Stimuli-responsive nanomaterials allow spatiotemporal treatment of lesions in the body regardless of dysfunctional physiological and metabolic functions. This dissertation describes the designs of different stimuli-responsive nanomaterials for modulating amyloid aggregate structure as the potential treatments of amyloidogenic diseases, particularly Alzheimer’s disease.
Chapter 1 provides an overview of recent advances to modulate Alzheimer’s β-amyloid (Aβ) aggregates by introducing different tissue-penetrable external stimuli and stimuli-responsive materials with piezoelectric, magnetothermal, magnetoelectric, photoelectrochemical, photoacoustic, photothermal, and photodynamic properties. This chapter summarizes the rational approaches in nanoscopic and molecular levels to each treatment strategy.
Chapter 2 elucidates the piezoelectric treatment strategy for disassembling Aβ aggregates by introducing ultrasound waves and the bismuth oxychloride nanosheet, which is capable of evoking wireless electrochemical reactions upon receiving repetitive mechanical stimuli. This chapter investigates the piezocatalytic efficacy on the Aβ aggregate’s protein secondary structure and the Aβ-associated neurotoxicity.
Chapter 3 proposes the magnetoelectric treatment strategy for modulating Aβ aggregates by adopting low-frequency magnetic fields and magnetoelectric nanomaterials, which emit electric fields in response to applied external magnetic fields. This chapter highlights the enhanced magnetoelectric coupling effect of the bismuth ferrite-coated cobalt ferrite nanoparticles for cleaning Aβ aggregates by converting water and dissolved oxygen molecules into reactive oxygen species without induction heating effect of magnetic fields.
Chapter 4 presents the phonon-associated photodynamic platform for disaggregating Aβ aggregates by employing near-infrared (NIR) light and ternary chalcogenide nanomaterials. The copper molybdenum sulfide nanocube exhibits NIR photocatalytic activity capable of producing singlet oxygen species based on its low band gap and electron–phonon coupling property. This chapter describes the NIR light-controlled oxidative modification of Aβ fibrils and plaques through the catalytic phonon fields of the copper molybdenum sulfide nanocube.
Chapter 5 demonstrates the new aspect of minerals in the Earth’s crust for denaturing the structure of the β-sheet structured pore-forming Aβ oligomer, which is the most neurotoxic species among different Aβ aggregates. Linnaeite is a cobalt sulfide mineral with NIR light-responsive photocatalytic capacity generating hydroxyl radical and superoxide radical anion. This chapter proposes the medical potential of the linnaeite mineral based on the NIR light-triggered structural modification of βPFO.
자극 반응성 나노재료는 외부 자극에 반응하여 환자의 생리 및 대사 기능에 관계없이 신체의 병변을 시공간적으로 제어할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 본 학위 논문에서는 다양한 자극 반응성 나노재료를 이용하여 아밀로이드 응집체의 구조를 조정하기 위한 연구를 다룸으로써 아밀로이드 질병으로 대표되는 알츠하이머병의 잠재력인 치료 전략들을 제시한다. 구체적으로, 외부의 기계적 자극으로 무선 전기화학 반응을 일으킬 수 있는 비스무트 옥시클로라이드 나노시트와 초음파를 이용한 압전 치료 전략을 설계하고, 이를 이용한 베타-아밀로이드 응집체의 단백질 2차 구조 변형과 신경독성 감소 효능을 탐구한다. 또한, 외부 자기장에 반응하여 전기장을 방출하는 자기전기 나노물질과 저주파 자기장을 채택한 자기전기 치료 전략을 제안함으로써, 물과 용존 산소 분자로부터 유래한 활성 산소 종을 이용하여 열 발생 없이 베타-아밀로이드 응집체를 제거할 수 있는 자기전기 결합 효과를 밝혀낸다. 추가적으로, 근적외선 및 삼원 칼코게나이드 나노물질을 이용한 포논-매개 광역학 플랫폼을 제시함으로써, 구리 몰리브데늄 황화물 나노큐브에서 형성된 촉매성 포논 필드를 통한 베타-아밀로이드 피브릴 및 플라크의 산화 변형 반응에 대해 설명한다. 마지막으로, 근적외선 및 지구 광물을 사용하여 베타-아밀로이드 올리고머를 변성시킬 수 있는 광역학 치료 전략을 제시함으로써, 알츠하이머병에 대한 광물의 의학적 잠재력을 제공한다.
