Computersimulationen für neurodegenerative Erkrankungen

• Neues Modell untersucht, wie infektiöse Samen durch die unebene Struktur des Gehirns diffundieren.
• Forscher verwendeten MRT-Scans eines erwachsenen Gehirns, um hochauflösende Simulationen in 2D und 3D zu erstellen.
• Diese Simulationen reproduzieren das Schadensmuster, das bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet wurde.

Mit dem Alter verbundene neurodegenerative Erkrankungen sind vielschichtige und komplexe Pathologien. In den meisten Fällen hängt ihr Wachstum eng mit dem Fortschreiten bestimmter Proteinaggregate zusammen, die als Prionen bekannt sind.

Prionen sind infektiöse Samen, die eine Kettenreaktion aus Proteinaggregation und Fehlfaltung auslösen, wodurch eine konformative Autokatalyse entsteht. Allmählich dehnen sich diese Samen aus, fragmentieren und verbreiten sich in andere Regionen des Gehirns. Dies beeinträchtigt die normale Funktion des Nervensystems und führt zu Hirnatrophie, Nekrose und schließlich zum Tod. Genau das passiert bei Parkinson, Alzheimer und ALS.

Jetzt haben Forscher des Stevens Institute of Technology, der Stanford University und der University of Oxford ein neues Modell entwickelt, das untersucht, wie diese infektiösen Samen durch die unebene Struktur des Gehirns diffundieren. Es zeigt, dass die Verteilung toxischer Moleküle bei allen Krankheiten von der Stelle abhängt, an der diese Moleküle zuerst auftraten.

Die Simulationen deuten darauf hin, dass Hirnschäden hauptsächlich auf die Entfernung von Gehirnzellen durch den Körper zurückzuführen sind, die durch den physischen Einfluss beeinträchtigt wurden. Die Autoren glauben, dass ihr Werkzeug Wissenschaftlern helfen wird, das Fortschreiten schwerer Gehirnerkrankungen zu blockieren.

Das Modell ignoriert die Biochemie

Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen bleiben die anfänglichen toxischen Moleküle unklar, aber sie kopieren sich selbst, um sich auf eine bestimmte Weise falsch zu falten. Die Krankheit schreitet fort, während sich die missgebildeten Proteine ​​durch das Gehirn ausbreiten und in Klumpen und Fasern aggregieren.

Dieses neue Modell ignoriert biochemische und zelluläre Mechanismen und repräsentiert einfach die grundlegenden Prozesse der Vermehrung und die wachsende Zahl schädlicher Proteine.

Anstatt durch die Flüssigkeit außerhalb der Zellen zu wandern, bewegen sich giftige Moleküle im Gehirn durch Neuronen (Netzwerk von Nervenzellen). Jede Nervenzelle besteht aus einem Kern und einem Axon, das elektrische Signale an andere Nervenzellen weiterleitet. Axone machen den größten Teil der weißen Substanz des Gehirns aus, während ihre Zellkörper den Großteil der grauen Substanz enthalten.

Referenz:APS Physik | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Universität Oxford

In diesem Modell diffundieren toxische Moleküle mit einer bestimmten Geschwindigkeit entlang der Axone und wandern durch die weiße Substanz. Sie diffundieren auch in extrazelluläre Regionen, jedoch mit einer viel langsameren Geschwindigkeit. In der grauen Substanz diffundieren diese Moleküle mit mittlerer Geschwindigkeit isotrop. Sobald sie in einen neuen Bereich diffundieren, erstellen sie Kopien ihrer selbst mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die von der Anzahl der in diesen Bereichen vorhandenen toxischen Proteine ​​abhängt.

Toxische Proteine ​​​​im Gehirn simulieren

Klinische Daten (oben) vs. Simulation (unten) | Pfeile zeigen die Ausbreitung toxischer Proteine ​​bei Alzheimer | Kredit: A. Goriely / Universität Oxford

Um hochauflösende Simulationen in 2D und 3D zu erstellen, verwendeten die Autoren MRT-Scans eines erwachsenen Gehirns. Die 2D-Computersimulationen wurden in vertikalen Schnitten (entweder von Seite zu Seite oder von vorne nach hinten) durchgeführt und 3D-Simulationen deckten das gesamte Gehirn ab.

Dann kartierten sie die klinischen Daten zum Fortschreiten der Parkinson- und Alzheimer-Krankheit. Diesen Daten zufolge starten die toxischen Proteine ​​an einem bestimmten Ort und breiten sich in einem bestimmten Muster aus. Der Autor fütterte seine Simulationen mit diesen Anfangsbedingungen und stellte fest, dass Simulationen das mit jeder Störung verbundene Muster genau nachbildeten.

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Das Modell kann Wissenschaftlern helfen, mehr über die Biochemie zu erfahren, indem es ihre physikalischen Aspekte berücksichtigt. Die Simulationen zeigen deutlich, dass die Diffusion eine große Rolle beim Fortschreiten neurodegenerativer Erkrankungen spielt. Es könnte der zukünftigen interdisziplinären Forschung neue Richtungen geben.