Functionalization of Nanoparticles with Tyrosine Hydroxylase : Biotechnological and Therapeutic Implications

Abstract

Tyrosine hydroxylase (TH) er et viktig enzym for nervesystemet, fordi det katalyserer det første steget i syntesen av dopamin, noradrenalin og adrenalin. Nivået på TH og dopamin synker hos Parkinsons pasienter pga. den gradvise celledøden i den hjernedelen som heter substantia nigra. Vanlig behandling går ut på å ta levodopa som er forløperen til dopamin, men effekten avtar etter hvert, og pasientene får alvorlige bivirkninger ved høye doser. Det trengs altså et bedre behandlingstilbud. En mulighet kan være å tilføre mer TH vha. en enzymerstatningsterapi som også vil gjenopprette dopaminnivået. Hovedformålet med denne avhandlingen er å finne ut hvordan TH kan bli brukt som biologisk medisin. Vi har derfor utviklet forskjellige nanopartikkel-baserte formuleringer som kan stabilisere og levere TH, og evaluert det terapeutiske potensiale til TH-lastede nanopartikler.

Vi begynte med å produsere TH sammen med forskjellige fusjonspartnere og fikk et stabilt enzym som vi målte strukturen av. Så valgte vi porøst silisium og maltodekstrin nanopartikler som mulige bærere av TH. De første forsøkene med porøst silisium viste at det er en sammenheng mellom fotoluminescensen og frigjøringen av et modellprotein som kan være nyttig i sporing av legemiddelleveringen i kroppen. Videre fant vi at TH kunne bindes i nanopartikler av porøst silisium, men at dette førte til aggregering av TH. Maltodekstrin-nanopartikler kunne derimot absorbere store mengder TH samtidig som de forhindret eller forsinket TH aggregeringen. Vi observerte at disse nanopartiklene kunne levere TH til nerveceller og hjernevev og dermed økte den intracellulære TH aktiviteten.

Alt i alt har denne avhandlingen gitt et godt innblikk i de strukturelle mekanismene og de funksjonelle forutsetningene som trengs for å kunne lage vellykkede nanopartikkel-baserte formuleringer av TH. TH-lastede nanopartikler har muligheten til å bli videreutviklet til enzymerstatningsterapi for sykdommer hvor det er for lite aktivt TH, som f.eks. ved Parkinsons sykdom.

Tyrosine hydroxylase (TH) is important for neuronal function as it is the rate-limiting enzyme in the synthesis of dopamine, noradrenaline, and adrenaline. In Parkinson’s disease, the levels of TH and dopamine decrease, due to progressive loss of the dopaminergic neurons in a part of the midbrain called substantia nigra. Treatment is typically with the dopamine precursor, levodopa, but its pharmacological effect wears off, and the patients develop serious side effects, so there is a need for better treatment options. One alternative could be to replace the lacking TH with an enzyme replacement therapy and thereby restore the dopamine levels. The main goal of this thesis has been to investigate how TH can be pharmacologically developed into a potential biological drug. We have therefore studied different nanoparticle (NP)-based formulations to stabilize and deliver TH and evaluated the therapeutic potential of TH-loaded NPs.

We started out by using fusion tags in the preparation of TH to obtain a stable enzyme of which we determined the full-length solution structure. Then we selected porous silicon and maltodextrin NPs as potential carriers of TH. Initial characterization revealed that the photoluminescent properties of porous silicon can be tuned to correlate with the release of a model protein, which can be useful in tracking of drug delivery. Furthermore, we found that TH loading in porous silicon NPs occurred through electrostatic interactions, but that it also induced TH aggregation. On the other hand, maltodextrin NPs absorbed large amounts of TH while preventing or delaying its aggregation. We observed functional delivery of TH by these NPs to neuronal cells and tissue, which significantly increased the intracellular TH activity.

All in all, this thesis has given insights into the structural mechanisms and functional prerequisites necessary for successful formulations of TH with NPs, which shows the therapeutic potential of enzyme replacement therapy with TH-loaded NPs.