Molecular and nanodimensional metal based systems for the therapy against neurodegenerative diseases

Reactive oxygen species (ROS) are harmful species produced during metabolic processes, such as photosynthesis and respiration, of living organism. In both case, the substrate (oxygen/water) undergoes several multi electronic reaction, during which some electrons can “escape” from the catalytic cycle and produce ROS, such as superoxide radical anion, hydrogen peroxide, hydroxyl radical and other derivatives. These species are really dangerous, since they are able to oxidize almost all cellular components. Indeed they can damage lipids, proteins, DNA, affecting cellular functions till cell death. Under oxidative stress condition, accumulation of damage due to ROS has been supposed to play a role in several pathologies, and in particular in age-related ones, such as Alzheimer’s disease (AD). This disease is characterized by an accumulation of neurotoxic senile plaques, mainly made of short peptide monomers, that tend to aggregate into fibrils, called amyloid β peptide (Aβ). Although the mechanism involved in the production of these peptides is still unknown, some hypothesis suggest that ROS are produced within the fibrils and are responsible for further Aβ production. Nature has developed different catalytic strategies to limit ROS production, and the most important is the enzymatic pathway: superoxide dismutases (SOD) and catalase (CAT) enzymes are able to dismutate, respectively, superoxide and hydrogen peroxide. Nevertheless, in case of unpaired ROS production it is of huge interest to find new artificial systems that are able to help natural enzymes in their task. In this thesis, four different classes of synthetic enzymes (synzymes) that mimic natural anti ROS systems have been investigated: I. Isostructural mononuclear manganese complexes, with general formula [Mn(L)X2], characterized by a pentadentate ligand L, containing different heteroatoms (N, O or S) have been used for the dismutation of hydrogen peroxide and superoxide anion. Their activity, also depending on heteroatoms, and stability were studied, first in organic solvents to have a comparison with literature similar compounds, then in aqueous solution, where only few compounds were known to work. The sulfur-containing complex [Mn(L)(OTf)2] was found to exhibit high dual SOD/CAT-like activity with excellent stability, when used in the presence of a base. II. Isostructural dinuclear manganese complexes, with general formula [Mn2L2X], were widely studied as artificial catalases. A comparison with other dimanganese complexes, in terms of Michealis-Menten parameter, KM and kcat, was performed. Superoxide dismutase activity was also evaluated, demonstrating the unique dual SOD/CAT behavior of [Mn2L2X] with respect to other dinuclear complexes. Finally, the ligands were modified with mitochondriotropic functionalities. In particular, two fluorescent rhodamine derivatives and a triphenylphosphonium salt, were taken into account. III. Some multimetallic manganese oxoclusters, containing 6-13 manganese atoms, were synthetized during a Short Term Scientific Mission in Dublin, in the group of Prof. Wolfgang Schmitt. The catalase-like activity of these compounds was tested for the first time. Their H2O2 dismutation capability was thus demonstrated and their stability in aqueous environment was checked. Preliminary test as SOD mimics were also performed. IV. In the end, a completely inorganic compound, a polyoxometalate (POM) substituted with four ruthenium atoms, with formula [Ru4O4(OH)2(H2O)4(γ-SiW10O36)2]10-, able to dismutate hydrogen peroxide was studied. Its activity in different biological buffers and media was initially optimized. Its capability of interaction with Aβ peptides, coupled with its catalase activity, were exploited to control these two major events involved in Alzheimer’s disease. Preliminary test on neuronal cells were then performed (with Dr.ssa de Bartolo (ITM-CNR, Rende, CS)), confirming the interesting properties of the compound in vitro and finding a very low toxicity. Finally, encapsulation of POM was achieved in order to enables delivery and targeting in cells, using polymeric multilayer biocompatible microcapsules in which POM is deposited. The presence of POM and its catalytic activity were confirmed and analyzed.

Le reazioni biochimiche che coinvolgono il trasferimento di elettroni dall’ossigeno per dare acqua, durante la respirazione cellulare, e dall’acqua per dare ossigeno, durante la fotosintesi, possono portare alla formazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS, reactive oxygen species), dovute alla “perdita” di elettroni dal ciclo catalitico. Tra queste specie troviamo inizialmente il superossido O2-•, l’acqua ossigenata e il radicale ossidrile. Queste possono reagire con altre molecole per dare origine ad altre specie reattive, per esempio dell’azoto, ma soprattutto possono danneggiare peptidi, lipidi e DNA e causare ingenti danni alle funzioni cellulari fino a portare alla morte della cellula stessa. In condizioni di stress ossidativo, l’accumulo di queste specie sembra giocare un importante ruolo nelle malattie degenerative, come ad esempio il morbo di Alzheimer (AD). In questo caso, la malattia è caratterizzata dalla presenza di aggregati proteici in forma di placche, che hanno un effetto neurotossico. Questi accumuli proteici sono costituiti principalmente da peptidi di 40-42 amminoacidi chiamati β-amiloidi (Aβ), che tendono ad aggregare, in forma di fibrille. Le cause della formazione e accumulo di questi peptidi non sono ancora del tutto chiare, ma si hanno evidenze sul coinvolgimento delle ROS nella fase di formazione dei peptidi, e sull’aumento della loro produzione, dopo la formazione delle fibre, a causa di reazioni mediate dai metalli intrappolate nelle fibre stesse. La natura ha sviluppato dei sistemi per proteggersi da queste specie reattive, tra questi citiamo gli enzimi superossido dismutasi (SOD) e catalasi (CAT), capaci rispettivamente di eliminare superossido e acqua ossigenata, che tuttavia in certe situazioni di elevato stress ossidativo possono risultare insufficienti per prevenire i danni. È quindi di estremo interesse lo studio di composti artificiali capaci di aiutare gli enzimi naturali nel loro compito di eliminare le ROS dall’ambiente biologico. Considerando ciò, in questa tesi sono state considerate le seguenti quattro classi di composti, utilizzati come enzimi sintetici (synzymes), per imitare le funzioni dei sistemi anti ROS naturali: I. Complessi mononucleari ed isostrutturali di manganese, di formula generale [Mn(L)X2], caratterizzati da un legante pentadentato, L, contenente differenti eteroatomi (N, O, o S), sono stati studiati nella dismutazione dell’acqua ossigenata e del radicale anione superossido. L’attività è stata inizialmente analizzata in solvente organico (acetonitrile) per aver dei termini di paragone con altri composti di letteratura. In seguito l’attività è stata studiata anche in acqua, dove solo pochi composti di letteratura sono risultati attivi. Se utilizzati in presenza di base, i complessi [Mn(L)(OTf)2] contenenti zolfo mostrano una duplice attività SOD/CAT ed un’elevata stabilità. II. Complessi dinucleari ed isostrutturali di manganese, di formula generale [Mn2L2X], sono stati studiati inizialmente per l’eliminazione dell’acqua ossigenata. Un confronto con simili composti di letteratura è stato effettuato tramite il calcolo dei parametri, derivati dall’ equazione di cinetica enzimatica di Michalis-Menten, KM e kcat. E’ stata anche analizzata la capacità di smaltire il superossido, dimostrando le caratteristiche uniche di [Mn2L2X] nella duplice attività CAT/SOD, in ambiente acquoso, rispetto ad altri complessi dinucleari. Infine, modificando i leganti, si è cercato di introdurre nuove funzionalità adatte alla veicolazione del composto in cellula. In particolare, sono stati utilizzati residui organici noti per la loro affinità verso i mitocondri, come i derivati della rodamina e i sali di trifenilfosfonio. III. Sono stati studiati oxoclusters multimetallici di manganese, contenti 6-13 atomi di metallo, sintetizzati durante un Short Term Scientific Mission (STSM, COST action CM1203) a Dublino, presso il laboratorio del Prof. Wolfgang Schmitt, analizzandone per la prima volta l’attività di dismutazione dell’ acqua ossigenata e del superossido, oltre che la stabilità in soluzioni acquose. IV. Un composto completamente inorganico, un poliossometallato (POM) contenete quattro atomi di rutenio, di formula [Ru4O4(OH)2(H2O)4(γ-SiW10O36)2]10-, è considerato per la sua solubilità in ambiente acquoso e la capacità di dismutare efficacemente l’acqua ossigenata. L’attività è stata analizzata in diversi tamponi e mezzi comunemente usati per analisi di sistemi biologici. In soluzione, il complesso è capace di ridurre la produzione di ROS e anche di interagire con peptidi amiloidei, evitandone l’aggregazione in fibrille, dimostrandosi quindi promettente nel contrastare due importanti eventi che si verificano durante la malattia di Alzheimer. In collaborazione con la Dr.ssa de Bartolo (ITM-CNR, Rende, CS) sono state quindi effettuate prove preliminari in cellule neuronali, per verificare sia la tossicità del composto (che risulta essere nulla anche a 100µM di concentrazione) che l’effettiva attività anti-ROS e anti-amiloidogenica in vitro. Infine si è studiato l’inserimento del POM all’interno della shell di microcapsule polimeriche multistrato, con la prospettiva di controllarne la veicolazione in cellula.