Vật liệu nano mô phỏng protein có thể điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh

Một vật liệu nano mới mô phỏng hành vi của protein có thể là phương pháp điều trị hiệu quả cho bệnh Alzheimer và các bệnh thoái hóa thần kinh khác. Vật liệu nano làm thay đổi tương tác giữa hai protein chính trong tế bào não, có thể có tác dụng điều trị mạnh mẽ.

Những kết quả cải tiến này, vừa được công bố trên tạp chí Advanced Materials, là thành quả của sự hợp tác giữa các nhà khoa học từ Đại học Wisconsin-Madison và các kỹ sư vật liệu nano từ Đại học Northwestern.

Công trình tập trung vào việc thay đổi sự tương tác giữa hai loại protein được cho là có liên quan đến sự phát triển của các bệnh như Alzheimer, Parkinson và xơ cứng teo cơ một bên (ALS).

Protein đầu tiên được gọi là Nrf2, đây là một loại protein cụ thể được gọi là yếu tố phiên mã có chức năng bật và tắt gen bên trong tế bào.

Một trong những chức năng quan trọng của Nrf2 là tác dụng chống oxy hóa. Mặc dù các bệnh thoái hóa thần kinh khác nhau phát sinh từ các quá trình bệnh lý khác nhau, chúng được thống nhất bởi tác dụng độc hại của stress oxy hóa lên tế bào thần kinh và các tế bào thần kinh khác. Nrf2 chống lại stress độc hại này trong các tế bào não, giúp ngăn ngừa sự phát triển của bệnh tật.

Giáo sư Jeffrey Johnson của Khoa Dược, Đại học Wisconsin-Madison và vợ ông, Delinda Johnson, một nhà khoa học nghiên cứu cao cấp tại cùng trường, đã nghiên cứu Nrf2 trong nhiều thập kỷ như một mục tiêu đầy hứa hẹn để điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh. Năm 2022, vợ chồng Johnson và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng việc tăng cường hoạt động của Nrf2 trong một loại tế bào não cụ thể, tế bào hình sao, giúp bảo vệ các tế bào thần kinh ở mô hình chuột mắc bệnh Alzheimer, dẫn đến giảm đáng kể tình trạng mất trí nhớ.

Trong khi các nghiên cứu trước đây cho thấy việc tăng cường hoạt động của Nrf2 có thể là cơ sở để điều trị bệnh Alzheimer, các nhà khoa học vẫn gặp khó khăn trong việc nhắm mục tiêu hiệu quả vào protein trong não.

Jeffrey Johnson cho biết: "Thật khó để đưa thuốc vào não, nhưng cũng rất khó để tìm ra loại thuốc kích hoạt Nrf2 mà không gây ra nhiều tác dụng phụ".

Bây giờ một vật liệu nano mới đã xuất hiện. Được gọi là polymer giống protein (PLP), vật liệu tổng hợp này được thiết kế để liên kết với protein như thể nó chính là protein. Mô phỏng kích thước nano này được tạo ra bởi một nhóm do Nathan Giannenchi, giáo sư hóa học tại Đại học Northwestern và là thành viên của Viện Khoa học nano quốc tế của trường đại học này, đứng đầu.

Giannecchi đã thiết kế một số PLP để nhắm vào các protein khác nhau. PLP cụ thể này được thiết kế để thay đổi tương tác giữa Nrf2 và một protein khác có tên là Keap1. Tương tác của các protein này, hoặc con đường, là một mục tiêu nổi tiếng để điều trị nhiều tình trạng vì Keap1 kiểm soát thời điểm Nrf2 phản ứng và chống lại stress oxy hóa. Trong điều kiện bình thường, Keap1 và Nrf2 có liên quan, nhưng khi bị stress, Keap1 giải phóng Nrf2 để thực hiện chức năng chống oxy hóa của nó.

"Chỉ trong một cuộc trò chuyện, Nathan và các đồng nghiệp của anh ấy tại Grove Biopharma, một công ty khởi nghiệp tập trung vào việc nhắm mục tiêu điều trị các tương tác protein, đã đề cập với Robert rằng họ đang có kế hoạch nhắm mục tiêu vào Nrf2", Johnson nói. "Và Robert nói, 'Nếu anh định làm điều đó, anh nên gọi cho Jeff Johnson.'"

Ngay sau đó, Johnson và Giannenchi đã thảo luận về khả năng phòng thí nghiệm của Đại học Wisconsin-Madison cung cấp tế bào não của mô hình chuột để thử nghiệm vật liệu nano của Giannenchi.

Jeffrey Johnson cho biết ban đầu ông có phần hoài nghi về phương pháp PLP vì ông chưa quen với phương pháp này và vì khó khăn chung trong việc nhắm mục tiêu chính xác vào các protein trong tế bào não.

"Nhưng sau đó một trong những học trò của Nathan đã đến đây và sử dụng nó trên các tế bào của chúng tôi, và, chết tiệt, nó hoạt động thực sự tốt", ông nói. "Sau đó, chúng tôi thực sự đào sâu vào nó".

Nghiên cứu phát hiện ra rằng PLP của Giannecchi có hiệu quả cao trong việc liên kết với Keap1, giải phóng Nrf2 để tích tụ trong nhân tế bào, tăng cường chức năng chống oxy hóa của nó. Điều quan trọng là nó không gây ra tác dụng phụ không mong muốn ảnh hưởng đến các chiến lược kích hoạt Nrf2 khác.

Mặc dù công trình này được thực hiện trên các tế bào trong môi trường nuôi cấy, Johnson và Giannecchi hiện đang có kế hoạch tiến hành các nghiên cứu tương tự trên mô hình chuột mắc bệnh thoái hóa thần kinh, một hướng nghiên cứu mà họ không mong đợi sẽ theo đuổi nhưng hiện đang rất hào hứng theo đuổi.

"Chúng tôi không có chuyên môn để làm vật liệu sinh học", Delinda Johnson nói. "Vì vậy, việc nhận được điều này từ Northwestern và sau đó phát triển thêm về mặt sinh học tại Đại học Wisconsin cho thấy những loại hợp tác này thực sự quan trọng".