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제목 알츠하이머 원인 물질, 자기장으로 분해한다? 관련 논문_1
작성자 잠도깨비 - T.A.S 타즈 (ip:)
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  • 작성일 2022-06-10 13:46:42
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알츠하이머의β-아밀로이드응집체의자기전기해리

출처 : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1675   영어원본 클릭해서 보시면 됩니다.

JANG, Jinhyeong; PARK, Chan Beum. Magnetoelectric dissociation of Alzheimer’s β-amyloid aggregates. Science Advances, 2022, 8.19: eabn1675.


알츠하이머질환을 유발하는 베타-아밀로이드 펩타이드(아미노산 화합물) 응집체를 자기장으로 분해하는 것을 확인했다고 설명했다.





추상적인 

β-아밀로이드(Aβ) 펩타이드의 비정상적인 자가 조립 및 뇌에서의 침착은 전 세계적으로 거의 5천만 명에게 영향을 미치는 가장 널리 퍼진 만성 신경퇴행성 질환인 알츠하이머병(AD)의 주요 병리학적 특징입니다. 여기에서 우리는 저주파 자기장 하에서 매우 안정적인 Aβ 응집체의 해리를 위한 자기전기 나노물질의 새로 발견된 기능을 보고합니다. 우리는 자기 전기 BiFeO -코팅된 CoFe O 4 를 합성했습니다.(BCFO) 열을 발생시키지 않고 저주파 자기장에 반응하여 여기 전하 캐리어를 방출하는 나노 입자. 우리는 BCFO 나노 입자의 자기 전기 결합 효과가 물과 용존 산소 분자를 통해 Aβ 응집체를 성공적으로 해리한다는 것을 입증했습니다. 우리의 세포 독성 평가는 Aβ 관련 독성에 대한 자기 전기적으로 여기 된 BCFO 나노 입자의 완화 효과를 확인했습니다. 우리는 AD 마우스 모델의 생체 외 뇌 조직에서 미세 크기 Aβ 플라크의 제거에 대한 BCFO 나노 입자의 높은 효능을 발견했습니다. 이 연구는 자기장을 이용한 미래 알츠하이머병 치료를 위한 자기전 재료의 가능성을 보여줍니다. 


소개 

자기전 재료는 고유한 광학적 특성( ), 기계적 특성( ) 및 열적 특성( ) 의 기초가 되는 견고하게 결합된 자기 및 전기 분극( , )을 나타 냅니다. 자기전기 결합의 기원에 따라 두 가지 다른 유형의 자기전기 재료가 존재합니다: (i) 스핀-궤도 상호작용을 갖는 단상 다중강 산화물 및 (ii) 계면을 통해 연결된 개별 자기변형 및 압전 복합물을 갖는 이종 다중상 산화물( ). 구성 금속 이온(예: Fe 2+ , Fe 3+자성(부분적으로 점유된 d- 오비탈) 에 필수적 이지만 강유전체 질서(빈 d- 오비탈)를 감소시키는( ), 다기능 단상 자전 재료를 설계하는 데 많은 제한이 부과되었습니다. 대조적으로, 이종 다상 재료는 두 개의 다른 복합 재료 사이의 계면에서 발생하는 압전 자기 효과에 의해 지배적으로 영향을 받습니다. 따라서 코어-쉘 구조 제작을 포함한 인터페이스 엔지니어링 전략은 추가 격자 변형의 제공을 통해 이종 다상 재료의 자기전기적 결합을 개선하는 데 사용되었습니다( ). 비스무트 페라이트(BiFeO , BFO)와 코발트 페라이트(CoFe O 4 , CFO)는 센서, 트랜스듀서, 스핀트로닉 소자( ) 와 같은 현대 전자 제품을 구성하는 데 널리 사용되는 대표적인 단상 자기전기 재료이다 . 단일 위상 구조와 비교하여 이종 BFO-CFO 시스템은 잘 일치하는 격자 구조와 유도된 압전 효과를 기반으로 훨씬 더 강력한 자기전기적 결합을 보여줍니다( 10 ). 최근 Mushtaq et al. ( 11 13)은 BFO 코팅된 CFO(BCFO)가 저주파 자기장(예: 1.1kHz 미만)에 응답하여 여기 전하 캐리어를 효율적으로 생성할 수 있다고 보고했습니다. 또한 자기장에 반응하는 BCFO는 인간 세포[예: 조골 세포( 12 ) 및 신경 세포( 14 )] 및 마우스 모델( 15 )과 생체 적합성이 있어 의학적 응용 가능성을 암시합니다. 

여기, 우리는 저주파 자기장 하에서 BCFO 나노 입자에 의한 알츠하이머의 β-아밀로이드(Aβ) 응집체 및 신경 독성 완화의 자기전기 해리를 보고합니다. 알츠하이머병(AD)은 인지 기능(예: 주의력, 기억력 및 언어)이 점진적으로 감소하여 궁극적으로 완전한 의존과 사망을 초래하는 노화 관련 치매의 주요 원인입니다( 16 ). 아밀로이드 가설( 17 )에 따르면, Aβ 펩티드의 과잉 생산과 뇌에서 이들의 불용성 응집체(예: Aβ 원섬유 및 플라크)의 축적은 시냅스 기능 장애 및 신경 퇴행을 초래하는 주요 병리학적 사건입니다. 도 1 에 도시 된 바와 같이, 우리는 자기전기 BCFO 나노 입자가 저주파 자기장 하에서 신경 독성 Aβ 응집체를 산화 된 비 독성 Aβ 파편으로 해리한다고 가정했습니다. 

자기장은성인뇌의비침습적치료에적합한우수한조직침투깊이를허용합니다.예를들어자기공명영상(MRI)은환자의뇌전체를지도화하고자기장과MRI 조영제(예: 가돌리늄및자철광)를사용하여외과적절차없이알츠하이머병의초기단계를진단할수있습니다(18,19).또한, "경두개자기자극"으로알려진저주파자기장을두피에조사하면뇌조직손상없이신경탈분극을유발하는두개내전류를유도하여우울증이나통증 

증상을완화할수있습니다.).이와같이비열효과가있는저주파자기장(예: 1kHz 미만)은상당한양의열발생을유도하는고주파자기장(22) 과달리신경조직(21) 치료에의학적으로허용됩니다. .또한, 저주파자기장은기계적진동(초음파), 열복사(적외선) 등의다른물리적자극에비해환자의뇌심부치료를위한외부조직(예: 두피, 두개골) 손상위험이훨씬낮습니다. 빛) 및전리방사선(x-선)(23,24).여기에서는기존의접근방식[예: sonodynamic( 25,26), photodynamic(27~29), radiodynamic(30) 및자기온열요법)의잠재적위험을극복할수있는저주파자기장을사용하여이전에알려지지않은생체재료플랫폼을제안합니다.플랫폼(31)].현재연구에서우리는AD의주요병리학적특징인독성Aβ 응집체의저주파자기장유도해리에대한자기전기재료의잠재력을공개합니다.



결과 및 논의 

우리는 CFO 나노 입자에 졸-겔 화학을 적용하여 자기 전기 BCFO 나노 입자를 합성했습니다 ( 그림 2A ). 먼저 문헌( 11 )에 따라 130°C에서 15시간 동안 금속 이온 전구체의 손쉬운 열수 처리를 통해 CFO 나노 입자를 준비했습니다. 준비된 CFO 나노입자는 크기가 26.5 ± 6.2 nm( n = 810) 인 구형 형태( 그림 2B 및 그림 S1)를 나타내는 흑색 분말이었습니다 (그림 S2). CFO 나노 입자에 BFO 쉘 구조를 만들기 위해 준비된 CFO 나노 입자에 습식 화학 코팅 및 하소 공정을 비스무트 및 제 2 철 이온과 함께 다른 조건에서 적용했습니다. 합성된 BCFO 나노입자는 CFO와 유사한 형태를 나타내는 암갈색 고체였다(그림 2C 및 그림. S1) 크기가 33.2 ± 8.2 nm( n = 680)인 경우(그림 S2).

그림 2 . BCFO 나노 입자의 합성 및 특성화. 

( ) CFO 나노입자를 코어 물질로 사용한 BCFO 나노입자 합성의 개략도. ( B ) CFO 및 ( ) BCFO 나노입자 의 주사전자현미경(SEM) 이미지 와 분말 및 용액 상태 사진(나노입자 농도: 2 mg ml -1 )(삽입). ( ) BCFO, CFO 및 BFO 나노입자의 X선 회절(XRD) 분석 결과. au, 임의의 단위. ( ) 고각 환상 암시야, 고해상도 투과 전자 현미경 및 에너지 분산 x-선 분광학 매핑 결과를 갖는 BCFO 나노입자의 투과 전자 현미경(TEM) 분석 결과. 

CFO에서 BCFO 나노입자로의 색상 및 크기 변화는 CFO 나노입자의 BFO 쉘 구조(약 3.4nm 두께) 때문입니다. 우리의 x-선 광전자 분광법 결과는 BCFO 나노 입자가 Co 2+ , Fe 3+ , O 2- 및 Bi 3+ 로 구성되었음을 확인했습니다 (그림 S3). BCFO 나노입자에서 결정질 BFO 구조의 존재를 조사하기 위해 XRD(x-ray diffraction) 패턴을 조사했습니다. XRD 스펙트럼( 도 2D )에 따르면, CFO 나노입자는 Fd 3 m 공간군( a = b = c= 8.384 Å). 한편, BCFO 나노입자는 입방 스피넬 구조 뿐만 아니라 R 3 c 공간군( a = b = 5.5934 Å 및 c = 13.887 Å)을 갖는 능면체 페로브스카이트 구조를 가지며, 이는 의 결정 구조에 따른 것이다. 자기전 BFO( 32 ). 또한, 우리의 주사 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 표면에 고르게 분포된 구성 요소와 0.391nm의 면간 격자 간격을 기반으로 하는 BCFO 나노 입자의 BFO 쉘 구조를 표시했습니다( 그림 2E ) . ) 능면체 페로브스카이트 BFO 구조의 면( 32). 이러한 결과는 0.294 nm의 다른 면간 격자 간격을 갖는 CFO 나노입자의 결과와 대조적입니다(그림 S4). 함께 우리는 BCFO 나노 입자가 CFO 나노 입자 표면에 결정질 BFO 쉘 구조를 가지고 있다는 결론을 내렸습니다. 

BCFO 나노입자는 교류 자기장에 반응하여 전하 캐리어를 생성했습니다( 그림 3A ). BCFO의 자기 거동을 조사하기 위해 주변 조건에서 자기 히스테리시스 루프(자기장 -5~+5T)를 수집했습니다. 도 3B 에 도시된 바와 같이 , CFO 나노입자는 각각 113.3 및 35.4 전자기 단위(emu) g -1 에서 포화 자화( M ) 및 잔류 자화( M )를 나타내어 실온(RT) 강자성을 나타낸다. BCFO 나노입자는 CFO 나노입자보다 강자성 특성이 더 향상되었습니다( M = 123.8 emug -1 및 M r= 39.4 emug -1 ). 우리는 BFO 쉘 구조( 33 ) 의 자기전기적 결합으로 인해 증가된 강자성(ferromagnetism )을 돌 립니다. BCFO 나노입자의 코어-쉘 구조는 서로 다른 두 자기전기 물질 사이의 계면에서 격자 변형으로 인해 자기장에 의한 전기 분극을 향상시키는 것으로 알려져 있습니다(그림 S5)( 11 , 34 ). 자기 활성 BCFO 나노 입자가 교류 자기장에 반응하여 전하 분리를 수행할 수 있는지 여부를 조사했습니다. 우리의 오실로스코프 측정에 따르면(그림 S6), BCFO 나노입자는 교류 자기장에 노출되었을 때만 주변 환경에 전기 펄스를 방출했습니다.





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