Oxidation of the albumin thiol to sulfenic acid and its implications in the intravascular compartment

Human serum albumin (HSA) is the most abundant protein in the intravascular compartment. It possesses a single thiol, Cys34, which constitutes ~80% of the total thiols in plasma. This thiol is able to scavenge plasma oxidants. A central intermediate in this potential antioxidant activity of human serum albumin is sulfenic acid (HSA-SOH). Work from our laboratories has demonstrated the formation of a relatively stable sulfenic acid in albumin through complementary spectrophotometric and mass spectrometric approaches. Recently, we have been able to obtain quantitative data that allowed us to measure the rate constants of sulfenic acid reactions with molecules of analytical and biological interest. Kinetic considerations led us to conclude that the most likely fate for sulfenic acid formed in the plasma environment is the reaction with low molecular weight thiols to form mixed disulfides, a reversible modification that is actually observed in ~25% of circulating albumin. Another possible fate for sulfenic acid is further oxidation to sulfinic and sulfonic acids. These irreversible modifications are also detected in the circulation. Oxidized forms of albumin are increased in different pathophysiological conditions and sulfenic acid lies in a mechanistic junction, relating oxidizing species to final thiol oxidation products.

VAP-1 as drug target in inflammation : structural features determining ligand interactions

Vascular adhesion protein-1 (VAP-1), which belongs to the copper amine oxidases (CAOs), is a validated drug target in inflammatory diseases. Inhibition of VAP-1 blocks the leukocyte trafficking to sites of inflammation and alleviates inflammatory reactions. In this study, a novel set of potent pyridazinone inhibitors is presented together with their X-ray structure complexes with VAP-1. The crystal structure of serum VAP-1 (sVAP-1) revealed an imidazole binding site in the active site channel and, analogously, the pyridazinone inhibitors were designed to bind into the channel. This is the first time human VAP-1 has been crystallized with a reversible inhibitor and the structures reveal detailed information of the binding mode on the atomic level. Similarly to some earlier studied inhibitors of human VAP-1, the designed pyridazinone inhibitors bind rodent VAP-1 with a lower affinity than human VAP-1. Therefore, we made homology models of rodent VAP-1 and compared human and rodent enzymes to determine differences that might affect the inhibitor binding. The comparison of the crystal structures of the human VAP-1 and the mouse VAP-1 homology model revealed key differences important for the species specific binding properties. In general, the channel in mouse VAP-1 is more narrow and polar than the channel in human VAP-1, which is wider and more hydrophobic. The differences are located in the channel leading to the active site, as well as, in the entrance to the active site channel. The information obtained from these studies is of great importance for the development and design of drugs blocking the activity of human VAP-1, as rodents are often used for in vivo testing of candidate drugs. In order to gain more insight into the selective binding properties of the different CAOs in one species a comprehensive evolutionary study of mammalian CAOs was performed. We found that CAOs can be classified into sub-families according to the residues X1 and X2 of the Thr/Ser-X1-X2-Asn-Tyr-Asp active site motif. In the phylogenetic tree, CAOs group into diamine oxidase, retina specific amine oxidase and VAP-1/serum amine oxidase clades based on the residue in the position X2. We also found that VAP-1 and SAO can be further differentiated based on the residue in the position X1. This is the first large-scale comparison of CAO sequences, which explains some of the reasons for the unique substrate specificities within the CAO family.

Towards a better energy efficiency through a systems approach in an industrial forklift

The purpose of this study is to improve the potential energy recovery to electric energy in an electrohydraulic forklift system. The initial achieved result for energy saving ratio after structural optimization is 40 %. Component optimization is applied to the tested drive which consists of a DTC controlled electric servo motor directly running a reversible hydraulic pump. According to the study the energy efficiency and the energy recovery from the electro-hydraulic forklift system can be increased by 11 % units. New ideas and directions of further research were obtained during the study.

Viologen based electroactive polymers and composites for durable electrochromic systems

Electrochromism, the phenomenon of reversible color change induced by a small electric charge, forms the basis for operation of several devices including mirrors, displays and smart windows. Although, the history of electrochromism dates back to the 19th century, only the last quarter of the 20th century has its considerable scientific and technological impact. The commercial applications of electrochromics (ECs) are rather limited, besides top selling EC anti-glare mirrors by Gentex Corporation and airplane windows by Boeing, which made a huge commercial success and exposed the potential of EC materials for future glass industry. It is evident from their patents that viologens (salts of 4,4ʹ-bipyridilium) were the major active EC component for most of these marketed devices, signifying the motivation of this thesis focusing on EC viologens. Among the family of electrochromes, viologens have been utilized in electrochromic devices (ECDs) for a while, due to its intensely colored radical cation formation induced by applying a small cathodic potential. Viologens can be synthesized as oligomer or in the polymeric form or as functionality to conjugated polymers. In this thesis, polyviologens (PVs) were synthesized starting from cyanopyridinium (CNP) based monomer precursors. Reductive coupling of cross-connected cyano groups yields viologen and polyviologen under successive electropolymerization using for example the cyclic voltammetry (CV) technique. For further development, a polyviologen-graphene composite system was fabricated, focusing at the stability of the PV electrochrome without sacrificing its excellent EC properties. High electrical conductivity, high surface area offered by graphene sheets together with its non-covalent interactions and synergism with PV significantly improved the electrochrome durability in the composite matrix. The work thereby continued in developing a CNP functionalized thiophene derivative and its copolymer for possible utilization of viologen in the copolymer blend. Furthermore, the viologen functionalized thiophene derivative was synthesized and electropolymerized in order to explore enhancement in the EC contrast and overall EC performance. The findings suggest that such electroactive viologen/polyviologen systems and their nanostructured composite films as well as viologen functionalized conjugated polymers, can be potentially applied as an active EC material in future ECDs aiming at durable device performances.

DNA polymerase activity in trophoblast giant cells in the mouse /

In the developing mouse embryo, the diploid trophectoderm is known to undergo a diploid to giant cell transformation. These cells arise by a process of endoreduplication, characterized by replication of the entire genome without subsequent mitosis or cell division, leading to polyploidy and the formation of giant nuclei. Studies of 13.5 day rat trophoblast derived from the parietal yolk sac have indicated a relatively low rate of DNA polymerase a activity, the noinnal eukaryotic replicase, in comparison to that of DNA polymerase g. These results have suggested that endoreduplication in trophoblast giant cells may not employ the normal replicase enzyme, DNA polymerase a. In order to determine whether a 'switch' from DNA polymerase to DNA polymerase is a necessary concomitant of the diploid to giant cell transformation, two distinct populations of trophoblast giant cells, the primary giant cell derived from the mural trophectoderm and the secondary giant cell derived from the polar trophoectoderm were used. These two populations of trophoblast giant cells can be obtained from the tissue outgrowths of 3.5da blastocysts and the extraembryonic ectoderm (EX) and ectoplacental cone (EPC) of 7.5 day embryos respectively. Tissue outgrowths were treated with aphidicolin, a specific reversible inhibitor of eukaryotic DNA polymerase a, on various days after explantation. The effect of aphidicolin treatment was assessed both qualitatively, using autoradiography and quantitatively by scintillation counting and Feulgen staining. 3 DNA synthesis was measured in control and treated cultures after a Hthymidine pulse. Scintillation counts of the embryo proper revealed that DNA synthesis was consistently inhibited by greater than 907. in the presence of aphidicolin. Inhibition of DNA synthesis in the EX and EPC varied between 81-957. and 82-987. respectively, indicating that most DNA synthesis was mediated by DNA polymerase a, but that a small but significant amount of residual synthesis was indicated. A qualitative approach was then applied to determine whether the apparent residual DNA synthesis was restricted to a subpopulation of giant cells or whether all giant cells displayed a low level of DNA synthesis. Autoradiographs of the ICM of blastocysts and the embryo proper of 7.5da embryos, which acted as diploid control population, was completely inhibited regardless of duration in explant culture. In contrast, primary trophoblast giant cells derived from blastocysts and secondary giant cells derived from the EX and EPC were observed to possess some heavily labelled cells after aphidicolin treatment. These results suggest that although DNA polymerase a is the primary replicating enzyme responsible for endoreduplication in mouse trophoblast giant cells, some nonactivity is also observed. A DNA polymerase assay employing tissue lysates of outgrown 7.5da embryo, EX and EPC tissues was used to attempt to confirm the presence of higher nonactivity in tissues possessing trophoblast giant cells. Employing a series of inhibitors of DNA polymerases, it would appear that DNA polymerase a is the major polymerase active in all tissues of the 7.5da mouse embryo. The nature of the putative residual DNA synthetic activity could not be unequivically determined in this study. Therefore, these results suggest that both primary and secondary trophoblast giant cells possess and use DNA polymerase a in endoreduplicative DNA synthesis. It would appear that the high levels of DNA polymerase g activity reported in trophoblast tissue derived from the 13.5 da rat yolk sac was not a general feature of all endoreduplication.

Localization of the mechanism of pH-dependent non- photochemical fluorescence quenching in thylakoid membranes

Higher plants have evolved a well-conserved set of photoprotective mechanisms, collectively designated Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence (qN), to deal with the inhibitory absorption of excess light energy by the photosystems. Their main contribution originates from safe thermal deactivation of excited states promoted by a highly-energized thylakoid membrane, detected via lumen acidification. The precise origins of this energy- or LlpH-dependent quenching (qE), arising from either decreased energy transfer efficiency in PSII antennae (~ Young & Frank, 1996; Gilmore & Yamamoto, 1992; Ruban et aI., 1992), from alternative electron transfer pathways in PSII reaction centres (~ Schreiber & Neubauer, 1990; Thompson &Brudvig, 1988; Klimov et aI., 1977), or from both (Wagner et aI., 1996; Walters & Horton, 1993), are a source of considerable controversy. In this study, the origins of qE were investigated in spinach thylakoids using a combination of fluorescence spectroscopic techniques: Pulse Amplitude Modulated (PAM) fluorimetry, pump-probe fluorimetry for the measurement of PSII absorption crosssections, and picosecond fluorescence decay curves fit to a kinetic model for PSII. Quenching by qE (,..,600/0 of maximal fluorescence, Fm) was light-induced in circulating samples and the resulting pH gradient maintained during a dark delay by the lumenacidifying capabilities of thylakoid membrane H+ ATPases. Results for qE were compared to those for the addition of a known antenna quencher, 5-hydroxy-1,4naphthoquinone (5-0H-NQ), titrated to achieve the same degree of Fm quenching as for qE. Quenching of the minimal fluorescence yield, F0' was clear (8 to 130/0) during formation of qE, indicative of classical antenna quenching (Butler, 1984), although the degree was significantly less than that achieved by addition of 5-0H-NQ. Although qE induction resulted in an overall increase in absorption cross-section, unlike the decrease expected for antenna quenchers like the quinone, a larger increase in crosssection was observed when qE induction was attempted in thylakoids with collapsed pH gradients (uncoupled by nigericin), in the absence of xanthophyll cycle operation (inhibited by DTT), or in the absence of quenching (LlpH not maintained in the dark due to omission of ATP). Fluorescence decay curves exhibited a similar disparity between qE-quenched and 5-0H-NQ-quenched thylakoids, although both sets showed accelerated kinetics in the fastest decay components at both F0 and Fm. In addition, the kinetics of dark-adapted thylakoids were nearly identical to those in qEquenched samples at F0' both accelerated in comparison with thylakoids in which the redox poise of the Oxygen-Evolving Complex was randomized by exposure to low levels of background light (which allowed appropriate comparison with F0 yields from quenched samples). When modelled with the Reversible Radical Pair model for PSII (Schatz et aI., 1988), quinone quenching could be sufficiently described by increasing only the rate constant for decay in the antenna (as in Vasil'ev et aI., 1998), whereas modelling of data from qE-quenched thylakoids required changes in both the antenna rate constant and in rate constants for the reaction centre. The clear differences between qE and 5-0H-NQ quenching demonstrated that qE could not have its origins in the antenna alone, but is rather accompanied by reaction centre quenching. Defined mechanisms of reaction centre quenching are discussed, also in relation to the observed post-quenching depression in Fm associated with photoinhibition.

Adenovirus-based exogenous gene expression in mammalian cells

Thesis (Ph.D.)--Brock University, 2010.

A Survey of hMLH1 mRNA Splicing Profiles in Human Cell Lines: Comparing Primary Cultured Fibroblasts Before and After Oxidative Stress and Transiently versus Stably Demethylated Colon Cancer Derived Cell Lines

Most human genes undergo alternative splicing and loss of splicing fidelity is associated with disease. Epigenetic silencing of hMLH 1 via promoter cytosine methylation is causally linked to a subset of sporadic non-polyposis colon cancer and is reversible by 5-aza-2' -deoxycytidine treatment. Here I investigated changes in hMLHI mRNA splicing profiles in normal fibroblasts and colon cancer-derived human cell lines. I established the types and frequencies of hMLHI mRNA transcripts generated under baseline conditions, after hydrogen peroxide induced oxidative stress, and in acutely 5-aza-2' -deoxycytidine-treated and stably derepressed cancer cell lines. I found that hMLHI is extensively spliced under all conditions including baseline (50% splice variants), the splice variant distribution changes in response to oxidative stress, and certain splice variants are sensitive to 5- aza-2' -deoxycytidine treatment: Splice variant diversity and frequency of exon 17 skipping correlates with the level of hMLHI promoter methylation suggesting a link between promoter methylation and mRNA splicing.

Cholesterol-Independent Effects of Methyl-b- Cyclodextrin on Chemical Synapses

The cholesterol chelating agent, methyl-b-cyclodextrin (MbCD), alters synaptic function in many systems. At crayfish neuromuscular junctions, MbCD is reported to reduce excitatory junctional potentials (EJPs) by impairing impulse propagation to synaptic terminals, and to have no postsynaptic effects. We examined the degree to which physiological effects of MbCD correlate with its ability to reduce cholesterol, and used thermal acclimatization as an alternative method to modify cholesterol levels. MbCD impaired impulse propagation and decreased EJP amplitude by 40% (P,0.05) in preparations from crayfish acclimatized to 14uC but not from those acclimatized to 21uC. The reduction in EJP amplitude in the cold-acclimatized group was associated with a 49% reduction in quantal content (P,0.05). MbCD had no effect on input resistance in muscle fibers but decreased sensitivity to the neurotransmitter L-glutamate in both warm- and coldacclimatized groups. This effect was less pronounced and reversible in the warm-acclimatized group (90% reduction in cold, P,0.05; 50% reduction in warm, P,0.05). MbCD reduced cholesterol in isolated nerve and muscle from cold- and warmacclimatized groups by comparable amounts (nerve: 29% cold, 25% warm; muscle: 20% cold, 18% warm; P,0.05). This effect was reversed by cholesterol loading, but only in the warm-acclimatized group. Thus, effects of MbCD on glutamatesensitivity correlated with its ability to reduce cholesterol, but effects on impulse propagation and resulting EJP amplitude did not. Our results indicate that MbCD can affect both presynaptic and postsynaptic properties, and that some effects of MbCD are unrelated to cholesterol chelation.

The Fast Regulation of Photosynthesis in Diatoms: an inquiry into the physiological and physical origins of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching.

Diatoms are renowned for their robust ability to perform NPQ (Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence) as a dissipative response to heightened light stress on photosystem II, plausibly explaining their dominance over other algal groups in turbulent light environs. Their NPQ mechanism has been principally attributed to a xanthophyll cycle involving the lumenal pH regulated reversible de-epoxidation of diadinoxanthin. The principal goal of this dissertation is to reveal the physiological and physical origins and consequences of the NPQ response in diatoms during short-term transitions to excessive irradiation. The investigation involves diatom species from different originating light environs to highlight the diversity of diatom NPQ and to facilitate the detection of core mechanisms common among the diatoms as a group. A chiefly spectroscopic approach was used to investigate NPQ in diatom cells. Prime methodologies include: the real time monitoring of PSII excitation and de-excitation pathways via PAM fluorometry and pigment interconversion via transient absorbance measurements, the collection of cryogenic absorbance spectra to measure pigment energy levels, and the collection of cryogenic fluorescence spectra and room temperature picosecond time resolved fluorescence decay spectra to study excitation energy transfer and dissipation. Chemical inhibitors that target the trans-thylakoid pH gradient, the enzyme responsible for diadinoxanthin de-epoxidation, and photosynthetic electron flow were additionally used to experimentally manipulate the NPQ response. Multifaceted analyses of the NPQ responses from two previously un-photosynthetically characterised species, Nitzschia curvilineata and Navicula sp., were used to identify an excitation pressure relief ‘strategy’ for each species. Three key areas of NPQ were examined: (i) the NPQ activation/deactivation processes, (ii) how NPQ affects the collection, dissipation, and usage of absorbed light energy, and (iii) the interdependence of NPQ and photosynthetic electron flow. It was found that Nitzschia cells regulate excitation pressure via performing a high amplitude, reversible antenna based quenching which is dependent on the de-epoxidation of diadinoxanthin. In Navicula cells excitation pressure could be effectively regulated solely within the PSII reaction centre, whilst antenna based, diadinoxanthin de-epoxidation dependent quenching was implicated to be used as a supplemental, long-lasting source of excitation energy dissipation. These strategies for excitation balance were discussed in the context of resource partitioning under these species’ originating light climates. A more detailed investigation of the NPQ response in Nitzschia was used to develop a comprehensive model describing the mechanism for antenna centred non-photochemical quenching in this species. The experimental evidence was strongly supportive of a mechanism whereby: an acidic lumen triggers the diadinoxanthin de-epoxidation and protonation mediated aggregation of light harvesting complexes leading to the formation of quencher chlorophyll a-chlorophyll a dimers with short-lived excited states; quenching relaxes when a rise in lumen pH triggers the dispersal of light harvesting complex aggregates via deprotonation events and the input of diadinoxanthin. This model may also be applicable for describing antenna based NPQ in other diatom species.

Time Reversibility of Stationary Regular Finite State Markov Chains

We propose an alternate parameterization of stationary regular finite-state Markov chains, and a decomposition of the parameter into time reversible and time irreversible parts. We demonstrate some useful properties of the decomposition, and propose an index for a certain type of time irreversibility. Two empirical examples illustrate the use of the proposed parameter, decomposition and index. One involves observed states; the other, latent states.

Action anti-leucémique des inhibiteurs de la méthylation de l’ADN et de la déacétylation des histones

Les gènes suppresseurs de tumeurs (TSGs) contrôlent la prolifération cellulaire et leur inactivation joue un rôle important dans la leucémogénèse. Deux mécanismes épigénétiques majeurs sont impliqués dans la répression des TSGs: 1- la méthylation de l’ADN et 2- la déacétylation des histones des chromosomes. On les dit épigénétiques car ils n’affectent pas la séquence de l’ADN. Ces phénomènes sont réversibles, faisant donc d’eux des cibles thérapeutiques de choix. Dans le cadre de cette thèse, nous avons évalué le potentiel chimiothérapeutique de différents agents qui visent ces mécanismes épigénétiques et nous les avons administrés seuls et en combinaison dans le but d’améliorer leur efficacité. La 5-aza-2’-désoxycytidine (5-Aza-CdR) est un inhibiteur de la méthylation de l’ADN qui permet la ré-expression des TSGs. Cet agent s’est avéré efficace contre certaines maladies hématologiques et est d’ailleurs approuvé aux États-Unis dans le traitement du syndrome myélodysplasique depuis 2006. Cependant, le protocole d’administration optimal de cet agent, en termes de doses et de durée, n’est toujours pas établi. Nos recherches suggèrent que le celui-ci devrait être plus intensif que ce que rapporte la littérature. Les inhibiteurs des déacétylases des histones (HDACi) ont également montré une activité antinéoplasique intéressante. De récentes recherches ont montré que la combinaison d’agents ciblant à la fois la méthylation de l’ADN et la déacétylation des histones produit une réactivation synergique des TSGs, ce à quoi nous nous sommes intéressé. Nous avons observé que la co-administration d’un HDACi avec la 5-Aza-CdR potentialise son action anti-leucémique. Il est aussi possible d’augmenter l’activité de la 5-Aza-CdR en inhibant sa dégradation par l’enzyme cytidine (CR) désaminase. Nous avons observé que la co-administration du zebularine, un inhibiteur de la CR désaminase, avec la 5-Aza-CdR accroît son efficacité. Le zebularine est aussi un inhibiteur de la méthylation de l’ADN, ce qui pourrait contribuer à la potentialisation de la réponse anti-leucémique observée lors de la co-administration de ces deux agents. En résumé, il est possible d’augmenter l’efficacité anti-leucémique de la 5-Aza-CdR en : 1- intensifiant son protocole d’administration, en termes de doses et de durée, 2- la combinant avec un HDACi, et 3- diminuant sa dégradation par la CR désaminase. L’utilisation de ces résultats précliniques dans l’élaboration de protocoles cliniques pourrait être bénéfique à beaucoup de patients.

Paramétrisation de la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire haute fréquence et pertinence comme facteur de risque de la thrombose veineuse

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique.

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.

Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.