Detection of amyloid fibrils in Parkinson’s disease using plasmonic chirality

Abstract

Las fibrillas amiloides, que están estrechamente asociadas con varias enfermedades neurodegenerativas, son los productos finales de muchas vías de agregación de proteínas. Por lo tanto, la identificación de las fibrillas en baja concentración es fundamental para el diagnóstico de las enfermedades y el desarrollo de estrategias terapéuticas. Informamos de una metodología para la identificación específica de las fibrillas amiloides mediante efectos quiroprácticos en nanopartículas plasmónicas. La formación de las fibrillas amiloides basadas en α-sinucleína fue probada utilizando nanorodos de oro, que no mostraron ninguna interacción aparente con las proteínas monoméricas, pero sí una efectiva adsorción a las estructuras fibrilares mediante interacciones no covalentes. La estructura amiloide impulsa una disposición helicoidal de los nanorodios, lo que da lugar a una intensa actividad óptica en las longitudes de onda de resonancia del plasmón de la superficie. Esta técnica de detección se aplicó con éxito a los homogeneizados del cerebro humano de los pacientes afectados por la enfermedad de Parkinson, en los que se identificaron las fibrillas proteínicas relacionadas con la enfermedad mediante señales quirales de nanorodos de Au en el infrarrojo visible y cercano, mientras que las muestras de cerebro sano no mostraron ninguna actividad óptica significativa. La técnica se amplió además a la detección específica de amiloides infecciosos formados por proteínas priónicas, confirmando así el amplio potencial de la técnica. La intensa respuesta quiral impulsada por un fuerte acoplamiento dipolar en arreglos helicoidales de Au nanorod nos permitió detectar fibrillas amiloides hasta concentraciones nanomolares.

Amyloid fibrils, which are closely associated with various neurodegenerative diseases, are the final products in many protein aggregation pathways. The identification of fibrils at low concentration is, therefore, pivotal in disease diagnosis and development of therapeutic strategies. We report a methodology for the specific identification of amyloid fibrils using chiroptical effects in plasmonic nanoparticles. The formation of amyloid fibrils based on α-synuclein was probed using gold nanorods, which showed no apparent interaction with monomeric proteins but effective adsorption onto fibril structures via noncovalent interactions. The amyloid structure drives a helical nanorod arrangement, resulting in intense optical activity at the surface plasmon resonance wavelengths. This sensing technique was successfully applied to human brain homogenates of patients affected by Parkinson’s disease, wherein protein fibrils related to the disease were identified through chiral signals from Au nanorods in the visible and near IR, whereas healthy brain samples did not exhibit any meaningful optical activity. The technique was additionally extended to the specific detection of infectious amyloids formed by prion proteins, thereby confirming the wide potential of the technique. The intense chiral response driven by strong dipolar coupling in helical Au nanorod arrangements allowed us to detect amyloid fibrils down to nanomolar concentrations.