Metal-bağlayan amino asitlerce zengin peptidler ile fonksiyonlanmış nanoparçacıkların hazırlanması ve teranostik uygulamaları
Metal-binding amino acid-rich peptides in bio-functionalized nano-carriers conception and theranostics
Yazar: HICHEM MOULAHOUM
Danışman: PROF. DR. FİGEN ZİHNİOĞLU ; PROF. DR. SUNA TİMUR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokimya Ana Bilim Dalı / Biyokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyokimya = Biochemistry
Dizin: Amino asitler = Amino acids ; Geriatri = Geriatrics ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanotaşıyıcılar = Nanocomponents ; Neoplazmlar = Neoplasms ; Peptidler = Peptides

Özet:
Protein modifikasyonu ve değişikliği, diyabet, alzheimer ve kanser gibi çok faktörlü ve yaşa bağlı birçok hastalıkta önemli rol oynamaktadır. İleri glikasyon son ürünlerinin (AGE) ve ileri oksidasyon protein ürünlerinin (AOPP) oluşumu gibi değişiklikler protein agregasyon ve amiloid fibril oluşumuna katkıda bulunmaları nedeni ile organizmaya zarar verebilirler. Bu nedenle bu protein modifikasyonlarını önleyebilecek ve verimli bir şekilde düzeltebilecek tedavi seçeneklerinin bulunması büyük önem taşımaktadır. Bununla birlikte, bir tedavinin hedefine ulaşması için, vücutta, dokularda ve hücrelerde bulunan çeşitli kimyasal ve fiziksel mekanizmalar ve bariyerlerle karşı karşıya kalması söz konusudur. Örneğin, kan-beyin bariyeri gibi. Bu nedenle, istenmeyen etkileşimler ve degradasyonun aşılması için yeni nano mühendislik formülasyonları üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu bağlamda, bu çalışmada olası bariyerlerin aşılması, protein modifikasyonlarının önlenmesi ve hedefe yönelik tedavilerin geliştirilmesi amacı ile nano-taşıyıcılar ve spesifik peptidler kullanarak teranostik bir yaklaşımın geliştirilmesi hedeflendi.
Bu amaçla farklı çalışmalar yapılmış olup ilk olarak, karnosin gibi bazı peptitlerin, iki değerlikli bir metal olan çinko varlığında hazırlanan niozomların etkinliği araştırıldı. Sonrasında ise, her yapının içeriğin performansı üzerindeki avantajlarını görmek için niozomlar ve polimerzomlar dâhil olmak üzere farklı enkapsülasyon türleri üzerinde karşılaştırmalı bir çalışma yapıldı. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, kematerapötik bir kanser ilacı olan doksorubisini kapsayan bir teranostik (terapötik ve tanı) polimerzom tasarımı gerçekleştirildi. Bu bağlamda polimerzom yüzeyine nanotaşıyıcının penetrasyon kapasitesini arttırmak için Histatin 5 peptidi bağlanarak uygulanan ilaç miktarının düşürülmesi sağlandı.
Elde edilen veriler, ilaca direnç mekanizmalarının potansiyel olarak tersine çevrilmesiyle ilacın kanser hücreleri üzerinde etkisinin önemli bir şekilde arttığını gösterdi. Diğer yandan hazırlanan polimerzomların floresansının izlenmesi ile gerek nano-taşıyıcı tabanlı tedavinin etkinliğinin ve seyrinin takip edilmesi gerekse tedavinin ayarlanmasına da olanak sağlayabileceği gözlemlendi.
Sonuç olarak bu tez kapsamında çok ilginç olumlu sonuçlar gösteren orijinal bir teranostik yapı tanımlandı. Ancak ileride yapılacak hem in vitro hem de in vivo sinyal yolları da dâhil olmak üzere mekanistik çalışmaların yapılması gerekliliği açıktır.

Abstract:
Protein modification and alteration are important factors in many age-related diseases such as diabetes, Alzheimer's disease, and cancer. Modifications like the formation of advanced glycation end-products (AGE) and advanced oxidation protein products (AOPP) can cause harm to the organism and may contribute to protein aggregation and amyloid fibrils formation. Other protein can also aggregate under certain conditions such as cancer. Consequently, finding treatment options that can efficiently correct and prevent these protein modifications is of substantial importance. However, for a treatment to reach its target, it faces various chemical and physical mechanisms and barriers present in the body, tissues, and cells. For example, some organs like the brain are difficult to reach due to the blood-brain barrier. As such, new Nano ngineered formulations were sought to bypass unwanted interactions and degradation. Thus, the current thesis aimed for the development of a theranostic approach using nanocarriers and specific peptides to overcome the barriers and act on the prevention and treatment of protein modifications.
This work first explored the efficiency of some peptides such as carnosine in the presence of a divalent metal zinc and when encapsulated inside niozomes. The aim was to understand if the combination could enhance the activity of the peptide for the upcoming steps. After that, a comparative study on different types of encapsulations was performed including niozomes and polymersomes to see the advantages of each structure on the performance of the content. The last steps made use of the previous results to design a theranostic polymersome encapsulating the anti-cancer drug doxorubicin (acts both as a therapeutic agent and has fluorescence for diagnostic). The polymersome surface was decorated using a cell-penetrating peptide called Histatin 5 to enhance the penetration capacity of the nanocarrier while lowering the drug amount administered.
The obtained data showed an important enhancement of the drug over cancer cells with a potential reversal of drug-resistance mechanisms. The fluorescence observation allows the continuous tracking of the administered nanocarrier-based treatment which has a great potential in clinical applications by following the treatment course, effect, and adjusting the therapy directly.
While the current thesis has described an original theranostic structure that has yet to be seen in the literature and showing very interesting positive results, it is necessary to further analyze the mechanistic effects including signaling pathways both in vitro and especially in vivo.