Oligopeptides as highly versatile agents against copper-mediated oxidative stress and amyloid-β aggregation

Abstract

Alzheimer’s disease (AD), for which no cure is known yet, is currently the most prevalent cause of dementia for the elderly population. The aberrant aggregation of β-amyloid peptide (Aβ) is believed to trigger the events leading to the pathology, yet such processes are not fully understood. Although Aβ fibres represent the major components of the senile plaques found in AD brains, oligomeric aggregates are currently considered the most toxic species. Aβ has been found to bind Cu(I/II) ions (which are imbalanced in AD), modulating its aggregation. Copper has been reported to stabilise toxic oligomeric species and to catalyse the generation of ROS. Hence, preventing the copper-associated toxicity of Aβ may represent a promising approach to develop anti-AD agents. Histidinic peptides represent valuable synthons for the discovery of new, highly biocompatible drugs aimed at reducing the copper-associated toxicity of Aβ. In the present PhD thesis, short peptides containing the efficient Cu(II)-binding His-Xaa- His motif (Xaa = randomly-chosen amino acid) were rationally designed to be applied in i) the chelation and detection of copper ions, ii) their grafting onto gold nanocarriers and iii) the detection of Aβ aggregates. Chapter 1 comprises a detailed introduction on the state-of-the-art in the field and the description of the objectives of the present work. In Chapter 2, the Fmoc solid-phase synthesis of fluorescent Cu(II)-chelating peptides is described. The chelating agents contained a tryptophan residue, or emissive probes for their application as fluorescent sensors. In Chapter 3, the evaluation of the Cu(II)-binding properties and the Cu(II)-binding affinities of the His-Xaa-His tripeptides is reported. N-terminal free peptides presented a 4N albumin-like (ATCUN) coordination donor set, and were able to remove Cu(II) ions bound to Aβ(1-16), and to inhibit the copper-induced stabilisation of oligomeric Aβ species and the generation of ROS. N-terminal protected peptides acted as a different donor set involving the two imidazole rings, and were less effective regarding their inhibition of the Cu-induced production of ROS. In Chapter 4, the generation of Aβ(1-40) dityrosine cross-links in the presence of copper(II) and H2O2 is described. Dityrosine-bridged Aβ dimers have been proposed as initiators of Aβ aggregation in AD brains, where they are believed to display a

prolonged Cu-induced redox activity. Dityrosine-cross-linked Aβ(1-40) did not lead to the formation of fibres; the addition of an ATCUN peptide restored the fibrillation process. Chapter 5 explains the preparation of spherical gold nanoparticles functionalised with carboxyl-terminated PEG chains and a fluorescently-labelled Cu(II)-chelating peptide Ac-His-Xaa-His-Lys-NH2. The peptide-functionalised nanoparticles were able to (partially) extract Cu(II) ions bound to Aβ(1-16). Besides, they presented no toxicity towards neuronal embryo cells of wildtype mice. In Chapter 6, the design and preparation of fluorescent dyes to detect aggregated Aβ are reported. An analogue of the amyloid-selective fluorescent dye thioflavin T and its lysine derivative were prepared by click chemistry. Unfortunately, spectroscopic changes did not take place upon interaction with fibrillary Aβ. The environment-sensitive properties of a naphthalimide probe were then exploited for the detection of different types of Aβ aggregates. This probe and its His-Xaa-His peptides acted as bimodal probes in the presence of different types of Aβ aggregates, also in the presence of Cu(II) and Zn(II) ions. The promising results achieved during this doctoral research validate the proposed approach to use fluorescent His-containing Cu(II)-chelating peptides to reduce the copper-associated toxicity of Aβ and to detect Cu(II) ions and Aβ aggregates. Such peptides may hence find applications in therapy, diagnosis, and theranosis of AD.

Es creu que l’agregació aberrant del pèptid β-amiloide (Aβ) origina l’aparició de l’Alzheimer, actualment la causa més freqüent de demència en la gent gran i per a la qual no es coneix cura. S’ha trobat que el coure (que es troba en nivells alterats al cervell dels malalts d’Alzheimer) estabilitza els oligòmers d’Aβ, considerats les espècies més tòxiques, i que catalitza la producció d’espècies oxidants. En aquesta tesi doctoral, pèptids curts amb la seqüència His-Xaa-His (Xaa = qualsevol aminoàcid excepte His i Pro) han sigut dissenyats racionalment per a la quelació i detecció d’ions Cu(II), la connexió a nanotransportadors d’or i la detecció d’agregats d’Aβ. El Capítol 1 conté una detallada introducció amb la informació més actualitzada sobre el camp i la descripció dels objectius d’aquest treball. Al Capítol 2 es descriu la preparació en fase sòlida de pèptids quelants que contenen diferents sondes fluorescents mitjançant química Fmoc. Al Capítol 3 es presenten les propietats quelants i l’afinitat dels tripèptids His-Xaa- His envers els ions Cu(II). Al Capítol 4 es descriu la generació de ponts de ditirosina en Aβ(1-40) en presència de coure(II) i H2O2, i la inhibició d’aquesta amb un dels pèptids quelants. Al Capítol 5 es presenta la preparació de nanopartícules esfèriques d’or funcionalitzades amb un pèptid quelant, la seva caracterització, l’estudi de l’extracció dels ions Cu(II) units a l’Aβ i l’avaluació de la seva toxicitat amb i sense el pèptid en cèl·lules neuronals de ratolins. Al Capítol 6 s’explica la utilització d’un anàleg del pigment selectiu a amiloide tioflavina T, així com d’una sonda sensible a l’entorn de tipus naftalimida, per detectar agregats d’Aβ. Els prometedors resultats obtinguts en aquesta tesi doctoral validen l’estratègia proposada d’emprar pèptids fluorescents quelants d‘ions Cu(II) per reduir la toxicitat de l’Aβ associada al coure i per a la detecció d’aquest ió i dels agregats d’Aβ.