Efecto de la curvatura de nanopartículas de oro funcionalizadas y su influencia sobre la agregación del péptido β-amiloide

Abstract

La enfermedad de Alzheimer (EA) es una de las patologías neurodegenerativas más importantes y una de las formas más comunes de demencia. Esta enfermedad se caracteriza por presentar el proceso de agregación del péptido β amiloide (Aβ). En condiciones fisiológicas, monómeros de Aβ se encuentran en una forma soluble pero en condiciones patológicas éste comienza a agregar, produciendo diferentes especies intermediarias tóxicas hasta generar las denominadas fibras de Aβ y finalmente las placas seniles. De esta manera es que el proceso de agregación del péptido Aβ se ha convertido en un blanco para una potencial terapia de la EA. Sin embargo, todas estas aproximaciones han fallado ya sea porque el uso de fármacos no ha logrado alcanzar una concentración adecuada a nivel cerebral o porque no han logrado atravesar la barrera hematoencefálica. Asimismo, muchos de los tratamientos probados se realizan en etapas tardías de la enfermedad no lográndose buenos resultados. Las Nanopartículas de Oro (NPO) han sido utilizadas en diferentes aplicaciones en biomedicina y se han propuesto su uso para tratar la EA mediante la inhibición de la agregación de Aβ. Sin embargo, cómo la curvatura de las NPO puede afectar el mecanismo de agregación de Aβ aún se mantiene sin esclarecer. En el presente trabajo, se caracterizaron dos diferentes formas de NPO: los nanoprismas de oro (NPrO) con una forma plana, y las nanoesferas de oro (NeO) con una forma curva, los cuales además fueron funcionalizadas con polietilenglicol (PEG) para darles estabilidad en sistemas biológicos. A continuación, se evaluó y estudió el efecto de cada NPO sobre la formación de fibras de Aβ42 in vitro mediante ensayos cinéticos monitoreados por una sonda fluorescente, la tioflavina T. Estas cinéticas fueron analizadas mediante un ajuste global con diversos modelos que describen el proceso de agregación. Mientras los NPrO aceleraron el proceso de agregación sin modificar el mecanismo molecular de éste, las NeO desaceleraron el proceso de agregación y modificaron el mecanismo molecular hacia uno de fragmentación/nucleación secundaria, con respecto al control que es nucleación secundaria multipasos. Además, mediante microscopía electrónica se determinó que la forma de las NPO modificó el largo de las fibras de Aβ42 obtenidas, siendo éstas más largas en presencia de los NPrO y más cortas en presencia de las NeO. Estos resultados fueron explicados gracias a una interacción diferencial del péptido Aβ42 con la superficie de cada una de las NPO, determinado mediante espectroscopía Raman. Mientras la forma plana de los NPrO expuso hacia el solvente aminoácidos hidrofóbicos importantes para el proceso de agregación de Aβ42, la forma curva de las NeO los esconde impidiendo su apropiada interacción lo cual se traduce en una inhibición del proceso de agregación. De esta forma, este estudio demuestra el rol clave que posee la curvatura de las NPO y de su mecanismo molecular sobre el proceso de agregación del péptido Aβ42

Alzheimer’s disease is one of the most important neurodegenerative illness and the most common kind of dementia. One of the hallmarks of this disease is the aggregation process of amyloid-β peptide (Aβ). In physiological conditions, the Aβ monomer is maintained in a soluble form but in pathological conditions it begins to aggregate, producing different toxic intermediaries until generating the Aβ fibrils and senile plaques. Thus, the Aβ aggregation process has become in a main strategy to inhibit, but all these strategies have failed because they cannot either reach an adequate concentration in the brain or cross the brain blood barrier. Gold nanoparticles (GNP) have been used for different applications in biomedicine and proposed to treat Alzheimer´s disease (EA) through the inhibition of Aβ peptide aggregation. However, how the GNP’s curvature affects the mechanism of Aβ aggregation is not yet well understood. In this work, we characterized two different GNP’s curvature, a flat gold nanoprisms (GNPr) and curved gold nanospheres (GNS), and functionalized with poly ethilenglycol (PEG) to stabilized them. Then, we evaluate and studied the effect of these GNP on in vitro Aβ42 fibril formation by using ThT-based kinetic assay and global fitting analysis with several models of aggregation. Whereas GNPr accelerated the aggregation process and maintained the molecular mechanism of aggregation, GNS decelerated the aggregation process and modify the molecular mechanism to fragmentation/secondary nucleation regarding the control situation. By transmission electronic microscopy, it was observed the GNP’s shape was found to modify length’s population of Aβ42 fibril: longer fibrils in presence of GNPr and shorter fibrils with GNS. These results were explained by a differential interaction between Aβ peptide with each GNP’s curvature observed by Raman spectroscopy. While the flat shape of GNPr exposed hydrophobic amino acids of Aβ peptide that participate in accelerating the aggregation process, the curved shape of GNS hided these amino acids and hindered the proper interaction decelerating the fibrillation. Thus, this study provides the role of the GNP’s curvature and their molecular mechanisms on the Aβ aggregation process