Kinetic behavior of Desulfovibrio gigas aldehyde oxidoreductase encapsulated in reverse micelles

Biochemical and Biophysical Research Communications 308 (2003) 73–78

Hydrogen evolution and consumption in AOT–isooctane reverse micelles by Desulfovibrio gigas hydrogenase

The enzyme hydrogenase isolated from the sulphate reducing anaerobic bacterium Desulfovibrio gigas was encapsulated in reverse micelles of AOT–water–isooctane. The enzyme ability to consume molecular hydrogen was studied as a function of the micelle size (given by Wo = [H2O]/[organic solvent]). A peak of catalytic activity was obtained for Wo = 18, a micelle size theoretically fitting the heterodimeric hydrogenase molecule. At this Wo value, the recorded catalytic activity was slightly higher than in a buffer system(Kcat = 169.43 s−1 against the buffer value of 151 s−1). The optimal buffer used to encapsulate the enzyme was found to be imidazole 50 mM, pH 9.0. The molecular hydrogen production activity was also tested in this reverse micelle medium.

Investigation of structural effects and behaviour of pseudomonas aeruginosa amidase encapsulated in reserved micelles

The acetohydroxamic acid synthesis reaction was studied using whole cells, cell-free extract and purified amidase from the strains of Pseudomonas aeruginosa L10 and A13 entrapped in a reverse micelles system composed of cationic surfactant tetradecyltrimethyl ammonium bromide. The specific activity of amidase, yield of synthesis and storage stability were determined for the reversed micellar system as well as for free amidase in conventional buffer medium. The results have revealed that amidase solutions in the reverse micelles system exhibited a substantial increase in specific activity, yield of synthesis and storage stability. In fact, whole cells from P. aeruginosa L10 and AI3 in reverse micellar medium revealed an increase in specific activity of 9.3- and 13.9-fold, respectively, relatively to the buffer medium. Yields of approximately 92% and 66% of acetohydroxamic acid synthesis were obtained for encapsulated cell free extract from P. aeruginosa L10 and A13, respectively. On the other hand, the half-life values obtained for the amidase solutions encapsulated in reverse micelles were overall higher than that obtained for the free amidase solution in buffer medium. Half-life values obtained for encapsulated purified amidase from P. aeruginosa strain L10 and encapsulated cell-free extract from P. aeruginosa strain AI3 were of 17.0 and 26.0 days, respectively. As far as the different sources biocatalyst are concerned, the data presented in this work has revealed that the best results, in both storage stability and biocatalytic efficiency, were obtained when encapsulated cell-free extract from P. aeruginosa strain AI3 at 14/0 of 10 were used. Conformational changes occurring upon encapsulation of both strains enzymes in reverse micelles of TAB in heptane/octanol were additionally identified by FTIR spectroscopy which clarified the biocatalysts performances.

Coexistence of Two Kinds of Fluorinated Hydrogenated Micelles as Building Blocks for the Design of Bimodal Mesoporous Silica with Two Ordered Mesopore Networks

A simple and effective route has been developed for the synthesis of bimodal (3.6 and 9.4 nm) mesoporous silica materials that have two ordered interconnected pore networks. Mesostructures have been prepared through the self assembly mechanism by using a mixture of polyoxyethylene fluoroalkyl ether and triblock copolymer as building block. The investigation of the RF8(EO)9/P123/water phase diagram evidences that in the considered surfactant range of concentrations, the system is micellar (L1). DLS measurements indicate that this micellar phase is composed of two types of micelles, the size of the first one at around 7.6 nm corresponds unambiguously to the pure fluorinated micelles. The second type of micelles at higher diameter consists of fluorinated micelles which have accommodated a weak fraction of P123 molecules. Thus, in this study the bimodal mesoporous silica are really templated by two kinds of micelles.

Dependência das vias de dissociação unimolecular com a energia interna da molécula de éter dimetílico

Internal energy dependence of the competitive unimolecular dissociation channels of dimethyl ether were studied with the statistical RRKM formalism. The C-O and C-H fission reactions and the 1,2-H and 1,3-H shifts, and 1,1-H2 and 1,3-H2 molecular eliminations are discussed as a function of energy dependence of k a(E*), the microcanonical rate constant for production of transition states. C-O fission is the dominant process while reaction channels involving C-H fission, 1,1-H2 and 1,3-H2 elimination and production of MeOH should be competitive at energies around 400 kJ mol-1. The less favorable process is the channel of CH4 formation.

Physico-chemical properties of meso-tetrakis(p-methoxyphenyl)porphyrin (TMPP) incorporated into pluronicTM p-123 and f-127 polymeric micelles

The physicochemical properties (solubilization, structural organization and stability) of meso-tetrakis(p-methoxyphenyl)porphyrin (TMPP), a promising photosensitizer for photodynamic therapy, solubilized in polymeric micelles of tri-block copolymers PluronicTM P-123 and F-127, were studied. The formulations obtained by the solid dispersion method led to monomerization of TMPP in these copolymers. Solubility studies showed that P-123 solubilizes double the photosensitizer than F-127. The self-aggregation phenomenon was affected by the [TMPP]/[poloxamer] ratio and medium temperature. The decrease in the temperature of these systems promoted the formation of different kinds of TMPP aggregates intrinsically connected with the structural changes occurring in the micelles.

Pressure-induced dissociation of casein micelles: size distribution and effect of temperature

Pressure-induced dissociation of a turbid solution of casein micelles was studied in situ in static and dynamic light scattering experiments. We show that at high pressure casein micelles decompose into small fragments comparable in size to casein monomers. At intermediate pressure we observe particles measuring 15 to 20 nm in diameter. The stability against pressure dissociation increased with temperature, suggesting enhanced hydrophobic contacts. The pressure transition curves are biphasic, compatible with a temperature (but not pressure)-dependent conformational equilibrium of two micelle species. Our thermodynamic model predicts an increase in structural entropy with temperature.

Modulation of ROS production in human leukocytes by ganglioside micelles

Recent studies have reported that exogenous gangliosides, the sialic acid-containing glycosphingolipids, are able to modulate many cellular functions. We examined the effect of micelles of mono- and trisialoganglioside GM1 and GT1b on the production of reactive oxygen species by stimulated human polymorphonuclear neutrophils using different spectroscopic methods. The results indicated that exogenous gangliosides did not influence extracellular superoxide anion (O2.-) generation by polymorphonuclear neutrophils activated by receptor-dependent formyl-methionyl-leucyl-phenylalanine. However, when neutrophils were stimulated by receptor-bypassing phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA), gangliosides above their critical micellar concentrations prolonged the lag time preceding the production in a concentration-dependent way, without affecting total extracellular O2.- generation detected by superoxide dismutase-inhibitable cytochrome c reduction. The effect of ganglioside GT1b (100 µM) on the increase in lag time was shown to be significant by means of both superoxide dismutase-inhibitable cytochrome c reduction assay and electron paramagnetic resonance spectroscopy (P < 0.0001 and P < 0.005, respectively). The observed phenomena can be attributed to the ability of ganglioside micelles attached to the cell surface to slow down PMA uptake, thus increasing the diffusion barrier and consequently delaying membrane events responsible for PMA-stimulated O2.- production.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

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

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.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

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

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

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

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.