Effects of Shear Rate and Protein Concentration on Amyloidogenesis via Interfacial Shear

动力学 纤维 化学 剪切速率 生物物理学 剪切(地质) 材料科学 生物化学 流变学 复合材料 物理 量子力学 生物
作者
Joe A. Adam,Hannah R. Middlestead,Nicholas E. Debono,Amir Hirsa
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:125 (36): 10355-10363 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.1c05171
摘要

The influence of hydrodynamics on protein fibrillization kinetics is relevant to biophysics, biochemical reactors, medicine, and disease. This investigation focused on the effects of interfacial shear on the fibrillization kinetics of insulin. Human insulin served as a model protein for studying shear-induced fibrillization with relevance to amyloid diseases such as Alzheimer's, Parkinson's, prions, and type 2 diabetes. Insulin solutions at different protein concentrations were subjected to shear flows with prescribed interfacial angular velocities using a knife-edge (surface) viscometer (KEV) operating in a laminar axisymmetric flow regime where inertia is significant. Fibrillization kinetics were quantified using intrinsic fibrillization rate and times (onset, half, and end) determined through spectroscopic measurement of monomer extinction curves and fitting to a sigmoidal function. Additionally, the occurrence of gelation was determined through macroscopic imaging and transient fibril microstructure was captured using fluorescence microscopy. The results showed that increasing interfacial shear rate produced a monotonic increase in intrinsic fibrillization rate and a monotonic decrease in fibrillization time. Protein concentration did not significantly impact the intrinsic fibrillization rate or times; however, a minimum fibril concentration for gelation was found. Protein microstructure showed increasing aggregation and plaque/cluster formation with time.
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