Investigation on Nanoscale Diffusion, Aggregation and Solvatochromism

Abstract

The aggregation of β-amyloid (Aβ) monomers has been known for a main cause of the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). It is known that particularly oligomers having the size of a few nanometers are highly toxic to neuron, and thus study on their characterization and formation have been subjected to intensive studies. To investigate the dynamics and aggregates of Aβ, their motions were detected by various techniques. We firstly focused on the movements of nanoparticles in inhomogeneous systems. The non-uniform systems were synthesized by polyacrylamide polymer and silver nanoparticles. To investigate the coefficient of elasticity and diffusion, we used dynamic light scattering (DLS). The results show elastic coefficient has bigger value than diffusion which it means elastic motion occurs faster that diffusion. We measured viscosity and thermal conductivity to explore the nanoparticles movement in complex fluids. Boger nanofluids viscosity shows shear thinning as shear rate changes. In addition, the thermal conductivity of Boger nanofluids increases as silver nanoparticles concentration increases. These results can be used as advanced research for understanding of Aβ aggregates in blood systems. Secondly, highly sensitive fluorescence techniques and atomic force microscopy (AFM) were employed to investigate the size determination of Aβ and screening of small molecule inhibitors. A solvatochromic dye, 1-anilinonaphthalene-8-sulfonic acid (ANS), was used as an extrinsic fluorophore to monitor the growth mechanism of the Aβ aggregates. In this experiment, a home-built fluorescence detection system was used to simultaneously monitor ANS emission intensities at two different wavelengths. Then, the time-resolved fluorescence anisotropy (TRFA) technique was employed to estimate the hydrodynamic size of Aβ oligomers. Finally, AFM was used to characterize the Aβ oligomer size in the absence and presence of potential inhibitors such as curcumin, disperse orange (DO3). We presented that the combination of such three experimental techniques is an excellent way to detect the early stage of Aβ aggregation and to screen small molecule inhibitors. In addition, we explored a new dye, DABP, to investigate the aggregates of Aβ in different mediums. We focused on the characteristic that DABP dye shows the different absorption and emission peaks as solvent polarity changes to identify the solvatochromic effect of DABP. In this experiment, we used acetonitrile, chloroform, dioxane, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate, ethanol and methanol. The absorption and emission spectra of DABP shows the strong solvatochromic effect, compare to nile red which has known as solvatochromic dye. We measured the average lifetime of DABP and arranged as a function of polarity parameter. When its values is bigger 3.0, we observed the lifetime of DABP decrease rapidly. Furthermore, we have incubated Aβ monomer with DABP dye for 6 hours and 24 hours to explore the aggregates of Aβ and measured the average lifetime. The fluorophore, DABP, shows the very low fluorescence intensity in aqueous solution. However, when it bound to Aβ peptides, its fluorescence intensity gets bigger and we can measure the lifetime of the incubated sample. In this experiment, we observe the average lifetime of the incubated sample becomes longer. It appears that the DABP dye is an excellent probe for our purpose because the fluorophrore can identify the sensitive changes of the surrounding medium.;베타 아밀로이드 펩타이드(Aβ)의 응집체는 알츠하이머 병의 주요 원인 인자로 알려져 왔다. Aβ 응집체 중 특히 몇 나노미터의 크기를 가지는 올리고머가 신경 세포에 독성을 나타낸다고 알려지면서 Aβ 올리고머의 형성과정과 생물학적 특성이 집중적으로 연구되어 왔다. 본 연구에서는 Aβ의 운동과 응집과정을 관찰하기 위하여 분광학적인 분석법, AFM을 이용한 이미징 분석 그리고 새로운 형광분자인 DABP를 이용하여 연구를 수행하였다. 첫째로, 본 연구는 불균일한 환경에서 입자의 움직임을 관찰하였다. 혈액과 동일한 점탄성의 특성을 지닌 보거 나노유체에 은 나노 입자를 확산시켜 보거 나노유체의 특성을 관찰하였다. 보거 나노 유체로는 polyacrylamide를 이용하였다. 나노 입도 분석기(DLS)를 이용하여 점성과 탄성에 의한 각각의 확산계수 값을 구하였고 탄성에 의한 확산계수의 값이 점성에 의한 확산계수 보다 큰 값을 나타내는 것을 관찰 하였다. 더 나아가 농도에 따른 탄성과 점성에 의한 확산 계수의 값을 측정하였고, 모든 결과에서 탄성에 의한 확산 계수가 점성에 의한 확산계수보다 크다는 사실을 확인하였다. 또한, 점도와 열전도도의 값을 측정하여 보거나노 유체 내에서 은 입자의 움직임에 대한 정보를 얻을 수 수있었다. 이러한 정보는 불균일 환경인 혈액 내에서 Aβ의 움직임을 관찰하는 선행 연구로 이용 될 수 있다. 둘째로, 본 연구는 Aβ의 응집에 대한 정보를 얻기 위하여 원자현미경(AFM)과 시분해 형광 이방성(TRFA) 그리고 two-channel spectro fluorometer 장비를 이용하였다. Aβ와 결합할 수 있는 응집 저해 후보 물질로 아조벤젠 유도체인 curcumin, disperse orange 3(DO3), ANS를 이용하였다. AFM 이미징 분석방법을 통해 DO3 가 가장 높은 응집저해 효과를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 형광 염료인 ANS를 이용하여 정적 형광 세기를 분석을 통해 시간에 따라 Aβ 모노머 형태와 올리고머 형태에 결합하는 ANS의 형과 비를 측정하여 시간에 따른 응집 현상을 관찰 하였다. 마지막으로, 시분해 형광 이방성(TRFA)을 이용한 내부 회전 운동시간을 관찰하였다. 형광 염료인 coumarin 343을 이용하여 실험한 결과 Aβ의 결합 유무에 따라서 그 값이 달라지는 것을 확인하였고, Aβ가 형광염료와 결합하였을 때 그 값이 커지는 것을 확인 하였다. 본 연구는 세 가지 방법을 이용하여 알츠하이머 병을 유발하는 Aβ의 응집현상과 응집저해 효과를 효과적으로 관찰하였다. 마지막으로, 본 연구는 주변 환경의 변화에 따른 DABP 형광 분자 움직임을 관찰하였다. 주위 용매의 극성 변화에 따른 흡광과 형광이 변화한다는 점에 착안하여, DABP의 용매화 발색 현상을 관찰하였다. 본 연구에서는 Acetonitrile, chloroform, dioxane, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylforamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate, ethanol, methanol 용매를 이용하였다. 각각의 용매 내에서 형광과 흡광 스펙트럼을 관찰하였고, 용매화 발색 현상이 용매화 형광분자로 알려진 Nile red와 비교하였을 때 그 효과가 크게 나타난다는 사실을 확인 할 수 있었다. 또한, 유전상수 값의 변화에 따른 평균 형광 수명시간의 변화를 관찰하였다. 더 나아가 Aβ의 응집 과정을 확인하기 위하여 Aβ 단량체와 DABP를 같이 배양 시켜 평균형광 수명시간을 관찰하였다. DABP는 Aβ와 결합하지 않은 경우에는 형광의 크기가 매우 작아 평균형광 수명시간을 측정하기가 어려웠으나, Aβ와 결합한 경우 DABP의 형광 세기가 커져 평균형광 수명시간의 측정이 가능하다. 이 점에 착안하여 시간에 따른 평균형광 수명시간을 측정한 결과 그 값이 커진다는 사실을 확인하였다. 이는 Aβ의 응집이 일어난다는 것을 의미하므로, 본 연구는 DABP를 이용한 Aβ입자의 응집 현상을 관찰하는데 적절한 방법임을 새롭게 확인 할 수 있다.