Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées.

Mise au point de micelles polyioniques pour l'administration de biomacromolécules thérapeutiques : synthèse de polymères et études physicochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Fabrication of fibril like aggregates by self-assembly of block copolymer mixtures via interpolymer hydrogen bonding

This paper describes the formation of fibril like aggregates from the self-assembly of block copolymer mixture (polystyrene-b-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) and polystyrene-b-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA)) via interpolymer hydrogen bonding in nonselective solvent. The hydrogen bonding between P4VP and PAA in chloroform leads to the formation of complex. When all the pyridine units in P4VP were all hydrogen bonded to acrylic acid in PAA, the formed complex is insoluble, resulting in the formation of spherical micellar aggregates and nanorods.

Synthese und Charakterisierung von polymerbasierten Trägersystemen für biomedizinische Anwendungen

Polymer-Therapeutika spielen im Bereich der Arzneimittelforschung eine immerrngrößere Rolle. Benötigt werden dafür Trägersysteme für die gewünschten Wirkstoffe.rnDurch den Einsatz von wasserlöslichen biokompatiblen Polymeren werden mehrerernentscheidende Vorteile erhalten. Beispielsweise verlängert sich durch die höherernMolmasse die Zirkulationszeit im Blutkreislauf. Zudem ermöglicht die Anbindung vonrnTargetmolekülen den gezielten Wirkstofftransport zum Zielort.rnDie vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Charakterisierung von polymerbasiertenrnTrägersystemen für biomedizinische Anwendungen.rnAls erstes Teilprojekt wurde die Synthese einer Polymerbürste gewählt, derenrnSeitenketten aus Polymer-Oligonucleotid (ODN)-Konjugaten bestehen. Als Polymerrnwurde Poly(N-Isopropylacrylamid) gewählt, welches per RAFT-Polymerisationrnsynthetisiert wurde. Die Bürste sollte mittels „Grafting Through“-Technik hergestelltrnwerden. Dafür wurden zuerst das Polymer-Oligonucleotid-Konjugat und darausrnanschließend das entsprechende Makromonomer gebildet. Die Synthese undrnCharakterisierung des Konjugats sowie des Makromonomers wurden erfolgreichrndurchgeführt, jedoch war die Aufreinigung des Makromonomers nicht möglich.rnIm zweiten Teilprojekt war das Ziel Polyion-Komplex-Mizellen als Trägersystemernherzustellen. Benötigt wurden dazu ein Polymer bestehend aus einem kationischenrnund einem biokompatiblen Block sowie eine ODN-Sequenz zur Komplexierung desrnkationischen Blocks. Im ersten Ansatz wurde als Polymerisationsmethode die RAFTPolymerisationrnund Mono-N-boc-1,3-diaminopropanmethylmethacrylat als kationischesrnMonomer sowie α- bzw. ε-Lysinmethylmethacrylat als zwitterionischesrnMonomer verwendet. Jedoch war die Herstellung der Blockcopolymere nicht möglich.rnIm zweiten Ansatz wurde deshalb Poly-2-oxazolin als biokompatibler Block gewählt.rnMit Poly-L-lysin als kationischen Block und CpG war eine Bildung und Charakterisierungrnvon Polyion-Komplex-Mizellen in 15mM PBS-Puffer möglich.rnIm dritten Teilprojekt wurden biomedizinisch relevante Verbindungen mittelsrnkupferfreier Clickchemie an eine ELP-Bürste gebunden und charakterisiert.

Flower like micellar assemblies in poly(styrene)-block-poly(4-vinylpyridine)/poly(acrylic acid) complexes

The formation of rare flower like micelles in poly(styrene)-block-poly(4-vinyl pyridine)/poly(acrylic acid) (PS-b-P4VP/PAA) diblock copolymer/homopolymer complexes is reported. The self-assembly as well as the morphological changes in the complexes were induced by the addition of a high molecular weight PAA/ethanol solution into the PS-b-P4VP solution in dimethyl formamide followed by dialyses. The composition-dependent micelles were varying in size and shape with increase in PAA concentration in solution. The complex aggregates in solution were characterized by dynamic light scattering (DLS) whereas morphologies in the solid complexes were observed using transmission electron microscopy (TEM). Flower like micelles are formed in complexes at 20 wt% PAA concentration followed by 'spikey' micellar assemblies at 40 wt% PAA. The size of the micelles was found to be increased upon the addition of PAA into the block copolymer solution. Infrared studies revealed the intermolecular hydrogen bonding interactions between the complementary binding sites on PAA and the P4VP block of the block copolymer. Finally, a model was proposed to explain the self-assembly and morphological transitions in these complexes based on the experimental results obtained.

Prostate cancer cell-specific VEGF siRNA delivery system using cell targeting peptide conjugated polyplexes

A polymeric gene carrier was developed to deliver vascular endothelial growth factor (VEGF) small interfering RNA (siRNA) for prostate cancer cells in a target-specific manner. Prostate cancer-binding peptide (PCP) was conjugated with polyethylenimine (PEI) via a poly(ethylene glycol) (PEG) linker (PEI-PEG-PCP). The PEI-PEG-PCP conjugate could effectively condense siRNA to form stable polyelectrolyte complexes (polyplexes) with an average diameter of approximately 150 nm in an aqueous solution. VEGF siRNA/PEI-PEG-PCP polyplexes exhibited significantly higher VEGF inhibition efficiency than PCP-unmodified polycationic carriers (PEI-PEG or PEI) in human prostate carcinoma cells (PC-3 cells). The enhanced gene silencing activity of VEGF siRNA/PEI-PEG-PCP was maintained even under serum conditions, owing to the steric stabilization of the polyplexes with hydrophilic PEG grafts. Confocal microscopic studies revealed that the siRNA/PEI-PEG-PCP polyplexes were delivered into PC-3 cells in a PCP ligand-specific manner.

Complex formation in solutions of oppositely charged polyelectrolytes at different polyion compositions and salt content

The formation of complexes in solutions containing positively charged polyions (polycations) and a variable amount of negatively charged polyions (polyanions) has been investigated by Monte Carlo simulations. The polyions were described as flexible chains of charged hard spheres interacting through a screened Coulomb potential. The systems were analyzed in terms of cluster compositions, structure factors, and radial distribution functions. At 50% charge equivalence or less, complexes involving two polycations and one polyanion were frequent, while closer to charge equivalence, larger clusters were formed. Small and neutral complexes dominated the solution at charge equivalence in a monodisperse system, while larger clusters again dominated the solution when the polyions were made polydisperse. The cluster composition and solution structure were also examined as functions of added salt by varying the electrostatic screening length. The observed formation of clusters could be rationalized by a few simple rules.

Interplay between multiple length and time scales in complex chemical systems

Processes in complex chemical systems, such as macromolecules, electrolytes, interfaces, micelles and enzymes, can span several orders of magnitude in length and time scales. The length and time scales of processes occurring over this broad time and space window are frequently coupled to give rise to the control necessary to ensure specificity and the uniqueness of the chemical phenomena. A combination of experimental, theoretical and computational techniques that can address a multiplicity of length and time scales is required in order to understand and predict structure and dynamics in such complex systems. This review highlights recent experimental developments that allow one to probe structure and dynamics at increasingly smaller length and time scales. The key theoretical approaches and computational strategies for integrating information across time-scales are discussed. The application of these ideas to understand phenomena in various areas, ranging from materials science to biology, is illustrated in the context of current developments in the areas of liquids and solvation, protein folding and aggregation and phase transitions, nucleation and self-assembly.

Enantiomeric PLA-PEG block copolymers and their stereocomplex micelles used as rifampin delivery

A novelty approach to self-assembling stereocomplex micelles by enantiomeric PLA-PEG block copolymers as a drug delivery carrier was described. The particles were encapsulated by enantiomeric PLA-PEG stereocomplex to form nanoscale micelles different from the microspheres or the single micelles by PLLA or PDLA in the reported literatures. First, the block copolymers of enantiomeric poly(L-lactide)-poly(ethylene-glycol) (PLLA-PEG) and poly(D-lactide)-poly(ethylene-glycol) (PDLA-PEG) were synthesized by the ring-opening polymerization of L-lactide and D-lactide in the presence of monomethoxy PEG, respectively. Second, the stereocomplex block copolymer micelles were obtained by the self-assembly of the equimolar mixtures of enantiomeric PLA-PEG copolymers in water. These micelles possessed partially the crystallized hydrophobic cores with the critical micelle concentrations (cmc) in the range of 0.8-4.8 mg/l and the mean hydrodynamic diameters ranging from 40 to 120 nm. The micelle sizes and cmc values obviously depended on the hydrophobic block PLA content in the copolymer.Compared with the single PLLA-PEG or PDLA PEG micelles, the cmc values of the stereocomplex micelles became lower and the sizes of the stereocomplex micelles formed smaller. And lastly, the stereocomplex micelles encapsulated with rifampin were tested for the controlled release application.

Purification, crystallization and preliminary X-ray diffraction studies of a complex between G protein-coupled receptor kinase 2 and Gbeta1gamma2.

G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2) phosphorylates activated G protein-coupled receptors (GPCRs), which ultimately leads to their desensitization and/or downregulation. The enzyme is recruited to the plasma membrane via the interaction of its carboxyl-terminal pleckstrin-homology (PH) domain with the beta and gamma subunits of heterotrimeric G proteins (Gbetagamma). An improved purification scheme for GRK2 has been developed, conditions under which GRK2 forms a complex with Gbeta(1)gamma(2) have been determined and the complex has been crystallized in CHAPS detergent micelles. Crystals of the GRK2-Gbetagamma complex belong to space group C2 and have unit-cell parameters a = 187.0, b = 72.1, c = 122.0 A, beta = 115.2 degrees. A complete data set has been collected to 3.2 A resolution with Cu Kalpha radiation.

Imitating micelles as a way to control coordination self-assembly: cage-polymer switching directed rationally by solvent polarity or pH

Disguising a metal complex as a micelle by using amphiphilic phosphine ligands enables it to switch between a coordination polymer and a discrete cage in response to solvent polarity or pH; this medium-dependent behaviour of the complex is rational because it parallels that of true micelles.

Oppositely charged polyelectrolytes: complex formation and effects of chain asymmetry

The formation of complexes in solutions of oppositely charged polyions has been studied by Monte Carlo simulations. The amount as well as the length, and thus, the absolute charge of one of the polyions have been varied. There is an increasing tendency to form large clusters as the excess of one kind of polyion decreases. When all polyions have the same length, this tendency reaches a maximum near, but off, equivalent amounts of the two types of polyions. When one kind of polyion is made shorter, the propensity to form large clusters decreases and the fluctuations in cluster charge increases. Simple free-energy expressions have been formulated on the basis of a set of simple rules that help rationalize the observations. By calculating cluster distributions in both grand canonical and canonical ensembles, it has been possible to show the extent of finite-size effects in the simulations.