The abnormal accumulation of β-amyloid (Aβ) aggregates in the brain is a major pathological hallmark of Alzheimer’s disease. We report a near-infrared (NIR)-active $CuBi_2O_4$-based photocathodic platform that can target intact Aβ aggregates and dissociate them into nontoxic species. Because of its relatively narrow band gap, $CuBi_2O_4$ exhibits absorption of NIR light, which allows for deeper tissue penetration and causes less photodamage to tissues compared to visible light. Furthermore, its high stability in aqueous media, biocompatibility, and robustness against photocorrosion make $CuBi_2O_4$ an ideal material for medical applications. For the targeted clearance of Aβ aggregates, we have conjugated the KLVFF peptide which specifically recognizes and captures Aβ aggregates on the surface of silver-doped $CuBi_2O_4$ ($Ag:CuBi_2O_4$). Upon illumination of NIR light under a cathodic bias, the KLVFF-immobilized $Ag:CuBi_2O_4$ (KLVFF-$Ag:CuBi_2O_4$) effectively dissociated β-sheet-rich, long, and entangled Aβ fibrillary aggregates into small fragmented, soluble species through photo-oxygenation. We also verified that the KLVFF-$Ag:CuBi_2O_4$ photocathode is biocompatible and effective in reducing Aβ aggregate-induced neurotoxicity. Our work demonstrates the potential of the KLVFF$Ag:CuBi_2O_4$ platform for the targeted disassembly of cytotoxic, robust Aβ aggregates with the aid of NIR energy and cathodic bias.
알츠하이머 병(Alzheimer’s disease)은 점진적 기억 손상 및 비가역적 인지 기능 장애를 동반하는 뇌 질환으로서, 뇌 속에 베타-아밀로이드(β-Amyloid)의 과다 생성 및 독성을 지니는 응집체(aggregates)로 자기 조립하는 병리학적 특성을 지닌다. 본 학위 논문에서는 아밀로이드 응집체를 포획하고, 비독성 종으로 분해하는 적외선 활성의 카파 비스무스 옥사이드($CuBi_2O_4$) 광양극 플랫폼에 대해 보고한다. $CuBi_2O_4$는 작은 밴드갭을 가지기 때문에 NIR 영역의 빛 흡수할 수 있으며, 이는 가시광선 대비 생체 조직에 대한 높은 침투율과 낮은 조직 광 손상을 유발한다. 또한, 우수한 생체 적합성, 수용액 내 안정성 및 광 안정성을 갖기 때문에 $CuBi_2O_4$는 의료 응용 분야에 적합한 재료라고 할 수 있다. 우리는 $CuBi_2O_4$ 의 전기적 특성을 개선하기 위해 은-도핑을 진행하였고, Aβ 응집체의 선택적 제거를 위해, 은-도핑된 $CuBi_2O_4$ ($Ag:CuBi_2O_4$) 표면에 Aβ 응집체를 특이적으로 인식 및 포획할 수 있는 KLVFF 펩타이드를 개질하였다. 양의 전압과 NIR 빛을 가해주게 되면, KLVFF가 접합된 $Ag:CuBi_2O_4$ (KLVFF-$Ag:CuBi_2O_4$)는 광-산화(photo-oxidation)를 통해 Aβ 응집체를 작은 용해성 종으로 효과적으로 분해함을 확인하였다. 또한 KLVFF-$Ag:CuBi_2O_4$ 광양극이 생체 적합성이 높고, Aβ 응집체로 인한 신경 독성을 감소시키는 데 효과적임을 확인하였다. 본 연구는 KLVFF-$Ag:CuBi_2O_4$ 광전극을 이용하여 베타 아밀로이드 표적 분해 현상을 증명하였으며, 알츠하이머 치료를 위한 베타 아밀로이드 응집체 분해제로서의 가능성을 제시하였다.
