Métodos "verdes" de produção de nanomateriais que promovem nanotecnologias sustentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Detection of cardiac biomarker proteins using a disposable based on a molecularly imprinted polymer grafted onto graphite

A low-cost disposable was developed for rapid detection of the protein biomarker myoglobin (Myo) as a model analyte. A screen printed electrode was modified with a molecularly imprinted material grafted on a graphite support and incorporated in a matrix composed of poly(vinyl chloride) and the plasticizer o-nitrophenyloctyl ether. The protein-imprinted material (PIM) was produced by growing a reticulated polymer around a protein template. This is followed by radical polymerization of 4-styrenesulfonic acid, 2-aminoethyl methacrylate hydrochloride, and ethylene glycol dimethacrylate. The polymeric layer was then covalently bound to the graphitic support, and Myo was added during the imprinting stage to act as a template. Non-imprinted control materials (CM) were also prepared by omitting the Myo template. Morphological and structural analysis of PIM and CM by FTIR, Raman, and SEM/EDC microscopies confirmed the modification of the graphite support. The analytical performance of the SPE was assessed by square wave voltammetry. The average limit of detection is 0.79 μg of Myo per mL, and the slope is −0.193 ± 0.006 μA per decade. The SPE-CM cannot detect such low levels of Myo but gives a linear response at above 7.2 μg · mL−1, with a slope of −0.719 ± 0.02 μA per decade. Interference studies with hemoglobin, bovine serum albumin, creatinine, and sodium chloride demonstrated good selectivity for Myo. The method was successfully applied to the determination of Myo urine and is conceived to be a promising tool for screening Myo in point-of-care patients with ischemia.

Electrochemical biosensor based on biomimetic material for myoglobin detection

A novel reusable molecularly imprinted polymer (MIP) assembled on a polymeric layer of carboxylated poly(vinyl chloride) (PVCsingle bondCOOH) for myoglobin (Myo) detection was developed. This polymer was casted on the gold working area of a screen printed electrode (Au-SPE), creating a novel disposable device relying on plastic antibodies. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) studies confirmed the surface modification. The MIP/Au-SPE devices displayed a linear behaviour in EIS from 0.852 to 4.26 μg mL−1, of positive slope 6.50 ± 1.48 (kΩ mL μg−1). The limit of detection was 2.25 μg mL−1. Square wave voltammetric (SWV) assays were made in parallel and showed linear responses between 1.1 and 2.98 μg mL−1. A current decrease was observed against Myo concentration, producing average slopes of −0.28 ± 0.038 μA mL μg−1. MIP/Au-SPE also showed good results in terms of selectivity. The error% found for each interfering species were 7% for troponin T (TnT), 11% for bovine serum albumin (BSA) and 2% for creatine kinase MB (CKMB), respectively. Overall, the technical modification over the Au-SPE was found a suitable approach for screening Myo in biological fluids.

Smart Plastic Antibody Material (SPAM) tailored on disposable screen printed electrodes for protein recognition: application to Myoglobin detection

This work introduces two major changes to the conventional protocol for designing plastic antibodies: (i) the imprinted sites were created with charged monomers while the surrounding environment was tailored using neutral material; and (ii) the protein was removed from its imprinted site by means of a protease, aiming at preserving the polymeric network of the plastic antibody. To our knowledge, these approaches were never presented before and the resulting material was named here as smart plastic antibody material (SPAM). As proof of concept, SPAM was tailored on top of disposable gold-screen printed electrodes (Au-SPE), following a bottom-up approach, for targeting myoglobin (Myo) in a point-of-care context. The existence of imprinted sites was checked by comparing a SPAM modified surface to a negative control, consisting of similar material where the template was omitted from the procedure and called non-imprinted materials (NIMs). All stages of the creation of the SPAM and NIM on the Au layer were followed by both electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). AFM imaging was also performed to characterize the topography of the surface. There are two major reasons supporting the fact that plastic antibodies were effectively designed by the above approach: (i) they were visualized for the first time by AFM, being present only in the SPAM network; and (ii) only the SPAM material was able to rebind to the target protein and produce a linear electrical response against EIS and square wave voltammetry (SWV) assays, with NIMs showing a similar-to-random behavior. The SPAM/Au-SPE devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 3.5 μg/mL and 0.58 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.28 μg/mL. SPAM materials also showed negligible interference from troponin T (TnT), bovine serum albumin (BSA) and urea under SWV assays, showing promising results for point-of-care applications when applied to spiked biological fluids.

Development of composite particles for pulmonary delivery

In this work, biocompatible and biodegradable poly(D-L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microparticles with the potential for use as a controlled release system of vaccines and other drugs to the lung were manufactured using supercritical CO2, through the Supercritical Assisted Atomization (SAA) technique. After performing a controlled variance in production parameters (temperature, pressure, CO2/solution flow ratio) PLGA microparticles were characterized and later used to encapsulate active pharmaceutical ingredients (API). Bovine serum albumin (BSA) was chosen as model protein and vaccine, while sildenafil was the chosen drug to treat pulmonary artery hypertension and their effect on the particles characteristics was evaluated. All the produced formulations were characterized in relation to their morphology (Morphologi G3 and scanning electronic microscopy (SEM)), to their physical-chemical properties (X-ray diffraction (XRD, differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FTIR)) and aerodynamic performance using an in vitro aerosolization study – Andersen cascade impactor (ACI) - to obtain data such as the fine particle fraction (FPF) and the mass median aerodynamic diameter (MMAD). Furthermore, pharmacokinetic, biodegradability and biocompatibility tests were performed in order to verify the particle suitability for inhalation. The resulting particles showed aerodynamic diameters between the 3 and 5 μm, yields up to 58% and FPF percentages rounding the 30%. Taken as a whole, the produced microparticles do present the necessary requests to make them appropriate for pulmonary delivery.

Skin permeation and metabolism of di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP).

Phthalates are suspected to be endocrine disruptors. Di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) is assumed to have low dermal absorption; however, previous in vitro skin permeation studies have shown large permeation differences. Our aims were to determine DEHP permeation parameters and assess extent of skin DEHP metabolism among workers highly exposed to these lipophilic, low volatile substances. Surgically removed skin from patients undergoing abdominoplasty was immediately dermatomed (800 μm) and mounted on flow-through diffusion cells (1.77 cm(2)) operating at 32°C with cell culture media (aqueous solution) as the reservoir liquid. The cells were dosed either with neat DEHP or emulsified in aqueous solution (166 μg/ml). Samples were analysed by HPLC-MS/MS. DEHP permeated human viable skin only as the metabolite MEHP (100%) after 8h of exposure. Human skin was able to further oxidize MEHP to 5-oxo-MEHP. Neat DEHP applied to the skin hardly permeated skin while the aqueous solution readily permeated skin measured in both cases as concentration of MEHP in the receptor liquid. DEHP pass through human skin, detected as MEHP only when emulsified in aqueous solution, and to a far lesser degree when applied neat to the skin. Using results from older in vitro skin permeation studies with non-viable skin may underestimate skin exposures. Our results are in overall agreement with newer phthalate skin permeation studies.

Transmission measurements using a new far-infrared set-up

A system comprised of a Martin-Puplett type polarizing interferometer and a Helium-3 cryostat was developed to study the transmission of materials in the very-far-infrared region of the spectrum. This region is of significant interest due to the low-energy excitations which many materials exhibit. The experimental transmission spectrum contains information concerning the optical properties of the material. The set-up of this system is described in detail along with the adaptations and improvements which have been made to the system to ensure the best results. Transmission experiments carried out with this new set-up for two different varieties of materials: superconducting thin films of lead and biological proteins, are discussed. Several thin films of lead deposited on fused silica quartz substrates were studied. From the ratio of the transmission in the superconducting state to that in the normal state the superconducting energy gap was determined to be approximately 25 cm-1 which corresponds to 2~/kBTc rv 5 in agreement with literature data. Furthermore, in agreement with theoretical predictions, the maximum in the transmission ratio was observed to increase as the film thickness was increased. These results provide verification of the system's ability to accurately measure the optical properties of thin low-Tc superconducting films. Transmission measurements were carried out on double deionized water, and a variety of different concentrations by weight of the globular protein, Bovine Serum Albumin, in the sol, gel and crystalline forms. The results of the water study agree well with literature values and thus further illustrate the reproducibility of the system. The results of the protein experiments, although preliminary, indicate that as the concentration increases the samples become more transparent. Some weak structure in the frequency dependent absorption coefficient, which is more prominent in crystalline samples, may be due to low frequency vibrations of the protein molecules.

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.

A study of chymotrypsin immobilization conditions for improved peptide mapping

La cartographie peptidique est une technique de grande importance utilisée lors de l’identification des protéines et la caractérisation des modifications post-traductionnelles des protéines. Deux méthodes sont utilisées afin de couper les protéines en peptides pour la cartographie : les méthodes chimiques et les méthodes enzymatiques. Dans ce projet, l’enzyme chymotrypsine a été utilisée pour l’hydrolyse (la digestion) des liens peptidiques. Cependant, l’autoprotéolyse des enzymes peut augmenter la complexité des échantillons, rendant ainsi ardue l’obtention de pics résolus suite à l’apparition de pics non-désirés dans la carte peptidique. Par conséquent, nous avons utilisé la réticulation des enzymes protéolytiques par réaction avec le glutaraldéhyde (GA) donnant une enzyme insoluble afin de réduire l’autoprotéolyse. L’immobilisation de la chymotrypsine par GA a été effectuée selon une méthode rapportée précédemment par le groupe Waldron. L’électrophorèse capillaire (CE) couplée à l’absorption UV-visible a été utilisée pour la séparation et la détection de peptides et pour obtenir ainsi une cartographie peptidique. Deux tampons différents ont été évalués afin d’obtenir les meilleures conditions pour la digestion de substrats protéiques par la chymotrypsine libre (soluble) ou la GAchymotrypsine et l’analyse par CE. Les cartes des peptides autoprotéolytiques ont été comparées entre les deux formats de chymotrypsine. Afin d’améliorer la cartographie peptidique, nous avons évalué trois méthodes de conditionnement du capillaire CE et deux méthodes pour stopper la digestion. Le bicarbonate d’ammonium s’est avéré être le tampon optimal pour la digestion en solution et l’utilisation d’un bain d’acétone et de glace sèche s’est avérée être la méthode optimale pour stopper la digestion. Une solution de SDS, 25 mM, dans l’étape de rinçage a été utilisée après chaque analyse CE et a permis d’améliorer la résolution des cartes peptidiques. La comparaison entre l’autoprotéolyse de la chymotrypsine libre et de celle immobilisé par GA a été effectuée par des tests utilisant une gamme de six différentes combinaisons de conditions afin d’évaluer le temps (30 et 240 min) et la température de digestion (4, 24 et 37°C). Dans ces conditions, nos résultats ont confirmé que le GA-chymotrypsine réduit l’autoprotéolyse par rapport à l’enzyme libre. La digestion (à 37°C/240 min) de deux substrats modèles par la chymotrypsine libre et immobilisée en fonction de la température de dénaturation du substrat a été étudiée. iii Avant la digestion, les substrats (l’albumine de sérum bovine, BSA, et la myoglobine) ont été dénaturés par chauffage pendant 45 min à trois températures différentes (60, 75 et 90°C). Les résultats ont démontré que la dénaturation par chauffage du BSA et de la myoglobine n’a pas amélioré la cartographie peptidique pour la GA-chymotrypsine, tandis que la digestion de ceux-ci en présence de la chymotrypsine libre a amélioré de façon quantifiable à des températures élevées. Ainsi, le chauffage du substrat à 90°C avec l’enzyme soluble facilite le dépliement partiel du substrat et sa digestion limitée, ce qui a été mieux pour la myoglobine que pour la BSA.

L’étude des stratégies de séparations préparatrices de protéines par électrophorèse capillaire

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique.

Apatite-Polymer Composites for the Controlled Dual Delivery of BMP-2 and BMP-6 for Bone Tissue Engineering

The release of growth factors from tissue engineering scaffolds provides signals that influence the migration, differentiation, and proliferation of cells. The incorporation of a drug delivery platform that is capable of tunable release will give tissue engineers greater versatility in the direction of tissue regeneration. We have prepared a novel composite of two biomaterials with proven track records - apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – as a drug delivery platform with promising controlled release properties. These composites have been tested in the delivery of a model protein, bovine serum albumin (BSA), as well as therapeutic proteins, recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) and rhBMP-6. The controlled release strategy is based on the use of a polymer with acidic degradation products to control the dissolution of the basic apatitic component, resulting in protein release. Therefore, any parameter that affects either polymer degradation or apatite dissolution can be used to control protein release. We have modified the protein release profile systematically by varying the polymer molecular weight, polymer hydrophobicity, apatite loading, apatite particle size, and other material and processing parameters. Biologically active rhBMP-2 was released from these composite microparticles over 100 days, in contrast to conventional collagen sponge carriers, which were depleted in approximately 2 weeks. The released rhBMP-2 was able to induce elevated alkaline phosphatase and osteocalcin expression in pluripotent murine embryonic fibroblasts. To augment tissue engineering scaffolds with tunable and sustained protein release capabilities, these composite microparticles can be dispersed in the scaffolds in different combinations to obtain a superposition of the release profiles. We have loaded rhBMP-2 into composite microparticles with a fast release profile, and rhBMP-6 into slow-releasing composite microparticles. An equi-mixture of these two sets of composite particles was then injected into a collagen sponge, allowing for dual release of the proteins from the collagenous scaffold. The ability of these BMP-loaded scaffolds to induce osteoblastic differentiation in vitro and ectopic bone formation in a rat model is being investigated. We anticipate that these apatite-polymer composite microparticles can be extended to the delivery of other signalling molecules, and can be incorporated into other types of tissue engineering scaffolds.

Layer-by-layer electrostatic entrapment of protein molecules on superparamagnetic nanoparticle: new strategy to enhance adsorption capacity and maintain biological activity

There is a recent interest to use inorganic-based magnetic nanoparticles as a vehicle to carry biomolecules for various biophysical applications, but direct attachment of the molecules is known to alter their conformation leading to attenuation in activity. In addition, surface immobilization has been limited to monolayer coverage. It is shown that alternate depositions of negatively charged protein molecules, typically bovine serum albumin (BSA) with a positively charged aminocarbohydrate template such as glycol chitosan (GC) on magnetic iron oxide nanoparticle surface as a colloid, are carried out under pH 7.4. Circular dichroism (CD) clearly reveals that the secondary structure of the entrapped BSA sequential depositions in this manner remains totally unaltered which is in sharp contrast to previous attempts. Probing the binding properties of the entrapped BSA using small molecules (Site I and Site II drug compounds) confirms for the first time the full retention of its biological activity as compared with native BSA, which also implies the ready accessibility of the entrapped protein molecules through the porous overlayers. This work clearly suggests a new method to immobilize and store protein molecules beyond monolayer adsorption on a magnetic nanoparticle surface without much structural alteration. This may find applications in magnetic recoverable enzymes or protein delivery.

Proliferative and anti-proliferative effects of titanium- and iron-based metallocene anti-cancer drugs

In previous work we have found that Cp2TiCl2 and its corresponding deriv. of tamoxifen, Titanocene tamoxifen, show an unexpected proliferative effect on hormone dependent breast cancer cells MCF-7. In order to check if this behavior is a general trend for titanocene derivs. we have tested two other titanocene derivs., Titanocene Y and Titanocene K, on this cell line. Interestingly, these two titanocene complexes behave in a totally different manner. Titanocene K is highly proliferative on MCF-7 cells even at low concns. (0.5 .mu.M), thus behave almost similarly to Cp2TiCl2. This proliferative effect is also obsd. in the presence of bovine serum albumin (BSA). In contrast, Titanocene Y alone has almost no effect on MCF-7 at a concn. of 10 .mu.M, but exhibits a significant dose dependent cytotoxic effect of up to 50% when incubated with BSA (20-50 .mu.g/mL). This confirms the crucial role played by the binding to serum proteins in the expression of the in vivo, cytotoxicity of the titanocene complexes. From the hydridolithiation reaction of 6-p-anisylfulvene with LiBEt3H followed by transmetallation with iron dichloride [bis-[(p-methoxy-benzyl)cyclopentadienyl]iron(II)] (Ferrocene Y) was synthesized. This complex, which was characterized by single crystal X-ray diffraction, contains the robust ferrocenyl unit instead of Ti assocd. with easily leaving groups such as chlorine and shows only a modest cytotoxicity against MCF-7 or MDA-MB-231 cells.

Interactions of tea tannins and condensed tannins with proteins

Binding parameters for the interactions of four types of tannins: tea catechins, grape seed proanthocyanidins, mimosa 5-deoxy proanthocyanidins,and sorghum procyanidins (mDP=17), with gelatin and bovine serum albumin (BSA) have been determined from isothermal titration calorimetry data. Equilibrium binding constants determined for the interaction with gelatin were in the range 10(4) to 10(6) M-1 and in the order: sorghum procyanidins > grape seed proanthocyanidins > mimosa 5-deoxy proanthocyanidins > tea catechins. Interaction with BSA was generally weaker, with equilibrium binding constants of <= 10(3) M-1 for grape seed proanthocyanidins, mimosa 5-deoxy proanthocyanidins and tea catechins, and 10(4) M-1 for the sorghum procyanidins. In all cases the interactions with proteins were exothermic and involved multiple binding sites on the protein. The data are discussed in relation to the structures and the known nutritional effects of the condensed tannins.

Probing protein−tannin interactions by isothermal titration microcalorimetry

Isothermal titration microcalorimetry (ITC) has been applied to investigate protein−tannin interactions. Two hydrolyzable tannins were studied, namely myrabolan and tara tannins, for their interaction with bovine serum albumin (BSA), a model globular protein, and gelatin, a model proline-rich random coil protein. Calorimetry data indicate that protein−tannin interaction mechanisms are dependent upon the nature of the protein involved. Tannins apparently interact nonspecifically with the globular BSA, leading to binding saturation at estimated tannin/BSA molar ratios of 48:1 for tara- and 178:1 for myrabolan tannins. Tannins bind to the random coil protein gelatin by a two-stage mechanism. The energetics of the first stage show evidence for cooperative binding of tannins to the protein, while the second stage indicates gradual saturation of binding sites as observed for interaction with BSA. The structure and flexibility of the tannins themselves alters the stoichiometry of the interaction, but does not appear to have any significant affect on the overall binding mechanism observed. This study demonstrates the potential of ITC for providing an insight into the nature of protein−tannin interactions.