The influence of peptide functionalized gold nanoparticles on prostate cancer cells

Abstract

Nanomalzemeler, terapötik uygulamalar için yeni araçlar olarak ortaya çıkmışlardır. Bununla birlikte, biyomedikal alanlardaki kullanımları, insan sağlığı üzerindeki potansiyel toksik etkileri nedeniyle sınırlıdır. Literatürde, NP'lerin yüzeyini işlevsel hale getirmenin, nanomalzemelerin güvenlik problemini ortadan kaldırmak için uygun bir yaklaşım olduğu belirtilmiştir. AuNP'ler, kolay yüzey kimyaları, düşük toksisiteleri, biyo-uyumlulukları, yüksek stabiliteleri ve boyut üniformiteleri sayesinde terapötik biyomateryallerin tasarlanması için elverişli bir platform sağlarlar. Ayrıca, AuNP'lerin yüzey kimyalarındaki küçük farklılıklar, eşsiz plazmonik özellikleri sayesinde UV/GB spektroskopisi ile gözlemlenebilir. AuNP'lerin küçük biyomoleküller ile fonksiyonel hale getirilmesi, hücresel alımı arttırma ve toksisiteyi azaltma konusunda iyi bir çözüm sunar. Bu çalışmada 13 nm AuNP'lerin modifikasyonu için; dizilimleri, uzunlukları ve yükleri dikkate alınarak çeşitli peptitler seçilmiştir. Hücresel cevabı karşılaştırmalı değerlendirmek için, sağlıklı (PNT1A) ve kanser (DU145) hücre dizilerinin her ikisi de AuNP-Peptit konjugeleri ile muamele edilmiştir. Peptit modifiye AuNP'ler, DU145 hücreleri üzerinde PNT1A hücrelerinde gösterdiğinden daha fazla sitotoksik etki göstermiştir ve Cys amino asidinin pozisyonunun sitotoksik etkide fark yarattığı görülmüştür. Bununla birlikte, AuNP-Peptitler sağlıklı hücrelerde gözlenenin aksine, prostat kanseri hücrelerinde apoptotik hücre ölümüne neden olmuşlardır. Pep1 (H2N-Glu-Glu-Glu-Cys-COOH) ve Pep5 (H2N-Asp-Gly-Arg-Glu-Glu-Glu-Cys-COOH) modifiye AuNP'ler, Cys-N-terminal peptit modifiye AuNP'lere kıyasla DU145 hücre hattında açık bir farkla apoptotik hücre ölümüne sebep olmuşlardır. Ek olarak, PNT1A ve DU145 hücrelerinin hücre döngüsü de araştırılmıştır. DU145 hücreleri yüksek oranda G2/M fazında tutulurken, PNT1A hücreleri için önemli bir duraklamaya rastlanmamıştır. En yüksek G0/G1 fazında tutulma oranı His amino asidi içeren Cys-C-terminal peptit ile PNT1A hücre hattında görülmüştür. AuNP yüzeyindeki küçük değişimlerin hücresel yanıtta önemli farklılıklara sebep olduğu, böylece yüzey kimyası terziliğinin nanotıp alanında kullanımının önemi gösterilmiştir.

Nanomaterials have emerged as new tools for theranostic applications. However, their use in biomedical fields is limited by their potential toxic effects on human health. It has been indicated in the literature that functionalizing the surface of NPs is a favorable approach to eliminate the safety issue of the nanomaterials. AuNPs provide a platform for designing therapeutic biomaterials owing to their easy surface chemistry, less toxicity, biocompatibility, high degree of stability and size uniformity. Besides, small differences in the surface chemistry of AuNPs can be observed by UV/Vis spectroscopy due to their unique plasmonic properties. Functionalization of AuNPs with a small biomolecule introduces a good platform to enhance cellular uptake and reduce the toxicity. In this study, a range of custom designed peptides were choosen for modification of the 13 nm AuNPs by taking their sequence, size, and charge into account. To evaluate cellular responses comparatively, both healthy (PNT1A) and cancer (DU145) cell lines were treated with the AuNP-Peptide conjugates. The peptide modified AuNPs indicated more toxic effects on DU145 cells than PNT1A cells, and the position of Cys amino acid in the sequence caused difference in cytotoxicity. Furthermore, the AuNP-Peptides induced the apoptotic cell death in prostate cancer cells in contrast to response of healthy cells. Pep1 (H2N-Glu-Glu-Glu-Cys-COOH) and Pep5 (H2N-Asp-Gly-Arg-Glu-Glu-Glu-Cys-COOH) modified AuNPs significantly induced apoptotic cell death for DU145 cell line compared to Cys-N-terminal peptide modified AuNPs. In addition, the cell cycle of the PNT1A and DU145 cells were also investigated. While the DU145 cells were arrested at G2/M phase in a high ratio, there was no significant arrest for PNT1A cells. The highest arrest in G0/G1 phase of the PNT1A cells obtained with the His containing Cys-C-terminal peptide. In conclusion, it was shown that subtle changes in surface chemistry of AuNPs caused noticeable difference in cellular response, which indicates the importance of tailoring surface chemistry of nanomaterials aimed to be used in nanomedicine.