Development of nanocarriers for Alzheimer’s disease treatment

Abstract

Playing a central role in all the body’s functions, the brain is perhaps the best protected organ in the organism. Although this is a huge advantage before all potential pathogens and harmful molecules that could put its integrity at risk, it is also a very difficult organ to target therapeutically. Being highly selective to all molecules, the blood brain barrier is the primary and most difficult barrier to overcome when one aims to deliver a specific molecule to the brain. While it is well protected, the brain is not immune to disease, and some of the molecules involved in the most threatening disorders, like amyloid-β and TAU in Alzheimer’s disease, and alpha synuclein in Parkinson’s disease, are thought to be produced in the brain itself. Moreover, these diseases have another hallmark in common, which is the accumulation of reactive oxygen species in the brain. This happens because, being a highly energy demanding organ, the brain is the most metabolically active organ in the human body. In order to overcome these two major debilitating hallmarks, a dual therapy is being developed by our group. By encapsulating siRNA against TAU protein into exosome-like liposomes we aim to reduce its expression, diminishing its harmful effects due to excessive accumulation in neurons, in Alzheimer’s disease. Furthermore, the encapsulation of a molecule with antioxidant properties, such as curcumin, that reduces the accumulation of amyloid-β, another important hallmark in this disease, would most likely have considerably interesting results in the attempt to slow disease progression. For the encapsulation of these molecules, a liposome carrier, with similar constitution and properties of the exosomes, was chosen. Along with its low cytotoxicity verified in two cell lines, mouse L929 fibroblasts and human neuroblastoma SH-SY5Y cells, this carrier has features compatible with the uptake across the blood brain barrier and therefore could directly influence disease progression. It was also found that curcumin-loaded liposomes had greater neuroprotective effects than free curcumin after induction of oxidative stress.

Desempenhando um papel central em todas as funções do corpo, o cérebro é talvez o órgão mais bem protegido em todo o corpo. Embora isso seja uma enorme vantagem, devido a todos os patógenos perigosos e moléculas prejudiciais que poderiam colocar a sua integridade em risco, este torna-se assim também num órgão muito difícil de intervencionar em termos clínicos. Terapeuticamente, o primeiro passo limitante para entregar uma substância ativa no cérebro é a passagem dessa molécula através da barreira hematoencefálica. Embora esteja bem protegido, o cérebro não é imune a todos os distúrbios, uma vez que algumas das moléculas envolvidas nas patologias mais graves, tais como as proteínas Aβ-amiloide e TAU na doença de Alzheimer, e alfa-sinucleína na doença de Parkinson, parecem ser produzidas no próprio cérebro. Além disso, essas doenças têm outra característica em comum: a acumulação de espécies reativas de oxigénio no cérebro. Com o encapsulamento de siRNA contra a proteína TAU em lipossomas do tipo exossomal, pretendemos reduzir a expressão dessa proteína, cuja acumulação em células nervosas é uma característica da doença de Alzheimer. Além disso, o encapsulamento de uma molécula com propriedades antioxidantes, como a curcumina, poderá contribuir para a diminuição da acumulação de-β-amiloide no cérebro, contribuindo para uma progressão mais lenta desta doença. Foi conseguido, com sucesso, o encapsulamento de ambas as moléculas nos lipossomas miméticos de exossomas, com eficiências de encapsulamento elevadas. Conseguida a otimização da formulação para garantir que os lipossomas produzidos têm o tamanho necessário para conseguir ultrapassar a barreira hematoencefálica, também se verificou que os lipossomas vazios ou carregados com curcumina não apresentavam toxicidade significativa em duas linhas celulares: fibroblastos de ratinho L929 e linha celular de neuroblastoma humano SH-SY5Y. Adicionalmente demonstramos que curcumina veiculada em lipossomas tinha efeito neuroprotetor maior do que a curcumina livre, após a indução de stress oxidativo.