Desarrollo de un nanosistema de pequeñas nanopartículas de oro encapsuladas en albumina para aplicaciones fototérmicas

Abstract

El aumento en la esperanza de vida ha llevado a un crecimiento de la población geriátrica y, con ello, a un incremento en la prevalencia de enfermedades crónicas. Entre ellas, la enfermedad de Alzheimer (EA) representa una de las mayores preocupaciones debido a su impacto en la calidad de vida del paciente y su carga social. La EA es una enfermedad neurodegenerativa cuyo daño neuronal se vuelve evidente cuando ya ha progresado significativamente. Según la hipótesis de los agregados amiloides, la toxicidad neuronal se debe a la agregación del péptido beta amiloide (Aβ1-42). Los métodos actuales de diagnóstico son invasivos, ya que requieren de muestras de líquido cefalorraquídeo o se realizan post mortem en los cerebros de los pacientes. Los tratamientos disponibles solo abordan los síntomas sin detener la progresión de la enfermedad. En este contexto, la nanotecnología ha permitido el desarrollo de agentes teranósticos, capaces de diagnosticar y tratar simultáneamente la EA. Entre ellos, las nanopartículas de oro (AuNPs) destacan por su versatilidad en términos de síntesis, forma, tamaño y por sus propiedades fisicoquímicas. Las nanopartículas de oro poseen propiedades plasmónicas y al ser irradiadas con láseres pueden absorber energía disipándola como calor lo que se denomina efecto fototérmico. De esta manera, se puede producir la desagregación de agregados tóxicos de beta amiloide. No obstante, los sistemas desarrollados hasta el presente relacionados con el tratamiento de la EA se basan en el uso de nanopartículas que poseen dimensiones que dificultan su excreción por el organismo. En este trabajo, se propone el desarrollo de un nanosistema biodegradable con propiedades fototérmicas basado en pequeñas nanopartículas de oro (sAuNPs) de 5 nm (excretables por vía renal) que se incluyen en una nanopartícula de albúmina sérica bovina (BSA). Este nanosistema es funcionalizado con el péptido denominado D3 que es capaz de reconocer y unirse a los agregados de Aβ1-42. Las sAuNPs fueron sintetizadas mediante reducción con borohidruro de sodio (NaBH₄) y estabilizadas con citrato de sodio, obteniéndose partículas de 5,7 ± 1,1 nm. Posteriormente, se funcionalizaron con HS-PEG-NH₂ y se encapsularon en BSA empleando el agente entrecruzante glutaraldehído, obteniendo nanopartículas con tamaños cercanos a los 100 nm. Luego, se conjugaron con el péptido D3 y se purificaron, obteniendo un tamaño final de 97 ± 2 nm. Para evaluar la interacción con fibras de Aβ1-42 con los nanosistemas, los monómeros de Aβ1-42 se incubaron con este nanosistema durante tres días y se midió la señal de Tioflavina T (ThT) para detectar cambios en la agregación. Los estudios de la interacción de ThT con los nanomateriales, demostró una disminución de la señal del cromóforo indicado, lo que se relaciona con que las nanopartículas inhiben la agregación de Aβ1-42. Además, imágenes de TEM confirmaron la unión del nanosistema a las fibras, evidenciando la presencia de nanopartículas asociadas a ellas. Finalmente, se evaluó la citotoxicidad del nanosistema en neuronas SH-SY5Y mediante el ensayo de MTS. Los resultados indicaron que el nanosistema no posee efectos sobre la viabilidad celular en el rango de las concentraciones utilizadas y el mismo produce la inhibición de la agregación amiloide. A futuro, se espera realizar más estudios de toxicidad para optimizar el nanosistema y garantizar su biodegradabilidad, permitiendo la eliminación de las AuNPs por vía renal debido a su tamaño.

The increase in life expectancy has led to a growth in the geriatric population and, consequently, to a rise in the prevalence of chronic diseases. Among them, Alzheimer's disease (AD) is one of the greatest concerns due to its impact on patients' quality of life and its social burden. AD is a neurodegenerative disease in which neuronal damage becomes evident only after significant progression. According to the amyloid aggregation hypothesis, neuronal toxicity is caused by the aggregation of the beta-amyloid peptide (Aβ1-42). Current diagnostic methods are invasive, requiring cerebrospinal fluid samples or post-mortem examination of patients' brains. Available treatments only address symptoms without halting disease progression. In this context, nanotechnology has enabled the development of theranostic agents capable of simultaneously diagnosing and treating AD. Among these, gold nanoparticles (AuNPs) stand out for their versatility in terms of synthesis, shape, size, and physicochemical properties. Gold nanoparticles exhibit plasmonic properties and, when irradiated with lasers, can absorb energy and dissipate it as heat, a phenomenon known as the photothermal effect. In this way, they can induce the disaggregation of toxic beta-amyloid aggregates. However, most systems developed so far for the treatment of AD are based on nanoparticles with dimensions that hinder their excretion from the body. This work proposes the development of a biodegradable nanosystem with photothermal properties based on small gold nanoparticles (sAuNPs) of 5 nm in diameter (which can be excreted renally), embedded within a bovine serum albumin (BSA) nanoparticle. This nanosystem is functionalized with a peptide called D3, which is capable of recognizing and binding to Aβ1-42 aggregates. The sAuNPs were synthesized via reduction with sodium borohydride (NaBH₄) and stabilized with sodium citrate, yielding particles of 5.7 ± 1.1 nm. They were subsequently functionalized with HS-PEG-NH₂ and encapsulated within BSA using glutaraldehyde as a crosslinking agent, resulting in nanoparticles approximately 100 nm in size. The particles were then conjugated with the D3 peptide and purified, yielding a final size of 97 ± 2 nm. To evaluate the interaction of the nanosystems with Aβ1-42 fibers, Aβ1-42 monomers were incubated with the nanosystem for three days, and Thioflavin T (ThT) fluorescence was measured to detect changes in aggregation. Studies of ThT interaction with the nanomaterials showed a decrease in ThT signal, indicating that the nanoparticles inhibit Aβ1-42 aggregation. Additionally, TEM images confirmed the binding of the nanosystem to the fibers, showing the presence of nanoparticles associated with them. Finally, the cytotoxicity of the nanosystem was evaluated in SH-SY5Y neurons using the MTS assay. The results indicated that the nanosystem does not affect cell viability within the tested concentration range and effectively inhibits amyloid aggregation. Future work will involve further toxicity studies to optimize the nanosystem and ensure its biodegradability, allowing the renal clearance of AuNPs due to their small size.