Nanovarillas de oro con propiedades plasmónicas en la segunda ventana biológica (NIR-II) para la desagregación de β-amiloide

Abstract

Una de las características distintivas de la enfermedad de Alzheimer (EA) es la agregación del péptido β-amiloide (Aβ). Aβ se forma por la acción de las enzimas β-secretasa y γ-secretasa sobre la proteína precursora de amiloide y se asocia con la formación de oligómeros tóxicos, fibras amiloides y placas seniles, que se depositan en regiones del cerebro relacionadas con la memoria. Por tanto, el Aβ se considera un biomarcador importante para el diagnóstico de la enfermedad, y sus especies solubles, como los oligómeros, y sus formas insolubles, como las fibras, se señalan como uno de los responsables de la muerte neuronal y el posterior deterioro cognitivo en la enfermedad. Dado el importante papel de la agregación de Aβ, su desagregación e inhibición de la agregación para reducir su toxicidad representa una estrategia conveniente para una posible terapia contra la EA. En este contexto, las nanopartículas de oro (NPO) emergen como una herramienta prometedora para un posible diagnóstico y tratamiento de la EA. Esto se debe a sus propiedades fisicoquímicas, baja toxicidad y atractivas aplicaciones biológicas. Los NPO poseen propiedades como la resonancia de plasmón, que provoca la oscilación de los electrones libres cuando interactúan con la radiación electromagnética incidente. Esta propiedad puede ocurrir en el rango de longitud de onda visible al infrarrojo, región del espectro en la que la radiación puede penetrar los tejidos. En el caso de las nanovarillas de oro (NVO), esta resonancia de plasmón se puede desplazar a través de estas longitudes de onda simplemente modificando su tamaño. Esta ventaja les permite operar dentro de la primera y segunda ventana biológica (NIR-I, 700-950 nm o NIR-II, 1000-1200 nm). La NIR-II es más adecuada para aplicaciones biológicas debido a su mayor profundidad de penetración en el tejido, menor fondo de autofluorescencia, menor dispersión de fotones y mayor exposición máxima permitida en comparación con NIR-I. Sin embargo, es necesario que estas NPO reconozcan específicamente estos agregados tóxicos. Por lo tanto, se han investigado diversas moléculas objetivo que reconocen específicamente los agregados tóxicos de Aβ. Estas moléculas se pueden funcionalizar en la superficie de las NPO para guiar el nanosistema hacia los objetivos. Entre estas moléculas de direccionamiento se encuentran los péptidos de tipo configuración D como los péptidos D1, que pueden reconocer y unirse predominantemente a agregados fibrilares, y los péptidos D3, que reconocen y se unen a agregados oligoméricos de Aβ. Además, estos péptidos son capaces de desagregar e inhibir la formación de estos agregados tóxicos. En esta tesis, se sintetizaron y funcionalizaron NVOs con resonancia de plasmón en el rango NIR-II con polietilenglicol para impartir biocompatibilidad. Se realizó la conjugación con los péptidos D1 y/o D3 como moléculas de reconocimiento para crear un potencial sistema teranóstico para la EA, cuyo objetivo es también la inhibición y desagregación de agregados tóxicos de β-amiloide in vitro mediante efecto fototérmico. Las características fisicoquímicas de estos sistemas se determinaron mediante diversas técnicas como espectroscopía UV-Vis-NIR, DLS y potencial ζ, RAMAN/SERS entre otras, junto con la evaluación de la eficiencia de funcionalización de péptidos basada en la concentración de NVO. Los resultados mostraron una inhibición y un efecto de desagregación significativos de nuestros nanosistemas sobre agregados de Aβ in vitro después de la irradiación con láser NIR-II (1064 nm), principalmente mediante ensayo de Tioflavina-T (Th-T).

One of the hallmarks of Alzheimer's disease (AD) is the aggregation of β-amyloid peptide (Aβ). Aβ is formed by the action of β-secretase and γ-secretase enzymes on the amyloid precursor protein and is associated with the formation of toxic oligomers, amyloid fibers, and senile plaques, which deposit in brain regions related to memory. Therefore, Aβ is considered an important biomarker for the diagnosis of the disease, and its soluble species such as oligomers and insoluble forms such as fibers are indicated as responsible for neuronal death and subsequent cognitive decline in the disease. Given the significant role of Aβ aggregation, its disaggregation and inhibition of aggregation to reduce its toxicity represent a convenient strategy for potential AD therapy. In this context, gold nanoparticles (GNPs) emerge as one promising tool for possible diagnosis and treatment of AD. This is due to their physicochemical properties, low toxicity, and attractive biological applications. GNPs possess properties such as plasmon resonance, which causes oscillation of free electrons when interacting with incident electromagnetic radiation. This property can occur in the visible to the infrared wavelength range, spectrum region in which radiation can penetrate tissues. In the case of gold nanorods (GNRs), this plasmon resonance can be tunable across these wavelengths simply by modifying their size. This advantage allows them to operate within the first and second biological windows (NIR-I, 700-950nm or NIR-II, 1000-1200nm). The NIR-II window is more suitable for biological applications due to its greater tissue penetration depth, lower autofluorescence background, reduced photon scattering, and higher maximum permissible exposure compared to NIR-I. However, it is necessary for these nanoparticles to specifically recognize these toxic aggregates. Therefore, various targeting molecules that specifically recognize Aβ toxic aggregates have been investigated. These molecules can be functionalized on the surface of these nanoparticles to guide the nanosystem towards the targets. Among these targeting molecules of D-type configurations as D1 peptides, which can recognize and bind predominantly to fibrillar aggregates, and D3 peptides, which recognize and bind to oligomeric aggregates of Aβ. Additionally, these peptides are capable of disaggregating and inhibiting the formation of these toxic aggregates. In this thesis GNRs with plasmon resonance in the NIR-II range were synthesized and functionalized with polyethylene glycol to impart biocompatibility. Functionalization with D1 and/or D3 peptides as targeting molecules was performed to create a potential theragnostic system for Alzheimer's disease, aiming at the inhibition and disaggregation of β-amyloid toxic aggregates in vitro via photothermal effect. The physicochemical characteristics of these systems were characterized using various techniques like UV-Vis-NIR spectroscopy, DLS and ζ-potential, RAMAN/SERS, NTA among others, along with the evaluation of peptide functionalization efficiency based on nanorod concentration. The results showed inhibition and even better disaggregation effect of our nanosystems over Aβ aggregates in vitro after NIR-II laser irradiation (1064 nm) seeing mainly by thioflavin T essay (Th-T).