนหรือเส้นทางเหล่านี้เป็นเป้าหมายที่รู้จักกันดีในการรักษาภาวะต่างๆ เนื่องจาก Keap1 ควบคุมเวลาที่ Nrf2 ตอบสนองและต่อสู้กับความเครียดออกซิเดชัน ในสภาวะปกติ Keap1 และ Nrf2 จะจับกัน แต่เมื่อได้รับความเครียด Keap1 จะปลดปล่อย Nrf2 เพื่อทำหน้าที่ต้านอนุมูลอิสระ

“ในระหว่างการสนทนา Nathan และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Grove Biopharma ซึ่งเป็นสตาร์ทอัพที่เน้นไปที่ปฏิกิริยาโต้ตอบของโปรตีนในเชิงการรักษา กล่าวกับ Robert ว่าพวกเขากำลังวางแผนที่จะกำหนดเป้าหมาย Nrf2” Johnson กล่าว "และโรเบิร์ตก็พูดว่า 'ถ้าคุณจะทำเช่นนี้ คุณอาจต้องการโทรหาเจฟฟ์ จอห์นสัน'"

ไม่นาน ครอบครัว Johnsons และ Giannenchi ก็คุยกันถึงความเป็นไปได้ในการจัดหาเซลล์สมองแบบจำลองเมาส์ที่จำเป็นสำหรับห้องปฏิบัติการของ University of Wisconsin-Madison เพื่อทดสอบวัสดุนาโนของ Giannenchi

เจฟฟรีย์ จอห์นสันกล่าวว่าในตอนแรกเขาไม่ค่อยเชื่อแนวทาง PLP มากนัก เนื่องจากเขาไม่คุ้นเคยและมีความยากโดยทั่วไปในการกำหนดเป้าหมายโปรตีนในเซลล์สมองอย่างแม่นยำ

"แต่แล้วนักเรียนคนหนึ่งของนาธานมาที่นี่และใช้มันกับเซลล์ของเรา และเพื่อน มันได้ผลดีมาก" เขากล่าว "ถ้าอย่างนั้นเราก็เจาะลึกมันจริงๆ"

การศึกษาพบว่า PLP ของ Giannenchi มีประสิทธิภาพสูงในการจับกับ Keap1 ซึ่งทำให้ Nrf2 เป็นอิสระในการสะสมในนิวเคลียสของเซลล์ และเพิ่มการทำงานของสารต้านอนุมูลอิสระ ที่สำคัญ มันทำได้โดยไม่ก่อให้เกิดผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งรบกวนกลยุทธ์การเปิดใช้งาน Nrf2 อื่นๆ

ในขณะที่งานนี้ดำเนินการในเซลล์ในการเพาะเลี้ยง ขณะนี้จอห์นสันและ Giannenchi วางแผนที่จะทำการศึกษาที่คล้ายกันในแบบจำลองเมาส์ของโรคความเสื่อมของระบบประสาท ซึ่งเป็นแนวทางการวิจัยที่พวกเขาไม่คาดคิดว่าจะได้ดำเนินการแต่ขณะนี้รู้สึกตื่นเต้นที่จะดำเนินการ

“เราไม่มีพื้นฐานด้านวัสดุชีวภาพ” Delinda Johnson กล่าว “การได้รับสิ่งนี้จากนอร์ธเวสเทิร์นแล้วพัฒนาด้านชีววิทยาเพิ่มเติมที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซินแสดงให้เห็นว่าความร่วมมือประเภทนี้มีความสำคัญมาก”