신경퇴행성 질환에 대한 컴퓨터 시뮬레이션

• 새로운 모델은 뇌의 고르지 않은 구조를 통해 전염성 씨앗이 어떻게 확산되는지 조사합니다.
• 연구원은 성인 뇌의 MRI 스캔을 사용하여 2D와 3D 모두에서 고해상도 시뮬레이션을 만들었습니다.
• 이러한 시뮬레이션은 수많은 신경퇴행성 장애에서 관찰되는 손상 패턴을 재현합니다.

나이와 관련된 퇴행성 신경 질환은 다면적이고 복잡한 병리학입니다. 대부분의 경우 이들의 성장은 프리온으로 알려진 특정 단백질 응집체의 진행과 밀접한 관련이 있습니다.

프리온은 단백질 응집 및 접힘 오류의 연쇄 반응을 유발하여 형태적 자가촉매를 생성하는 감염성 종자입니다. 점차적으로, 이 씨앗은 확장되고, 조각나고, 뇌의 다른 영역으로 퍼집니다. 이는 신경계의 정상적인 기능에 영향을 미치고 뇌 위축, 괴사 및 궁극적으로 사망을 유발합니다. 이것이 바로 파킨슨병, 알츠하이머병 및 ALS에서 일어나는 일입니다.

현재 Stevens Institute of Technology, Stanford University, Oxford University의 연구원들은 이러한 전염성 종자가 뇌의 고르지 않은 구조를 통해 어떻게 확산되는지 조사하는 새로운 모델을 개발했습니다. 그것은 모든 질병에서 독성 분자의 분포가 이러한 분자가 처음 나타난 위치에 달려 있음을 보여줍니다.

시뮬레이션은 뇌 손상이 주로 신체가 물리적 충격에 의해 손상된 뇌 세포를 제거하기 때문에 발생함을 나타냅니다. 저자들은 그들의 도구가 과학자들이 심각한 뇌 장애의 진행을 막는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.

생화학을 무시하는 모델

많은 신경퇴행성 질환에서 초기 독성 분자는 여전히 흐릿하지만 특정한 방식으로 잘못 접히기 위해 자신을 복제합니다. 기형 단백질이 뇌를 통해 확장되어 덩어리와 섬유로 응집되면서 질병이 진행됩니다.

이 새로운 모델은 생화학적 및 세포적 메커니즘을 무시하고 단순히 전파의 기본 과정과 유해한 단백질의 증가를 나타냅니다.

뇌의 독성 분자는 세포 외부의 유체를 통해 이동하는 대신 뉴런(신경 세포 네트워크)을 통해 이동합니다. 각 신경 세포는 핵과 전기 신호를 다른 신경 세포로 전달하는 축삭으로 구성됩니다. 축색돌기는 뇌의 백질의 대부분을 차지하는 반면 세포체는 대부분의 회백질을 포함합니다.

참조:APS 물리학 | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | 옥스포드 대학교

이 모델에서 독성 분자는 축삭을 따라 특정 속도로 확산되고 백질을 통해 이동합니다. 그들은 또한 세포 외 영역으로 확산되지만 훨씬 느린 속도로 확산됩니다. 회백질에서 이러한 분자는 중간 속도로 등방성으로 확산됩니다. 일단 새로운 영역으로 확산되면 해당 영역에 존재하는 독성 단백질의 수에 따라 특정 속도로 자신의 복사본을 만듭니다.

뇌 내 독성 단백질 시뮬레이션

임상 데이터(위)와 시뮬레이션(아래) | 화살표는 알츠하이머에서 독성 단백질의 전파를 보여줍니다 | 출처:A. Goriely / Oxford University

2D와 3D 모두에서 고해상도 시뮬레이션을 만들기 위해 저자는 성인 뇌의 MRI 스캔을 사용했습니다. 2D 컴퓨터 시뮬레이션은 수직 슬라이스(가로 또는 앞에서 뒤로)로 수행되었으며 3D 시뮬레이션은 전체 두뇌를 대상으로 했습니다.

그런 다음 그들은 파킨슨병과 알츠하이머병 진행에 대한 임상 데이터를 매핑했습니다. 이 데이터에 따르면 독성 단백질은 특정 위치에서 시작하여 특정 패턴으로 퍼집니다. 저자는 이러한 초기 조건을 시뮬레이션에 제공했으며 시뮬레이션이 각 장애와 관련된 패턴을 정확하게 재현한다는 것을 발견했습니다.

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이 모델은 과학자들이 생화학의 물리적 측면을 고려하여 생화학에 대해 더 많이 배우는 데 도움이 될 수 있습니다. 시뮬레이션은 확산이 신경퇴행성 장애의 진행에 중요한 역할을 한다는 것을 분명히 보여줍니다. 향후 학제간 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있습니다.