アルツハイマー病の初期の原因として考えられるのは、アミロイドペプチドと呼ばれる分子の蓄積です。これらは細胞死を引き起こし、アルツハイマー病患者の脳に一般的に見られます。スウェーデンのChalmers University of Technologyの研究者たちは、これらのミスフォールドしたアミロイドペプチドを蓄積した酵母細胞が、酸化グラフェンのナノフレークで処理されると回復することを示しました。
彼らの成果は、2023年7月7日にAdvanced Functional Materialsで公開されました。オープンアクセスの論文は「Graphene Oxide Attenuates Toxicity of Amyloid-β Aggregates in Yeast by Promoting Disassembly and Boosting Cellular Stress Response（酸化グラフェンが酵母におけるアミロイドβ凝集体の毒性を低減し、分解を促進し、細胞のストレス応答を強化する）」と題されています。
アルツハイマー病は、治療不可能な脳の病気であり、認知症や死を引き起こし、患者とその家族の双方に苦しみをもたらします。Alzheimer’s News Todayによれば、アルツハイマー病または関連する認知症の形態で生活している人々の全世界の推定人口は4000万人以上です。これらの疾患の推定される全体的なコストは、世界の総国内生産の1％です。
脳内で蓄積および凝集するミスフォールドしたアミロイドベータペプチド（Aβペプチド）は、アルツハイマー病の根本的な原因であると考えられています。これらのペプチドは、ニューロン（脳細胞）で一連の有害なプロセスを引き起こし、多くの重要な細胞機能の喪失または細胞の死を引き起こし、影響を受ける領域の脳機能の喪失を引き起こします。現在、脳内のアミロイド蓄積を治療する効果的な戦略はありません。
Chalmers University of Technologyの研究者たちは、酵母細胞モデルでの酸化グラフェンによる処理が、凝集したアミロイドペプチドのレベルを低減させることを示しました。
「他の研究者によっても酸化グラフェンのこの効果が最近示されていますが、酵母細胞ではありませんでした」と、Chalmersのシステム生物学の研究者であり、研究の第一著者であるシン・チェン氏 (Xin Chen）は述べています。「私たちの研究は、その効果の背後にあるメカニズムも説明しています。酸化グラフェンは、細胞の代謝に影響を与え、ミスフォールドしたタンパク質と酸化ストレスに対するその抵抗性を増加させる方法で影響を与えます。これは以前に報告されていませんでした。」
酵母モデルを使用したメカニズムの調査
アルツハイマー病では、アミロイド凝集体は、細胞の多くのタンパク質が生成される細胞の主要な部分である小胞体のストレスなど、さまざまな細胞代謝の障害を引き起こすことで、その神経毒性の効果を及ぼします。これにより、細胞のミスフォールドしたタンパク質を処理する能力が低下し、これらのタンパク質の蓄積が増加する可能性があります。
凝集体はまた、細胞の発電所であるミトコンドリアの機能に影響を与えます。したがって、ニューロンは増加した酸化ストレス（他の分子を損傷させる酸素ラジカルと呼ばれる反応性分子）にさらされます。これは、脳細胞が特に敏感であるものです。
Chalmersの研究者たちは、タンパク質分析（プロテオミクス）と追跡実験の組み合わせで研究を行っています。彼らは、ヒト細胞のin vivoモデルとして酵母、Saccharomyces cerevisiaeを使用しています。両方の細胞タイプは、タンパク質の品質を制御するための非常に類似したシステムを持っています。この酵母細胞モデルは、アルツハイマー病に影響を受けるヒトニューロンを模倣するために、研究グループによって以前に確立されました。
「私たちのモデルの酵母細胞は、凝集体の形成に最も傾向があるアミロイドベータ42の蓄積によって影響を受けるニューロンに似ています」と、シン・チェン氏は言います。「これらの細胞は通常よりも早く老化し、小胞体ストレスとミトコンドリアの機能不全を示し、有害な反応性酸素ラジカルの生産が増加しています。」
酸化グラフェンナノフレークに対する高い期待
酸化グラフェンのナノフレークは、独自の特性を持つ二次元の炭素ナノ材料であり、優れた導電性と高い生体適合性を持っています。それらは、がん治療、薬物送達システム、バイオセンサーの開発を含むさまざまな研究プロジェクトで広く使用されています。
ナノフレークは親水性（水溶性）であり、タンパク質などのバイオ分子とよく相互作用します。酸化グラフェンが生きている細胞に入ると、タンパク質の自己組織化プロセスに干渉することができます。
「その結果、タンパク質凝集体の形成を妨げ、既存の凝集体の分解を促進することができます」と、Chalmersのシステム生物学の研究者であり、研究の共著者であるサントッシュ・パンディット氏 (Santosh Pandit）は言います。「私たちは、ナノフレークが酵母細胞のアミロイドベータ42の毒性効果を緩和するために、2つの独立した経路を介して行動すると考えています。」
一つの経路では、酸化グラフェンはアミロイドベータ42の蓄積を直接防ぐために作用します。もう一つの経路では、酸化グラフェンは、ストレス応答のための特定の遺伝子が活性化される（現在は不明な）メカニズムによって間接的に作用します。これにより、細胞のミスフォールドしたタンパク質と酸化ストレスを処理する能力が増加します。
ハンチントン病酵母細胞モデルにおける効果
アルツハイマー病患者をどのように治療するかは、今後の課題です。しかし、Chalmersの研究グループによれば、酸化グラフェンは、神経変性疾患の分野での将来の研究において大きな可能性を持っています。研究グループは、酸化グラフェンの治療が、酵母モデルにおけるハンチントン病特有のタンパク質凝集体の毒性効果も低減させることができることをすでに示しています。
次のステップ
「次のステップは、アルツハイマー病のための酸化グラフェンに基づく薬物送達システムを開発するかどうかを調査することです」と、シン・チェン氏は言います。「私たちは、酸化グラフェンが、パーキンソン病などの神経変性疾患の追加のモデルで有益な効果を持っているかどうかをテストしたいと考えています。」
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