Yersinia pseudotuberculosis and Yersinia pestis are more resistant to bactericidal cationic peptides than Yersinia enterocolitica

The action of bactericidal polycationic peptides was compared in Yersinia spp. by testing peptide binding to live cells and changes in outer membrane (OM) morphology and permeability. Moreover, polycation interaction with LPS was studied by measuring the dependence of dansylcadaverine displacement and zeta potential on polycation concentration. When growth at 37 degrees C, Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis bound less polymyxin B (PMB) than pathogenic or non-pathogenic Yersinia enterocolitica, regardless of virulence plasmid expression. Y. pseudotuberculosis OMs were unharmed by PMB concentrations causing extensive OM blebbing in Y. enterocolitica. The permeability to lysozyme caused by PMB was greater in Y. enterocolitica than in Y. pseudotuberculosis or Y. pestis and differences increased at 37 degrees C. Similar observations were made with other polycations using a polymyxin/novobiocin permeability assay. With LPS of cells grown at 26 degrees C, polycation binding was highest for Y. pseudotuberculosis and lowest for Y. pestis, with Y. enterocolitica yielding intermediate results which were lower for pathogenic than for non-pathogenic strains. With LPS of cells grown at 37 degrees C, polycation binding remained unchanged for Y. pestis and pathogenic Y. enterocolitica, increased for non-pathogenic Y. enterocolitica and decreased for Y. pseudotuberculosis to Y. pestis levels. Polycation binding related in part to differences in charge density (zeta potential) of LPS aggregates, suggesting similar effects at bacterial surfaces. It is suggested that species and temperature differences in polycation resistance relate to infection route, invasiveness and intracellular multiplication of Yersinia spp.

Cationic Antimicrobial Peptide Cytotoxicity

Fluorescence microscopy serves as a valuable tool for assessing the structural integrity and viability of eukaryotic cells. Through the use of calcein AM and the DNA stain 4,6-diamidino-2 phenylindole (DAPI), cell viability and membrane integrity can be qualified. Our group has previously shown the ultra-short cationic antimicrobial peptide H-OOWW-NH₂; the amphibian derived 27-mer peptide Maximin-4and the ultra-short lipopeptide C₁₂-OOWW-NH₂ to be effective against a range of bacterial biofilms [1], displaying potential for use in the prevention of medical device-related infections [2]. Analysis of fluorescence micrographs, after staining with calcein AM and DAPI, shows the likely mode of cytotoxic action of cationic antimicrobial peptides and lipopeptides are via directmembrane disruption in eukaryotic cells. Selectivity is towards cidal action against prokaryotic cells, whose membranes are anionic in composition, such as those of bacteria, rather than for neutral zwitterionic membranes of eukaryotic cells. Membrane selectivity is determined by a multitude of physical parameters, particularly charge and hydrophobicity. The charge of the antimicrobial determines the extent of the initial electrostatic interactions with both prokaryotic and eukaryotic membranes, with a larger cationic charge favoring antimicrobial action. Tailoring of these properties is likely to be the key in successfully transferring antimicrobial peptides from laboratory experiments into clinical practice as safe pharmaceutical formulations.

Development of a method to quantify the DNA content in DNA- cationic peptide nanoparticles

Gene therapy has the potential to provide safe and targeted therapies for a variety of diseases. A range of intracellular gene delivery vehicles have been proposed for this purpose. Non-viral vectors are a particularly attractive option and among them cationic peptides have emerged as promising candidates. For the pharmaceutical formulation and application to clinical studies it is necessary to quantify the amount of pDNA condensed with the delivery system. There is a severe deficiency in this area, thus far no methods have been reported specifically for pDNA condensed with cationic peptide to form nanoparticles. The current study seeks to address this and describes the evaluation of a range of disruption agents to extract DNA from nanoparticles formed by condensation with cationic fusogenic peptides RALA and KALA. Only proteinase K exhibited efficient and reproducible results and compatibility with the PicoGreen reagent based quantification assay. Thus we report for the first time a simple and reliable method that can quantify the pDNA content in pDNA cationic peptide nanoparticles.

Ultrashort Cationic Naphthalene-Derived Self-Assembled Peptides as Antimicrobial Nanomaterials

Self-assembling dipeptides conjugated to naphthalene show considerable promise as nanomaterial structures, biomaterials, and drug delivery devices. Biomaterial infections are responsible for high rates of patient mortality and morbidity. The presence of biofilm bacteria, which thrive on implant surfaces, are a huge burden on healthcare budgets, as they are highly resistant to current therapeutic strategies. Ultrashort cationic self-assembled peptides represent a highly innovative and cost-effective strategy to form antibacterial nanomaterials. Lysine conjugated variants display the greatest potency with 2% w/v NapFFKK hydrogels significantly reducing the viable Staphylococcus epidermidis biofilm by 94%. Reducing the size of the R-group methylene chain on cationic moieties resulted in reduction of antibiofilm activity. The primary amine of the protruding R-group tail may not be as readily available to interact with negatively charged bacterial membranes. Cryo-SEM, FTIR, CD spectroscopy, and oscillatory rheology provided evidence of supramolecular hydrogel formation at physiological pH (pH 7.4). Cytotoxicity assays against murine fibroblast (NCTC 929) cell lines confirmed the gels possessed reduced cytotoxicity relative to bacterial cells, with limited hemolysis upon exposure to equine erythrocytes. The results presented in this paper highlight the significant potential of ultrashort cationic naphthalene peptides as future biomaterials.

Cationic palladium(II) complexes as catalysts for the oxidation of terminal olefins to methyl ketones using hydrogen peroxide.

Ligated Pd(II) complexes have been studied for the catalytic oxidation of terminal olefins to their corresponding methyl ketones. The method uses aqueous hydrogen peroxide as the terminal oxidant; a sustainable and readily accessible oxidant. The choice of ligand, counterion and solvent all have a significant effect on catalytic performance and we were able to develop systems which perform well for these challenging oxidations.

Process for the preparation of heterocyclyl chalcogenones via reaction of elemental sulfur, selenium, or tellurium with heterocyclic cationic species.

Heterocyclic chalcogenones were prepd. by reaction of S, Se, or Te with ionic liqs. or salts [I; Ra = (substituted) alkyl, cycloalkyl, aryl, aralkyl, alkylaryl; Q = (unsatd.) (substituted) linker to form a ring of 5-10 members; X- = anion selected from conjugate bases of HX having a pKa value of >2.5]. Thus, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate was heated with stoichiometric S at 75° for 48 h to give 1-butyl-3-methylimidazole-2-thione. [on SciFinder(R)]

Photodynamic inactivation of bacteria by cationic porphyrins : their cellular targets and potential environmental applications

Photodynamic inactivation (PDI) is defined as the process of cell destruction by oxidative stress resulting from the interaction between light and a photosensitizer (PS), in the presence of molecular oxygen. PDI of bacteria has been extensively studied in recent years, proving to be a promising alternative to conventional antimicrobial agents for the treatment of superficial and localized infections. Moreover, the applicability of PDI goes far beyond the clinical field, as its potential use in water disinfection, using PS immobilized on solid supports, is currently under study. The aim of the first part of this work was to study the oxidative modifications in phospholipids, nucleic acids and proteins of Escherichia coli and Staphylococcus warneri, subjected to photodynamic treatment with cationic porphyrins. The aims of the second part of the work were to study the efficiency of PDI in aquaculture water and the influence of different physicalchemical parameters in this process, using the Gram-negative bioluminescent bacterium Vibrio fischeri, and to evaluate the possibility of recycling cationic PS immobilized on magnetic nanoparticles. To study the oxidative changes in membrane phospholipids, a lipidomic approach has been used, combining chromatographic techniques and mass spectrometry. The FOX2 assay was used to determine the concentration of lipid hydroperoxides generated after treatment. The oxidative modifications in the proteins were analyzed by one-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Changes in the intracellular nucleic acids were analyzed by agarose gel electrophoresis and the concentration of doublestranded DNA was determined by fluorimetry. The oxidative changes of bacterial PDI at the molecular level were analyzed by infrared spectroscopy. In laboratory tests, bacteria (108 CFU mL-1) were irradiated with white light (4.0 mW cm-2) after incubation with the PS (Tri-Py+-Me-PF or Tetra-Py+-Me) at concentrations of 0.5 and 5.0 μM for S. warneri and E. coli, respectively. Bacteria were irradiated with different light doses (up to 9.6 J cm-2 for S. warneri and up to 64.8 J cm-2 for E. coli) and the changes were evaluated throughout the irradiation time. In the study of phospholipids, only the porphyrin Tri-Py+-Me-PF and a light dose of 64.8 J cm-2 were tested. The efficiency of PDI in aquaculture has been evaluated in two different conditions: in buffer solution, varying temperature, pH, salinity and oxygen concentration, and in aquaculture water samples, to reproduce the conditions of PDI in situ. The kinetics of the process was determined in realtime during the experiments by measuring the bioluminescence of V. fischeri (107 CFU mL-1, corresponding to a level of bioluminescence of 105 relative light units). A concentration of 5.0 μM of Tri-Py+-Me-PF was used in the experiments with buffer solution, and 10 to 50 μM in the experiments with aquaculture water. Artificial white light (4.0 mW cm-2) and solar irradiation (40 mW cm-2) were used as light sources.

Asymmetric hydrogenation of alkenes with cationic iridium(I) complexes of 2-phosphino-1-aminoferrocene ligands

Iridium complexes with bidentate P,N ligands represent a class of catalysts that significantly expand the application range of asymmetric hydrogenation. New substrate classes, for which there have previously been no suitable catalysts, can now be efficiently hydrogenated in high conversion and enantioselectivity. These substrates are often of synthetic importance, thus iridium catalysis represents a significant advance in the field of asymmetric catalysis. Planar chiral ferrocenyl aminophosphine ligands in which both heteroatoms were directly bound to the cyclopentadienyl ring were prepared by BF3-activated lithiationsubstitution in the presence of a chiral diamine in 49-59% yield and 75-85% enantiomeric excess. Some of these ligands were recrystallized to enantiomeric purity via ammonium fluoroborate salt formation of the phosphine sulfide. A crystal structure of one of these compounds was obtained and features an intramolecular hydrogen bond between the nitrogen, hydrogen, and sulfur atoms. Neutralization, followed by desulfurization, provided the free ligands in enantiomeric purity. Iridium complexes with these ligands were formed via reaction with [Ir(COD)Clh followed by anion exchange with NaBArF. These complexes were successfully applied in homogeneous hydrogenation of several prochiral substrates, providing products in up to 92% enantiomeric excess. Variation of the dimethyl amino group to a pyrrolidine group had a negative effect on the selectivity of hydrogenation. Variation of the substituents on phosphorus to bulkier ortho-tolyl groups had a positive effect, while variation to the more electron rich dicyclohexyl phosphine had a negative effect on selectivity.

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.

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.