Simulasi Komputer Untuk Penyakit Neurodegeneratif

• Model baru meneliti bagaimana benih infeksius menyebar melalui struktur otak yang tidak rata.
• Peneliti menggunakan pemindaian MRI otak orang dewasa untuk membuat simulasi resolusi tinggi dalam 2D ​​dan 3D.
• Simulasi ini menciptakan kembali pola kerusakan yang diamati pada banyak gangguan neurodegeneratif.

Penyakit neurodegeneratif yang terkait dengan usia adalah patologi yang beragam dan kompleks. Dalam kebanyakan kasus, pertumbuhan mereka terkait erat dengan perkembangan agregat protein tertentu yang dikenal sebagai prion.

Prion adalah benih infeksius yang memicu reaksi berantai dari agregasi protein dan kesalahan lipatan, menghasilkan autokatalisis konformasi. Secara bertahap, benih-benih ini berkembang, terpecah-pecah, dan menyebar ke daerah lain di otak. Hal ini memengaruhi fungsi normal sistem saraf dan menyebabkan atrofi otak, nekrosis, dan akhirnya kematian. Inilah yang terjadi pada penyakit Parkinson dan Alzheimer serta ALS.

Sekarang para peneliti di Institut Teknologi Stevens, Universitas Stanford, dan Universitas Oxford telah mengembangkan model baru yang meneliti bagaimana benih infeksius ini menyebar melalui struktur otak yang tidak rata. Ini menunjukkan bahwa distribusi molekul beracun di semua penyakit bergantung pada lokasi di mana molekul ini pertama kali muncul.

Simulasi menunjukkan bahwa kerusakan otak terjadi sebagian besar karena pengangkatan sel-sel otak oleh tubuh yang terganggu oleh dampak fisik. Penulis percaya bahwa alat mereka akan membantu para ilmuwan untuk memblokir perkembangan gangguan otak yang serius.

Model Mengabaikan Biokimia

Pada banyak penyakit neurodegeneratif, molekul toksik awal tetap tidak jelas tetapi mereka menggandakan diri menjadi salah lipatan dengan cara tertentu. Penyakit ini berkembang saat protein yang cacat menyebar melalui otak dan berkumpul dalam gumpalan dan serat.

Model baru ini mengabaikan mekanisme biokimia dan seluler dan hanya mewakili proses fundamental dari propagasi dan peningkatan jumlah protein berbahaya.

Daripada melakukan perjalanan melalui cairan di luar sel, molekul beracun di otak bergerak melalui neuron (jaringan sel saraf). Setiap sel saraf terdiri dari nukleus dan akson yang mentransfer sinyal listrik ke sel saraf lainnya. Akson bertanggung jawab atas sebagian besar materi putih otak, sedangkan badan selnya mengandung sebagian besar materi abu-abu.

Referensi:Fisika APS | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Universitas Oxford

Dalam model ini, molekul beracun berdifusi sepanjang akson pada kecepatan tertentu dan berjalan melalui materi putih. Mereka juga berdifusi ke daerah ekstraseluler tetapi pada tingkat yang jauh lebih lambat. Dalam materi abu-abu, molekul-molekul ini berdifusi secara isotropik dengan kecepatan sedang. Begitu mereka menyebar ke area baru, mereka membuat salinan diri mereka sendiri pada tingkat tertentu yang bergantung pada jumlah protein beracun yang ada di area tersebut.

Mensimulasikan Protein Beracun Dalam Otak

Data klinis (atas) vs. simulasi (bawah) | panah menunjukkan penyebaran protein beracun di Alzheimer | Kredit: A. Goriely / Universitas Oxford

Untuk membuat simulasi resolusi tinggi dalam 2D ​​dan 3D, penulis menggunakan pemindaian MRI otak orang dewasa. Simulasi komputer 2D dilakukan dalam irisan vertikal (baik sisi-ke-sisi atau depan-ke-belakang), dan simulasi 3D mencakup seluruh otak.

Kemudian mereka memetakan data klinis perkembangan penyakit Parkinson dan Alzheimer. Menurut data ini, protein beracun mulai dari lokasi tertentu dan menyebar dalam pola tertentu. Penulis memasukkan kondisi awal ini ke simulasi mereka dan mereka menemukan bahwa simulasi secara akurat menciptakan kembali pola yang terkait dengan setiap gangguan.

Baca:Pemandangan Otak Manusia yang Belum Pernah Didapatkan Melalui Keripik Organ

Model ini dapat membantu ilmuwan mempelajari lebih lanjut tentang biokimia dengan mempertimbangkan aspek fisiknya. Simulasi jelas menunjukkan bahwa difusi memainkan peran utama dalam perkembangan gangguan neurodegeneratif. Ini bisa memberikan arah baru untuk penelitian interdisipliner di masa depan.