Antigenic stimulation is more efficient than LPS in inducing nitric oxide production by human mononuclear cells on the in vitro granuloma reaction in schistosomiasis

Nitric oxide (NO) is an extremely important and versatile messenger in biological systems. It has been identified as a cytotoxic factor in the immune system, presenting anti- or pro-inflammatory properties under different circumstances. In murine monocytes and macrophages, stimuli by cytokines or lipopolysaccharide (LPS) are necessary for inducing the immunologic isoform of the enzyme responsible for the high-output production of NO, nitric oxide synthase (iNOS). With respect to human cells, however, LPS seems not to stimulate NO production in the same way. Addressing this issue, we demonstrate here that peripheral blood mononuclear cells (PBMC) obtained from schistosomiasis-infected patients and cultivated with parasite antigens in the in vitro granuloma (IVG) reaction produced more nitrite in the absence of LPS. Thus, LPS-induced nitrite levels are easily detectable, although lower than those detected only with antigenic stimulation. Concomitant addition of LPS and L-N-arginine methyl ester (L-NAME) restored the ability to produce detectable levels of nitrite, which had been lost with L-NAME treatment. In addition, LPS caused a mild decrease of the IVG reaction and its association with L-NAME was responsible for reversal of the L-NAME-exacerbating effect on the IVG reaction. These results show that LPS alone is not as good an NO inducer in human cells as it is in rodent cells or cell lines. Moreover, they provide evidence for interactions between LPS and NO inhibitors that require further investigation.

Antioxidant properties of natural compounds used in popular medicine for gastric ulcers

There is evidence concerning the participation of reactive oxygen species in the etiology and physiopathology of human diseases, such as neurodegenerative disorders, inflammation, viral infections, autoimmune pathologies, and digestive system disorders such as gastrointestinal inflammation and gastric ulcer. The role of these reactive oxygen species in several diseases and the potential antioxidant protective effect of natural compounds on affected tissues are topics of high current interest. To consider a natural compound or a drug as an antioxidant substance it is necessary to investigate its antioxidant properties in vitro and then to evaluate its antioxidant functions in biological systems. In this review article, we shall consider the role of natural antioxidants derived from popular plants to reduce or prevent the oxidative stress in gastric ulcer induced by ethanol.

Protection of plasmid DNA by a Ginkgo biloba extract from the effects of stannous chloride and the action on the labeling of blood elements with technetium-99m

Ginkgo biloba extract (EGb) is a phytotherapeutic agent used for the treatment of ischemic and neurological disorders. Because the action of this important extract is not fully known, assays using different biological systems need to be performed. Red blood cells (RBC) are labeled with technetium-99m (Tc-99m) and used in nuclear medicine. The labeling depends on a reducing agent, usually stannous chloride (SnCl2). We assessed the effect of different concentrations of EGb on the labeling of blood constituents with Tc-99m, as sodium pertechnetate (3.7 MBq), and on the mobility of a plasmid DNA treated with SnCl2 (1.2 µg/ml) at room temperature. Blood was incubated with EGb before the addition of SnCl2 and Tc-99m. Plasma (P) and RBC were separated and precipitated with trichloroacetic acid, and soluble (SF-P and SF-RBC) and insoluble (IF-P and IF-RBC) fractions were isolated. The plasmid was incubated with Egb, SnCl2 or EGb plus SnCl2 and agarose gel electrophoresis was performed. The gel was stained with ethidium bromide and the DNA bands were visualized by fluorescence in an ultraviolet transilluminator system. EGb decreased the labeling of RBC, IF-P and IF-RBC. The supercoiled form of the plasmid was modified by treatment with SnCl2 and protected by 40 mg/ml EGb. The effect of EGb on the tested systems may be due to its chelating action with the stannous ions and/or pertechnetate or to the capability to generate reactive oxygen species that could oxidize the stannous ion.

Quantitative refinement of reaction-based biomodels

In the field of molecular biology, scientists adopted for decades a reductionist perspective in their inquiries, being predominantly concerned with the intricate mechanistic details of subcellular regulatory systems. However, integrative thinking was still applied at a smaller scale in molecular biology to understand the underlying processes of cellular behaviour for at least half a century. It was not until the genomic revolution at the end of the previous century that we required model building to account for systemic properties of cellular activity. Our system-level understanding of cellular function is to this day hindered by drastic limitations in our capability of predicting cellular behaviour to reflect system dynamics and system structures. To this end, systems biology aims for a system-level understanding of functional intraand inter-cellular activity. Modern biology brings about a high volume of data, whose comprehension we cannot even aim for in the absence of computational support. Computational modelling, hence, bridges modern biology to computer science, enabling a number of assets, which prove to be invaluable in the analysis of complex biological systems, such as: a rigorous characterization of the system structure, simulation techniques, perturbations analysis, etc. Computational biomodels augmented in size considerably in the past years, major contributions being made towards the simulation and analysis of large-scale models, starting with signalling pathways and culminating with whole-cell models, tissue-level models, organ models and full-scale patient models. The simulation and analysis of models of such complexity very often requires, in fact, the integration of various sub-models, entwined at different levels of resolution and whose organization spans over several levels of hierarchy. This thesis revolves around the concept of quantitative model refinement in relation to the process of model building in computational systems biology. The thesis proposes a sound computational framework for the stepwise augmentation of a biomodel. One starts with an abstract, high-level representation of a biological phenomenon, which is materialised into an initial model that is validated against a set of existing data. Consequently, the model is refined to include more details regarding its species and/or reactions. The framework is employed in the development of two models, one for the heat shock response in eukaryotes and the second for the ErbB signalling pathway. The thesis spans over several formalisms used in computational systems biology, inherently quantitative: reaction-network models, rule-based models and Petri net models, as well as a recent formalism intrinsically qualitative: reaction systems. The choice of modelling formalism is, however, determined by the nature of the question the modeler aims to answer. Quantitative model refinement turns out to be not only essential in the model development cycle, but also beneficial for the compilation of large-scale models, whose development requires the integration of several sub-models across various levels of resolution and underlying formal representations.

New nitric oxide donors based on ruthenium complexes

Nitric oxide (NO) donors produce NO-related activity when applied to biological systems. Among its diverse functions, NO has been implicated in vascular smooth muscle relaxation. Despite the great importance of NO in biological systems, its pharmacological and physiological studies have been limited due to its high reactivity and short half-life. In this review we will focus on our recent investigations of nitrosyl ruthenium complexes as NO-delivery agents and their effects on vascular smooth muscle cell relaxation. The high affinity of ruthenium for NO is a marked feature of its chemistry. The main signaling pathway responsible for the vascular relaxation induced by NO involves the activation of soluble guanylyl-cyclase, with subsequent accumulation of cGMP and activation of cGMP-dependent protein kinase. This in turn can activate several proteins such as K+ channels as well as induce vasodilatation by a decrease in cytosolic Ca2+. Oxidative stress and associated oxidative damage are mediators of vascular damage in several cardiovascular diseases, including hypertension. The increased production of the superoxide anion (O2-) by the vascular wall has been observed in different animal models of hypertension. Vascular relaxation to the endogenous NO-related response or to NO released from NO deliverers is impaired in vessels from renal hypertensive (2K-1C) rats. A growing amount of evidence supports the possibility that increased NO inactivation by excess O2- may account for the decreased NO bioavailability and vascular dysfunction in hypertension.

Interleukin-6 promoter polymorphisms (-174 G/C) in Malaysian patients with systemic lupus erythematosus

Systemic lupus erythematosus (SLE) is a chronic autoimmune disease that involves the inflammation of various organs upon deposition of immune complexes and is characterized by uncontrolled B cell hyperactivity. Despite intensive research on the etiology of the disease, the exact cause of the onset of SLE is unknown. The pathogenesis of the disease has been proposed to be associated with the imbalance of T helper type 1 (Th1) and Th2 cytokine activities. Elevated serum levels of interleukin-6 (IL-6), a Th2 cytokine with various functions in the regulation of human biological systems, are observed in SLE patients. In the present study, 100 Malaysian SLE patients and 100 controls were evaluated in order to determine the association of polymorphisms existing in the promoter region of the IL-6 gene with the onset of SLE. The homozygous G genotype was found to be significant in SLE patients (χ² = 33.754; P = 0.00000000625), whereas the heterozygous G/C genotype was significant in the controls (χ²= 25.087; P = 0.000000548). We suggest that the C allele might have a masking effect on the G allele when both alleles are present in heterozygous individuals. However, we did not observe any significant association of the homozygous C allele with the onset of SLE or with protection from the disease (χ² = 1.684; P = 0.194366).

Potencial risks of nanoparticles

Nanotoxicology is an emergent important subdiscipline of Nanosciences, which refers to the study of the interactions of nanostructures with biological systems giving emphasis to the elucidation of the relationship between the physical and chemical properties of nanostructures with induction of toxic biological responses. Although potential beneficial effects of nanotechnologies are generally well described, the potential (eco) toxicological effects and impacts of nanoparticles have so far received little attention. This is the reason why some routes of expousure, distribution, metabolism, and excretion, as well as toxicological effects of nanoparticles are discussed in this review.

Implementation of Quantitative Reaction-based Model Refinement

Building a computational model for complex biological systems is an iterative process. It starts from an abstraction of the process and then incorporates more details regarding the specific biochemical reactions which results in the change of the model fit. Meanwhile, the model’s numerical properties such as its numerical fit and validation should be preserved. However, refitting the model after each refinement iteration is computationally expensive resource-wise. There is an alternative approach which ensures the model fit preservation without the need to refit the model after each refinement iteration. And this approach is known as quantitative model refinement. The aim of this thesis is to develop and implement a tool called ModelRef which does the quantitative model refinement automatically. It is both implemented as a stand-alone Java application and as one of Anduril framework components. ModelRef performs data refinement of a model and generates the results in two different well known formats (SBML and CPS formats). The development of this tool successfully reduces the time and resource needed and the errors generated as well by traditional reiteration of the whole model to perform the fitting procedure.

The study of ligand binding specificities of the lipid binding proteins : recombinant human a-tocopherol transport protein (a-ttp), supernatant protein factor (spf) and S. cerevisiae Sec 14p for vitamin e (rrr-a-tocopherol) and other hydrophobic ligands.

One of the various functions of proteins in biological systems is the transport of small molecules, for this purpose proteins have naturally evolved special mechanisms to allow both ligand binding and its subsequent release to a target site; a process fundamental to many biological processes. Transport of Vitamin E (a-tocopherol), a lipid soluble antioxidant, to membranes helps in the protection of polyunsaturated fatty acids against peroxidative damage. In this research, the ligand binding characteristics of several members of the CRALTRIO family of lipid binding proteins was examined; the recombinant human a-Tocopherol Transfer Protein (a-TIP), Supernatant Protein Factor (SPF)ffocopherol Associated Protein (TAP), Cellular Retinaldehyde Binding Protein (CRALBP) and the phosphatidylinositol transfer protein from S. cerevisiae Sec 14p. Recombinant Sec 14p was expressed and purified from E. coli for comparison of tocopherol binding to the two other recombinant proteins postulated to traffic a-tocopherol. Competitive binding assays using [3H]-a-tocopherol and Lipidex-l000 resin allowed determination of the dissociation constants ~) of the CRAL-TRIO proteins for a-tocopherol and - 20 hydrophobic ligands for evaluation of the possible biological relevance of the binding interactions observed. The KIs (nM) for RRR-a-tocopherol are: a-TIP: 25.0, Sec 14p: 373, CRALBP: 528 and SPFffAP: 615. This indicates that all proteins recognize tocopherol but not with the same affinity. Sec 14p bound its native ligand PI with a KI of381 whereas SPFffAP bound PI (216) and y-tocopherol (268) similarly in contrast to the preferential binding ofRRR-a-tocopherol by a-TIP. Efforts to adequately represent biologically active SPFff AP involved investigation of tocopherol binding for several different recombinant proteins derived from different constructs and in the presence of different potential modulators (Ca+2, Mg+2, GTP and GDP); none of these conditions enhanced or inhibited a-tocopherol binding to SPF. This work suggests that only aTTP serves as the physiological mediator of a-tocopherol, yet structural homology between proteins allows common recognition of similar ligand features. In addition, several photo-affmity analogs of a-tocopherol were evaluated for their potential utility in further elucidation of a-TTP function or identification of novel tocopherol binding proteins.

Automatic Inference of Graph Models for Complex Networks with Genetic Programming

Complex networks can arise naturally and spontaneously from all things that act as a part of a larger system. From the patterns of socialization between people to the way biological systems organize themselves, complex networks are ubiquitous, but are currently poorly understood. A number of algorithms, designed by humans, have been proposed to describe the organizational behaviour of real-world networks. Consequently, breakthroughs in genetics, medicine, epidemiology, neuroscience, telecommunications and the social sciences have recently resulted. The algorithms, called graph models, represent significant human effort. Deriving accurate graph models is non-trivial, time-intensive, challenging and may only yield useful results for very specific phenomena. An automated approach can greatly reduce the human effort required and if effective, provide a valuable tool for understanding the large decentralized systems of interrelated things around us. To the best of the author's knowledge this thesis proposes the first method for the automatic inference of graph models for complex networks with varied properties, with and without community structure. Furthermore, to the best of the author's knowledge it is the first application of genetic programming for the automatic inference of graph models. The system and methodology was tested against benchmark data, and was shown to be capable of reproducing close approximations to well-known algorithms designed by humans. Furthermore, when used to infer a model for real biological data the resulting model was more representative than models currently used in the literature.

(A) Photoregulation of DNA Functions by Cyclic Azobenzene-tethered Oligonucleotides (B) Site-specific Fluorescent Labeling of DNA using Inverse Electron Demand Diels-Alder Reaction between trans-Cyclooctene Derivatives and BODIPY-Tetrazine Adducts

(A) Most azobenzene-based photoswitches require UV light for photoisomerization, which limit their applications in biological systems due to possible photodamage. Cyclic azobenzene derivatives, on the other hand, can undergo cis-trans isomerization when exposed to visible light. A shortened synthetic scheme was developed for the preparation of a building block containing cyclic azobenzene and D-threoninol (cAB-Thr). trans-Cyclic azobenzene was found to thermally isomerize back to the cis-form in a temperature-dependent manner. cAB-Thr was transformed into the corresponding phosphoramidite and subsequently incorporated into oligonucleotides by solid phase synthesis. Melting temperature measurement suggested that incorporation of cis-cAB into oligonucleotides destabilizes DNA duplexes, these findings corroborate with circular dichroism measurement. Finally, Fluorescent Energy Resonance Transfer experiments indicated that trans-cAB can be accommodated in DNA duplexes. (B) Inverse Electron Demand Diels-Alder reactions (IEDDA) between trans-olefins and tetrazines provide a powerful alternative to existing ligation chemistries due to its fast reaction rate, bioorthogonality and mutual orthogonality with other click reactions. In this project, an attempt was pursued to synthesize trans-cyclooctene building blocks for oligonucleotide labeling by reacting with BODIPY-tetrazine. Rel-(1R-4E-pR)-cyclooct-4-enol and rel-(1R,8S,9S,4E)-Bicyclo[6.1.0]non-4-ene-9-ylmethanol were synthesized and then transformed into the corresponding propargyl ether. Subsequent Sonogashira reactions between these propargylated compounds with DMT-protected 5-iododeoxyuridine failed to give the desired products. Finally a methodology was pursued for the synthesis of BODIPY-tetrazine conjugates that will be used in future IEDDA reactions with trans-cyclooctene modified oligonucleotides.

Étude des propriétés de transport dans les hydrogels de curdlan

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire.

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.