Albumin and lysozyme interaction with sílica nanoparticles : thermodynamics and effect of the nanoparticles surface properties

Orientadores: Watson Loh, Mateus Borba Cardoso Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química Resumo: O fenômeno conhecido como protein corona é caracterizado pela adsorção espontânea e inespecífica de proteínas na superfície das nanopartículas (NPs). Essa camada de proteínas adsorvida tem uma grande influência sobre a ação e eficiência dos nanomateriais aplicados na nanomedicina. Dentre as estratégias para evitar a ocorrência desse fenômeno está a funcionalização da superfície das partículas com grupos zwitteriônicos (ZW) ou com polietilenoglicol (PEG). Em vista disso, o objetivo do trabalho aqui descrito consiste em sintetizar nanopartículas de sílica e estudar a interação delas com diferentes proteínas (albumina bovina e lisozima). Para tal, são considerados três tipos de nanopartículas de sílica, sendo uma sem modificação (SiO2NPs) e as outras duas modificadas com o PEG e o zwitteriônico silano sulfobetaína (SBS), identificadas como SiO2NPs-PEG e SiO2NPs-SBS, respectivamente. Essas nanopartículas foram caracterizadas por espalhamento de luz dinâmico (DLS), potencial zeta, microscopia, termogravimetria (TGA) e ressonância magnética nuclear de hidrogênio (1H-RMN). Os estudos de interação foram realizados através das técnicas de DLS, absorção na região do ultravioleta, dicroísmos circular (CD) e calorimetria de titulação isotérmica (ITC). Três fatores foram considerados nesses estudos: pH, temperatura e força iônica. As três nanopartículas apresentaram uma distribuição de tamanho monomodal em torno de 100 nm e formato aproximadamente esférico. As modificações de superfície com SBS e PEG foram comprovadas através das técnicas de RMN e TGA. Mediante os experimentos de interação dessas nanopartículas com as proteínas verificou-se a interação da proteína albumina bovina apenas com as SiO2NPs. Portanto, para a albumina bovina, proteína carregada negativamente em pH fisiológico, as modificações com SBS e PEG foram eficientes para evitar a adsorção dessa proteína. Ainda com relação a esses experimentos, observou-se que a interação da albumina bovina com as SiO2NPs é controlada pela entalpia e que os fatores força iônica, pH e temperatura influenciaram nos resultados. Com relação à lisozima, proteína carregada positivamente em pH fisiológico, foi observada a interação com as três nanopartículas deste projeto. Ou seja, a propriedade corona free das SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG não foi observada para essa proteína Abstract: Protein corona is a phenomenon characterized by the spontaneous and nonspecific adsorption of proteins on nanoparticles¿ surface. This protein shell influences on the action and efficiency of nanomaterials applied in nanomedicine. Particles functionalization with zwitterionic groups and polyethylene glycol (PEG) are two strategies to avoid the occurrence of this phenomenon. Considering these facts, this work¿s motivation is to synthesize silica nanoparticles and to study their interaction with different proteins (bovine serum albumin and lysozyme). For this, three types of silica nanoparticles were considered: I) unmodified (SiO2NPs), II) modified with zwitterionic sulfobetaine silane (SiO2NPs-SBS) and III) modified with polyethylene glycol (SiO2NPs-PEG). These nanoparticles were characterized by dynamic light scattering (DLS), zeta potential, microscopy, thermogravimetry (TGA) and nuclear magnetic resonance (NMR) measurements. The interaction studies were performed using DLS, ultraviolet absorption, circular dichroism (CD) and isothermal titration calorimetry (ITC). Three factors were considered in these studies: pH, temperature and ionic strength. The three nanoparticles presented a monomodal size distribution around 100 nm and approximately spherical shape. Surface modifications with SBS and PEG were confirmed by NMR and TGA techniques. Bovine serum albumin (BSA) was found to interact only with SiO2NPs. Therefore, for BSA, a negatively charged protein at physiological pH, modifications with SBS and PEG were efficient to avoid its adsorption. It was also observed that the interaction of BSA with SiO2NPs is controlled by enthalpy and that the factors ionic strength, pH and temperature influenced the results. Lysozyme, a positively charged protein at physiological pH, interacted with three nanoparticles of this project. Thus, the corona free property of SiO2NPs-SBS and SiO2NPs-PEG nanoparticles was not verified for this protein Mestrado Físico-Química Mestre em Química FAPESP 2016/11118-0 CNPQ 135840/2016-3