Colloidal systems for the delivery of cyclosporin A to the anterior segment of the eye.

Due to the eye's specific anatomical and physiological conformation, the treatment of eye diseases is a real challenge for pharmaceutical therapy. The presence of efficient protective barriers (i.e., the conjunctival and corneal membranes) and protective mechanisms (i.e., blinking and nasolachrymal drainage) makes this organ particularly impervious to local drug therapy. To overcome these issues, numerous strategies have been envisioned using pharmaceutical technology. Many formulations currently on the market or still under development are emulsions or colloidal systems intended to enhance precorneal residence time and corneal penetration, causing a consequent increase in drug bioavailability after instillation. After a review of some recent developments in the field of cyclosporin A formulations for the eye, a novel micellar formulation of cyclosporine A based on a diblock methoxy-poly(ethylene glycol)-hexysubstituted poly(lactides) (MPEG-hexPLA) is described.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

A pea plasma membrane protein exhibiting blue light-induced phosphorylation retains photosensitivity following triton solubilization.

Phosphorylation of a polypeptide of approximately 120 kD in pea (Pisum sativum L.) plasma membranes in response to blue light has been shown to be involved in phototropic curvature, but the relationship of this protein to the kinase and photoreceptor acting upon it is uncertain. Using two-phase aqueous partitioning to isolate right-side-out plasma membrane vesicles, we have obtained evidence suggesting that the photoreceptor, kinase, and substrate are localized to the plasma membrane fraction. Latent phosphorylation accessible through Triton X-100 or freeze/thaw treatments of purified plasma membrane vesicles indicates that at least the kinase moiety is present on the internal face of the plasma membrane. Effects of solubilization of vesicles on fluence-response characteristics and on phosphorylation levels provide evidence that the receptor, kinase, and protein substrate are present together in individual mixed detergent micelles, either as a stable complex or as domains of a single polypeptide. In vivo blue-light irradiation results in a small but significant decrease in mobility of the 120-kD phosphorylated protein on sodium dodecylsulfate gel electrophoresis. This mobility shift is evident on Coomassie-stained gels and on western blots probed with polyclonal antibodies raised against the 120-kD protein. Among the plasma membrane proteins bound to the reactive nucleotide analog fluorosulfonylbenzoyladenine (FSBA), a distinct protein band at 120 kD can be detected on blots probed with anti-FSBA antibodies. This band exhibits an in vivo light-dependent mobility shift identical to that observed for the protein band and antibodies specific for the 120-kD protein, implying that the 120-kD protein has an integral nucleotide binding site and consistent with the possibility that the substrate protein is also a kinase.

Electron cryo-microscopy reveals mechanism of action of propranolol on artificial membranes.

The pharmacological activity of several amphiphilic drugs is often related to their ability to interact with biological membranes. Propranolol is an efficient multidrug resistance (MDR) modulator; it is a nonselective beta-blocker and is thought to reduce hypertension by decreasing the cardiac frequency and thus blood pressure. It is used in drug delivery studies in order to treat systemic hypertension. We are interested in the interaction of propranolol with artificial membranes, as liposomes of controllable size are used as biocompatible and protective structures to encapsulate labile molecules, such as proteins, nucleic acids or drugs, for pharmaceutical, cosmetic or chemical applications. We present here a study of the interaction of propranolol, a cationic surfactant, with pure egg phosphatidylcholine (EPC) vesicles. The gradual transition from liposome to micelle of EPC vesicles in the presence of propranolol was monitored by time-resolved electron cryo-microscopy (cryo-EM) under different experimental conditions. The liposome-drug interaction was studied with varying drug/lipid (D/L) ratios and different stages were captured by direct thin-film vitrification. The time-series cryo-EM data clearly illustrate the mechanism of action of propranolol on the liposome structure: the drug disrupts the lipid bilayer by perturbing the local organization of the phospholipids. This is followed by the formation of thread-like micelles, also called worm-like micelles (WLM), and ends with the formation of spherical (globular) micelles. The overall reaction is slow, with the process taking almost two hours to be completed. The effect of a monovalent salt was also investigated by repeating the lipid-surfactant interaction experiments in the presence of KCl as an additive to the lipid/drug suspension. When KCl was added in the presence of propranolol the overall reaction was the same but with slower kinetics, suggesting that this monovalent salt affects the general lipid-to-micelle transition by stabilizing the membrane, presumably by binding to the carbonyl chains of the phosphatidylcholine.

Novel micelle carriers for cyclosporin A topical ocular delivery: in vivo cornea penetration, ocular distribution and efficacy studies.

Cornea transplantation is one of the most performed graft procedures worldwide with an impressive success rate of 90%. However, for "high-risk" patients with particular ocular diseases in addition to the required surgery, the success rate is drastically reduced to 50%. In these cases, cyclosporin A (CsA) is frequently used to prevent the cornea rejection by a systemic treatment with possible systemic side effects for the patients. To overcome these problems, it is a challenge to prepare well-tolerated topical CsA formulations. Normally high amounts of oils or surfactants are needed for the solubilization of the very hydrophobic CsA. Furthermore, it is in general difficult to obtain ocular therapeutic drug levels with topical instillations due to the corneal barriers that efficiently protect the intraocular structures from foreign substances thus also from drugs. The aim of this study was to investigate in vivo the effects of a novel CsA topical aqueous formulation. This formulation was based on nanosized polymeric micelles as drug carriers. An established rat model for the prevention of cornea graft rejection after a keratoplasty procedure was used. After instillation of the novel formulation with fluorescent labeled micelles, confocal analysis of flat-mounted corneas clearly showed that the nanosized carriers were able to penetrate into all corneal layers. The efficacy of a 0.5% CsA micelle formulation was tested and compared to a physiological saline solution and to a systemic administration of CsA. In our studies, the topical CsA treatment was carried out for 14 days, and the three parameters (a) cornea transparency, (b) edema, and (c) neovascularization were evaluated by clinical observation and scoring. Compared to the control group, the treated group showed a significant higher cornea transparency and significant lower edema after 7 and 13 days of the surgery. At the end point of the study, the neovascularization was reduced by 50% in the CsA-micelle treated animals. The success rate of cornea graft transplantation was 73% in treated animals against 25% for the control group. This result was as good as observed for a systemic CsA treatment in the same animal model. This new formulation has the same efficacy like a systemic treatment but without the serious CsA systemic side effects. Ocular drug levels of transplanted and healthy rat eyes were dosed by UPLC/MS and showed a high CsA value in the cornea (11710 ± 7530 ng(CsA)/g(tissue) and 6470 ± 1730 ng(CsA)/g(tissue), respectively). In conclusion, the applied formulation has the capacity to overcome the ocular surface barriers, the micelles formed a drug reservoir in the cornea from, where a sustained release of CsA can take place. This novel formulation for topical application of CsA is clearly an effective and well-tolerated alternative to the systemic treatment for the prevention of corneal graft rejection.

PEG-b-PPS diblock copolymer aggregates for hydrophobic drug solubilization and release: cyclosporin A as an example

Micelles formed from amphiphilic block copolymers have been explored in recent years as carriers for hydrophobic drugs. In an aqueous environment, the hydrophobic blocks form the core of the micelle, which can host lipophilic drugs, while the hydrophilic blocks form the corona or outer shell and stabilize the interface between the hydrophobic core and the external medium. In the present work, mesophase behavior and drug encapsulation were explored in the AB block copolymeric amphiphile composed of poly(ethylene glycol) (PEG) as a hydrophile and poly(propylene sulfide) PPS as a hydrophobe, using the immunosuppressive drug cyclosporin A (CsA) as an example of a highly hydrophobic drug. Block copolymers with a degree of polymerization of 44 on the PEG and of 10, 20 and 40 on the PPS respectively (abbreviated as PEG44-b-PPS10, PEG44-b-PPS20, PEG44-b-PPS40) were synthesized and characterized. Drug-loaded polymeric micelles were obtained by the cosolvent displacement method as well as the remarkably simple method of dispersing the warm polymer melt, with drug dissolved therein, in warm water. Effective drug solubility up to 2 mg/mL in aqueous media was facilitated by the PEG- b-PPS micelles, with loading levels up to 19% w/w being achieved. Release was burst-free and sustained over periods of 9-12 days. These micelles demonstrate interesting solubilization characteristics, due to the low glass transition temperature, highly hydrophobic nature, and good solvent properties of the PPS block

Wheat germ cell-free expression: Two detergents with a low critical micelle concentration allow for production of soluble HCV membrane proteins.

Membrane proteins are notoriously difficult to express in a soluble form. Here, we use wheat germ cell-free expression in the presence of various detergents to produce the non-structural membrane proteins 2, 4B and 5A of the hepatitis C virus (HCV). We show that lauryl maltose neopentyl glycol (MNG-3) and dodecyl octaethylene glycol ether (C12E8) detergents can yield essentially soluble membrane proteins at detergent concentrations that do not inhibit the cell-free reaction. This finding can be explained by the low critical micelle concentration (CMC) of these detergents, which keeps the monomer concentrations low while at the same time providing the necessary excess of detergent concentration above CMC required for full target protein solubilization. We estimate that a tenfold excess of detergent micelles with respect to the protein concentration is sufficient for solubilization, a number that we propose as a guideline for detergent screening assays.

Ocular biocompatibility of novel Cyclosporin A formulations based on methoxy poly(ethylene glycol)-hexylsubstituted poly(lactide) micelle carriers.

Topical ocular drug delivery has always been a challenge for pharmaceutical technology scientists. In the last two decades, many nano-systems have been studied to find ways to overcome the typical problems of topical ocular therapy, such as difficult corneal penetration and poor drug availability. In this study, methoxy poly(ethylene glycol)-hexylsubstituted poly(lactides) (MPEG-hexPLA) micelle formulations, which are promising nanocarriers for poorly water soluble drugs, were investigated for the delivery of Cyclosporin A (CsA) to the eye. As a new possible pharmaceutical excipient, the ocular compatibility of MPEG-hexPLA micelle formulations was evaluated. An in vitro biocompatibility assessment on human corneal epithelial cells was carried out using different tests. Cytotoxicity was studied by using the [3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide] (MTT), and clonogenic tests and revealed that the CsA formulations and copolymer solutions were not toxic. After incubation with MPEG-hexPLA micelle formulations, the activation of caspase-dependent and -independent apoptosis as well as autophagy was evaluated using immunohistochemistry by analyzing the localization of four antibodies: (1) anti-caspase 3; (2) anti-apoptotic inducing factor (AIF); (3) anti-IL-Dnase II and (4) anti-microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3). No apoptosis was induced when the cells were treated with the micelle solutions that were either unloaded or loaded with CsA. The ocular tolerance was assessed in vivo on rabbit eyes by Confocal Laser Scanning Ophthalmoscopy (CLSO), and very good tolerability was seen. The observed corneal surface was comparable to a control surface that was treated with a 0.9% NaCl solution. In conclusion, these results demonstrate that MPEG-hexPLA micelles are promising drug carriers for ocular diseases involving the activation of cytokines, such as dry eye syndrome and autoimmune uveitis, or for the prevention of corneal graft rejection.

Characterization Of Cdk Expressions During Retinal Degeneration In Rd1 Mice

Purpose: In Rd1 mice, a PDE6ß mutation is responsible for the rapid loss of photoreceptors. We observed re-expression of cell cycle proteins during early stages of retinal degeneration and the deletion of Bmi1 markedly delayed photoreceptor death in Rd1;Bmi1-/- mice. The present study characterizes the link between the expression of CDKs and the apoptotic process in Rd1 photoreceptors.Methods: CDK expression levels were evaluated by immunostaining of wild-type, Rd1 and Rd1;Bmi1-/- eye sections. The role of CDKs in retinal degeneration is currently being investigated by treating Rd1 retinal explants with CDK inhibitors, and by injecting roscovitine-containing micelles into the vitreous of P10 Rd1 mice.Results: We show that some Rd1 photoreceptors express CDK4 already at P9, and that the number of CDK4-positive cells increases more than 6-fold by P11. CDK2 and CDK6 are also expressed in the mutant outer nuclear layer (ONL), however to a lesser extent than CDK4. Concomitant with the expression of CDKs, the apoptotic process in Rd1 photoreceptors is detected by TUNEL staining. Co-localization analyses suggest that CDK expression precedes photoreceptor cell death since TUNEL-single-positive cells are rarely detected at P9, and double-positive as well as TUNEL- or CDK4-single-positive cells are all present in P11 Rd1 retinas. The wild-type ONL does not contain any TUNEL- or CDK4-positive cells. Interestingly, Bmi1 deletion downregulates CDK4 expression in P12 Rd1;Bmi1-/- retinas, and influences the accumulation of cGMP in Rd1 retinas. More cGMP is detected in the P11 Rd1;Bmi1-/- ONL than in the Rd1 ONL, while it is strongly reduced at P15. To better characterize the link between CDK expression and retinal degeneration, current experiments include the analysis of CDK inhibition in Rd1 retinal explants and in mouse eyes injected with roscovitine-containing micelles.Conclusions: The time-course of cell cycle protein expression may be related to early events of the apoptotic process in Rd1 photoreceptors. Moreover, the loss of Bmi1 seems to interfere with the first stages of retinal degeneration and to influence the expression of CDK4. Further experiments will determine whether the deletion of Bmi1 prevents cell death through a direct CDK inhibition.

A novel cyclosporin a aqueous formulation for dry eye treatment: in vitro and in vivo evaluation.

PURPOSE: The aim of the present study was the in vitro and in vivo evaluation of a novel aqueous formulation based on polymeric micelles for the topical delivery of cyclosporine A for dry eye treatment. METHODS: In vitro experiments were carried out on primary rabbit corneal cells, which were characterized by immunocytochemistry using fluorescein-labeled lectin I/isolectin B4 for the endothelial cells and mouse monoclonal antibody to cytokeratin 3+12 for the epithelial ones. Living cells were incubated for 1 hour or 24 hours with a fluorescently labeled micelle formulation and analyzed by fluorescence microscopy. In vivo evaluations were done by Schirmer test, osmolarity measurement, CyA kinetics in tears, and CyA ocular distribution after topical instillation. A 0.05% CyA micelle formulation was compared to a marketed emulsion (Restasis). RESULTS: The in vitro experiments showed the internalization of micelles in the living cells. The Schirmer test and osmolarity measurements demonstrated that micelles did not alter the ocular surface properties. The evaluation of the tear fluid gave similar CyA kinetics values: AUC = 2339 ± 1032 min*μg/mL and 2321 ± 881.63; Cmax = 478 ± 111 μg/mL and 451 ± 74; half-life = 36 ± 9 min and 28 ± 9 for the micelle formulation and Restasis, respectively. The ocular distribution investigation revealed that the novel formulation delivered 1540 ± 400 ng CyA/g tissue to the cornea. CONCLUSIONS: The micelle formulation delivered active CyA into the cornea without evident negative influence on the ocular surface properties. This formulation could be applied for immune-related ocular surface diseases.

Cyclosporine A delivery to the eye: a pharmaceutical challenge.

Systemic administration of cyclosporine A (CsA) is commonly used in the treatment of local ophthalmic conditions involving cytokines, such as corneal graft rejection, autoimmune uveitis and dry eye syndrome. Local administration is expected to avoid the various side effects associated with systemic delivery. However, the currently available systems using oils to deliver CsA topically are poorly tolerated and provide a low bioavailability. These difficulties may be overcome through formulations aimed at improving CsA water solubility (e.g. cyclodextrins), or those designed to facilitate tissue drug penetration using penetration enhancers. The use of colloidal carriers (micelles, emulsions, liposomes and nanoparticles) as well as the approach using hydrosoluble prodrugs of CsA have shown promising results. Solid devices such as shields and particles of collagen have been investigated to enhance retention time on the eye surface. Some of these topical formulations have shown efficacy in the treatment of extraocular diseases but were inefficient at reaching intraocular targets. Microspheres, implants and liposomes have been developed to be directly administered subconjunctivally or intravitreally in order to enhance CsA concentration in the vitreous. Although progress has been made, there is still room for improvement in CsA ocular application, as none of these formulations is ideal.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.