神経変性疾患のコンピューターシミュレーション
- 新しいモデルは、感染性の種子が脳の不均一な構造を介してどのように拡散するかを調べます。
- 研究者は、成人の脳のMRIスキャンを使用して、2Dと3Dの両方で高解像度のシミュレーションを作成しました。
- これらのシミュレーションは、多くの神経変性疾患で観察される損傷のパターンを再現します。
加齢に伴う神経変性疾患は、多面的で複雑な病状です。ほとんどの場合、それらの成長は、プリオンとして知られる特定のタンパク質凝集体の進行と密接に関連しています。
プリオンは感染性の種子であり、タンパク質の凝集と誤った折り畳みの連鎖反応を引き起こし、コンフォメーションの自己触媒作用を引き起こします。徐々に、これらの種子は拡大し、断片化し、脳の他の領域に広がります。これは神経系の正常な機能に影響を及ぼし、脳の萎縮、壊死、そして最終的には死を引き起こします。これはまさにパーキンソン病とアルツハイマー病とALSで起こることです。
現在、スティーブンス工科大学、スタンフォード大学、オックスフォード大学の研究者は、これらの感染性種子が脳の不均一な構造を介してどのように拡散するかを調べる新しいモデルを開発しました。これは、すべての疾患における毒性分子の分布が、これらの分子が最初に出現した場所に依存することを示しています。
シミュレーションによると、脳の損傷は主に、物理的な衝撃によって損なわれた脳細胞の体の除去が原因で発生します。著者は、彼らのツールが科学者が深刻な脳障害の進行を阻止するのに役立つと信じています。
モデルは生化学を無視します
多くの神経変性疾患では、最初の有毒分子は濁ったままですが、特定の方法で誤って折りたたまれるようにコピーされます。奇形のタンパク質が脳を通って広がり、塊や繊維に凝集するにつれて、病気は進行します。
この新しいモデルは、生化学的および細胞メカニズムを無視し、有害なタンパク質の増殖と増加する数の基本的なプロセスを単に表しています。
脳内の有毒な分子は、細胞の外側の液体を通って移動するのではなく、ニューロン（神経細胞のネットワーク）を通って移動します。各神経細胞は、電気信号を他の神経細胞に伝達する核と軸索で構成されています。軸索は脳の白質の大部分を占めていますが、細胞体には灰白質の大部分が含まれています。
参照：APS物理学| doi：10.1103 / PhysRevLett.121.158101 |オックスフォード大学
このモデルでは、有毒な分子が特定の速度で軸索に沿って拡散し、白質を通過します。それらは細胞外領域にも拡散しますが、速度ははるかに遅くなります。灰白質では、これらの分子は中程度の速度で等方的に拡散します。それらが新しい領域に拡散すると、それらの領域に存在する有毒なタンパク質の数に応じて、特定の速度で自分自身のコピーを作成します。
臨床データ（上）とシミュレーション（下）|矢印は、アルツハイマー病における有毒タンパク質の伝播を示しています。クレジット：A。Goriely / Oxford University
2Dと3Dの両方で高解像度のシミュレーションを作成するために、著者は成人の脳のMRIスキャンを使用しました。 2Dコンピューターシミュレーションは垂直スライス（左右または前後）で実行され、3Dシミュレーションは脳全体をカバーしました。
次に、パーキンソン病とアルツハイマー病の進行の臨床データをマッピングしました。これらのデータによると、有毒なタンパク質は特定の場所から始まり、特定のパターンで広がります。著者はこれらの初期条件をシミュレーションに与え、シミュレーションが各障害に関連するパターンを正確に再現していることを発見しました。
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このモデルは、物理的側面を考慮に入れることで、科学者が生化学についてさらに学ぶのに役立ちます。シミュレーションは、拡散が神経変性疾患の進行に主要な役割を果たすことを明確に示しています。それは将来の学際的研究への新しい方向性を与える可能性があります。
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