Un probable factor temprano de la enfermedad de Alzheimer es la acumulación de moléculas llamadas péptidos amiloides. Estos provocan la muerte celular y se encuentran comúnmente en el cerebro de los pacientes con Alzheimer. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) han demostrado que las células de levadura que acumulan estos péptidos amiloides mal plegados pueden recuperarse después de ser tratadas con nanoescamas de óxido de grafeno.
Las proteínas y los péptidos son fundamentalmente el mismo tipo de molécula y están formados por aminoácidos. Las moléculas de péptidos son más pequeñas (normalmente contienen menos de 50 aminoácidos) y tienen una estructura menos complicada. Tanto las proteínas como los péptidos pueden deformarse si se pliegan de manera incorrecta durante su formación en la célula. Cuando muchos péptidos beta-amiloides se acumulan en el cerebro, los agregados se clasifican como proteínas.
La enfermedad de Alzheimer es una enfermedad cerebral incurable, que conduce a demencia y muerte, y que causa sufrimiento tanto a los pacientes como a sus familias. Se estima que más de 40 millones de personas en todo el mundo viven con esta enfermedad o una forma relacionada de demencia. Según Alzheimer's News Today, el coste global estimado de estas enfermedades es el 1% del producto interior bruto mundial.
Se cree que los péptidos beta-amiloide mal plegados, los péptidos Aβ, que se acumulan y agregan en el cerebro, son la causa subyacente de la enfermedad de Alzheimer. Desencadenan una serie de procesos dañinos en las neuronas (células cerebrales), provocando la pérdida de muchas funciones celulares vitales o la muerte celular y, por lo tanto, una pérdida de la función cerebral en el área afectada. Hasta la fecha, no existen estrategias efectivas para tratar la acumulación de amiloide en el cerebro.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han demostrado ahora que el tratamiento con óxido de grafeno conduce a niveles reducidos de péptidos amiloides agregados en un modelo de células de levadura. La investigación se publica en la revista Advanced Functional Materials. .
"Este efecto del óxido de grafeno también ha sido demostrado recientemente por otros investigadores, pero no en células de levadura", dice Xin Chen, investigador en biología de sistemas en Chalmers y primer autor del estudio. "Nuestro estudio también explica el mecanismo detrás del efecto. El óxido de grafeno afecta el metabolismo de las células, de una manera que aumenta su resistencia a las proteínas mal plegadas y al estrés oxidativo. Esto no se había informado previamente".
En la enfermedad de Alzheimer, los agregados de amiloide ejercen sus efectos neurotóxicos al provocar diversos trastornos metabólicos celulares, como el estrés en el retículo endoplásmico, una parte importante de la célula en la que se producen muchas de sus proteínas. Esto puede reducir la capacidad de las células para manejar proteínas mal plegadas y, en consecuencia, aumentar la acumulación de estas proteínas.
Los agregados también afectan la función de las mitocondrias, las centrales eléctricas de las células. Por tanto, las neuronas están expuestas a un mayor estrés oxidativo (moléculas reactivas llamadas radicales de oxígeno, que dañan otras moléculas); algo a lo que las células cerebrales son particularmente sensibles.
Los investigadores de Chalmers realizaron el estudio mediante una combinación de análisis de proteínas (proteómica) y experimentos de seguimiento. Han utilizado la levadura de panadería, Saccharomyces cerevisiae, como modelo in vivo para células humanas. Ambos tipos de células tienen sistemas muy similares para controlar la calidad de las proteínas. Este modelo de células de levadura fue establecido previamente por el grupo de investigación para imitar las neuronas humanas afectadas por la enfermedad de Alzheimer.
"Las células de levadura en nuestro modelo se parecen a las neuronas afectadas por la acumulación de beta-amiloide42, que es la forma de péptido amiloide más propensa a la formación de agregados", dice Xin Chen. "Estas células envejecen más rápido de lo normal, muestran estrés en el retículo endoplásmico y disfunción mitocondrial, y tienen una producción elevada de radicales reactivos de oxígeno dañinos".
Los nanohojuelas de óxido de grafeno son nanomateriales de carbono bidimensionales con propiedades únicas, incluida una conductividad excepcional y una alta biocompatibilidad. Se utilizan ampliamente en diversos proyectos de investigación, incluido el desarrollo de tratamientos contra el cáncer, sistemas de administración de fármacos y biosensores.
Los nanocopos son hidrófilos (solubles en agua) e interactúan bien con biomoléculas como las proteínas. Cuando el óxido de grafeno ingresa a las células vivas, puede interferir con los procesos de autoensamblaje de las proteínas.
"Como resultado, puede dificultar la formación de agregados de proteínas y promover la desintegración de los agregados existentes", dice Santosh Pandit, investigador en biología de sistemas en Chalmers y coautor del estudio. "Creemos que los nanocopos actúan a través de dos vías independientes para mitigar los efectos tóxicos del beta-amiloide42 en las células de levadura".
En una vía, el óxido de grafeno actúa directamente para prevenir la acumulación de beta-amiloide42. En el otro, el óxido de grafeno actúa indirectamente mediante un mecanismo (actualmente desconocido), en el que se activan genes específicos para la respuesta al estrés. Esto aumenta la capacidad de la célula para manejar proteínas mal plegadas y estrés oxidativo.
Cómo tratar a los pacientes con Alzheimer sigue siendo una cuestión del futuro. Sin embargo, según el grupo de investigación de Chalmers, el óxido de grafeno tiene un gran potencial para futuras investigaciones en el campo de las enfermedades neurodegenerativas. El grupo de investigación ya ha podido demostrar que el tratamiento con óxido de grafeno también reduce los efectos tóxicos de los agregados proteicos específicos de la enfermedad de Huntington en un modelo de levadura.
"El siguiente paso es investigar si es posible desarrollar un sistema de administración de fármacos basado en óxido de grafeno para la enfermedad de Alzheimer". dice Xin Chen. "También queremos comprobar si el óxido de grafeno tiene efectos beneficiosos en otros modelos de enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Parkinson".
Más información: Xin Chen et al, El óxido de grafeno atenúa la toxicidad de los agregados de β-amiloide en levaduras al promover el desmontaje y aumentar la respuesta al estrés celular, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202304053
Información de la revista: Materiales funcionales avanzados
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Chalmers
