Síntese e caracterização de nanopartículas vetorizadas para células tumorais com possível aplicação na entrega controlada de fármacos

Dissertação de mestrado em Química Medicinal

Gold nanoparticles functionalized with gadolinium chelates as high-relaxivity MRI contrast agents

Water-dispersible gold nanoparticles functionalized with paramagnetic gadolinium have been fully characterized, and the NMRD profiles show very high relaxivities up to 1.5 T. Characterization using TEM images and dynamic light scattering indicate a particle size distribution from 2 to 15 nm. The gold cores of the nanoparticles do not contribute significantly to the overall magnetic moment.

Flow cytometry in the study of cell death

In this report we present a concise review concerning the use of flow cytometric methods to characterize and differentiate between two different mechanisms of cell death, apoptosis and necrosis. The applications of these techniques to clinical and basic research are also considered. The following cell features are useful to characterize the mode of cell death: (1) activation of an endonuclease in apoptotic cells results in extraction of the low molecular weight DNA following cell permeabilization, which, in turn, leads to their decreased stainability with DNA-specific fluorochromes. Measurements of DNA content make it possible to identify apoptotic cells and to recognize the cell cycle phase specificity of apoptotic process; (2) plasma membrane integrity, which is lost in necrotic but not in apoptotic cells; (3) the decrease in forward light scatter, paralleled either by no change or an increase in side scatter, represent early changes during apoptosis. The data presented indicate that flow cytometry can be applied to basic research of the molecular and biochemical mechanisms of apoptosis, as well as in the clinical situations, where the ability to monitor early signs of apoptosis in some systems may be predictive for the outcome of some treatment protocols.

Exhaled breath condensate (EBC) as a matrix for nanoparticle exposure and health effect evaluation : final scientific report

The aim of this pilot project was to evaluate the feasibility of assessing the deposited particle dose in the lungs by applying the dynamic light scattering-based methodology in exhaled breath condensateur (EBC). In parallel, we developed and validated two analytical methods allowing the determination of inflammatory (hydrogen peroxide - H2O2) and lipoperoxidation (malondialdehyde - MDA) biomarkers in exhaled breath condensate. Finally, these methods were used to assess the particle dose and consecutive inflammatory effect in healthy nonsmoker subjects exposed to environmental tobacco smoke in controlled situations was done.

Aggregation of liposomes induced by calcium: A structural and kinetic study

In this work, the calcium-induced aggregation of phosphatidylserine liposomes is probed by means of the analysis of the kinetics of such process as well as the aggregate morphology. This novel characterization of liposome aggregation involves the use of static and dynamic light-scattering techniques to obtain kinetic exponents and fractal dimensions. For salt concentrations larger than 5 mM, a diffusion-limited aggregation regime is observed and the Brownian kernel properly describes the time evolution of the diffusion coefficient. For slow kinetics, a slightly modified multiple contact kernel is required. In any case, a time evolution model based on the numerical resolution of Smoluchowski's equation is proposed in order to establish a theoretical description for the aggregating system. Such a model provides an alternative procedure to determine the dimerization constant, which might supply valuable information about interaction mechanisms between phospholipid vesicles.

Flow cytometry in the analysis of cellular populations

Flow cytometry has become a valuable tool in cell biology. By analyzing large number of cells individually using light-scatter and fluorescence measurements, this technique reveals both cellular characteristics and the levels of cellular components. Flow cytometry has been developed to rapidly enumerate cells and to distinguish among different cell stages and structures using multiple staining. In addition to high-speed multiparametric data acquisition, analysis and cell sorting, which allow other characteristics of individual cells to be studied, have increased the interest of researchers in this technique. This chapter gives an overview of the principles of flow cytometry and examples of the application ofthe technique.

Quantification of Proteins and Cells: Luminometric Nonspecific Particle-Based Methods

New luminometric particle-based methods were developed to quantify protein and to count cells. The developed methods rely on the interaction of the sample with nano- or microparticles and different principles of detection. In fluorescence quenching, timeresolved luminescence resonance energy transfer (TR-LRET), and two-photon excitation fluorescence (TPX) methods, the sample prevents the adsorption of labeled protein to the particles. Depending on the system, the addition of the analyte increases or decreases the luminescence. In the dissociation method, the adsorbed protein protects the Eu(III) chelate on the surface of the particles from dissociation at a low pH. The experimental setups are user-friendly and rapid and do not require hazardous test compounds and elevated temperatures. The sensitivity of the quantification of protein (from 40 to 500 pg bovine serum albumin in a sample) was 20-500-fold better than in most sensitive commercial methods. The quenching method exhibited low protein-to-protein variability and the dissociation method insensitivity to the assay contaminants commonly found in biological samples. Less than ten eukaryotic cells were detected and quantified with all the developed methods under optimized assay conditions. Furthermore, two applications, the method for detection of the aggregation of protein and the cell viability test, were developed by utilizing the TR-LRET method. The detection of the aggregation of protein was allowed at a more than 10,000 times lower concentration, 30 μg/L, compared to the known methods of UV240 absorbance and dynamic light scattering. The TR-LRET method was combined with a nucleic acid assay with cell-impermeable dye to measure the percentage of dead cells in a single tube test with cell counts below 1000 cells/tube.

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.

Differences in pressure and temperature transitions of proteins and polymer gels

Pressure-driven and temperature-driven transitions of two thermoresponsive polymers, poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) and poly(N-vinylisobutyramide) (pNVIBA)), in both a soluble linear polymer form and a cross-linked hydro-gel form, were examined by a dynamic light-scattering method and direct microscopic observation, respectively. Their behavior was compared with that of protein systems. Changes in some characteristic parameters in the time-intensity correlation functions of dynamic light-scattering measurement of aqueous solutions of pNIPAM at various pressures and temperatures showed no essential differences during temperature and pressure scanning and, as a whole, the motions of polymers in aqueous solutions were similar in two types of transitions until chain shrinkage occurred. The gels (cross-linked polymer gels) prepared from the thermoresponsive polymers also showed similar volume transitions responding to the pressure and temperature increase. In temperature transitions, however, gels showed drastic volume shrinkage with loss of transparency, while pressure-induced transition showed a slow recovery of transparency while keeping the size, after first transient drastic volume shrinkage with loss of transparency. At a temperature slightly higher than the transition under atmospheric temperature, so-called reentry of the volume change and recovery of the transparency were observed during the pressure-increasing process, which implies much smaller aggregation or non-aggregated collapsed polymer chains in the gel at higher pressures, indicating a certain mechanistic difference of the dehydration processes induced by temperature and pressure.

Production, solubility and antioxidant activity of curcumin nanosuspension

Curcumin is a powerful bioactive agent and natural antioxidant, but it is practically water-insoluble and has low bioavailability; a possible solution to this obstacle would be formulations of curcumin nanoparticles. Surfactants such as tween 80 can be used to stabilize low-solubility molecules preventing particle aggregation. The objectives of this study were the preparation of a suspension with curcumin nanoparticles in tween 80, the testing of pure curcumin solubility and of a simple mixture of curcumin with tween 80 and nanosuspension in water and ethanol as solvents, and finally the assessment of the antioxidant activity. We prepared the nanosuspension by injecting a curcumin solution in dichloromethane at low flow in water with tween 80 under heating and ultrasound. The analysis of particles size was conducted through dynamic light scattering; the non-degradation of curcumin was verified through thin-layer chromatography. The analyses of antioxidant activity were carried out according to the DPPH method. The method applied to reduce the particles size was efficient. Both the curcumin suspension and nanosuspension in tween 80 increased its solubility. Curcumin and the formulations presented antioxidant activity.

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.

Poly(ethylene-co-acrylic acid) random copolymers : amphiphilic properties and self-assembly in aqueous medium

Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif principal la synthèse de copolymères statistiques à base d’éthylène et d’acide acrylique (AA). Pour cela, la déprotection des groupements esters d’un copolymère statistique précurseur, le poly(éthylène-co-(tert-butyl)acrylate), a été effectuée par hydrolyse à l’aide d’iodure de triméthylsilyle. La synthèse de ce précurseur est réalisée par polymérisation catalytique en présence d’un système à base de Palladium (Pd). Le deuxième objectif a été d’étudier et de caractériser des polymères synthétisés à l’état solide et en suspension colloïdale. Plusieurs copolymères précurseurs comprenant différents pourcentages molaires en tert-butyl acrylate (4 à 12% molaires) ont été synthétisés avec succès, puis déprotégés par hydrolyse pour obtenir des poly(éthylène-coacide acrylique) (pE-co-AA) avec différentes compositions. Seuls les copolymères comprenant 10% molaire ou plus de AA sont solubles dans le Tétrahydrofurane (THF) et uniquement dans ce solvant. De telles solutions peuvent être dialysées dans l’eau, ce qui conduit à un échange lent entre cette dernière et le THF, et l’autoassemblage du copolymère dans l’eau peut ensuite être étudié. C’est ainsi qu’ont pu être observées des nanoparticules stables dans le temps dont le comportement est sensible au pH et à la température. Les polymères synthétisés ont été caractérisés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ainsi que par spectroscopie Infra-Rouge (IR), avant et après déprotection. Les pourcentages molaires d’AA ont été déterminés par combinaison des résultats de RMN et ii de titrages conductimètriques. A l’état solide, les échantillons ont été analysés par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par Diffraction des rayons X. Les solutions colloïdales des polymères pE-co-AA ont été caractérisées par Diffusion dynamique de la lumière et par la DSC-haute sensibilité. De la microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de visualiser la forme et la taille des nanoparticules.

Stability studies of intravenous cyclosporine preparations stored in non-PVC containers

Dans cette étude, la stabilité de préparations intraveineuses de cyclosporine (0.2 et 2.5 mg/mL dans NaCl 0.9% ou dextrose 5%) entreposées dans des seringues de polypropylène, des sacs de polypropylène-polyoléfine et des sacs de vinyle acétate d’éthylène a été évaluée. Une méthode HPLC indicatrice de la stabilité à base de méthanol a été développée et validée suite a des études de dégradation forcée. Les solutions évaluées ont été préparées de façon aseptique, puis entreposées à 25°C. La stabilité chimique a été évaluée par HPLC et la stabilité physique a été évaluée par inspection visuelle et aussi par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Tous les échantillons sont demeurés stables chimiquement et physiquement dans des sacs de polypropylène-polyoléfine (>98% de cyclosporine récupérée après 14 jours). Lorsqu’entreposés dans des seringues de polypropylène, des contaminants ont été extraits des composantes de la seringue. Toutefois, aucune contamination n’a été observée après 10 min de contact entre la préparation de cyclosporine non-diluée et ces mêmes seringues. Les préparations de 2.5 mg/mL entreposées dans des sacs de vinyle acétate d’éthylène sont demeurés stables chimiquement et physiquement (>98% de cyclosporine récupérée après 14 jours). Toutefois, une adsorption significative a été observée avec les échantillons 0.2 mg/mL entreposés dans des sacs de vinyle acétate d’éthylène (<90% de cyclosporine récupéré après 14 jours). Une étude cinétique a démontré une bonne corrélation linéaire entre la quantité adsorbée et la racine carrée du temps de contact (r2 > 0.97). Un nouveou modèle de diffusion a été établi. En conclusion, les sacs de polypropylène-polyoléfine sont le meilleur choix; les seringues de polypropylène présentent un risque de contamination, mais sont acceptables pour un transfert rapide. Les sacs de vinyle acétate d’éthylène ne peuvent être recommandés à cause d’un problème d’adsorption.

Préparations de docosanol nanoformulées pour usage topique

La réduction de la taille des particules jusqu’à l’obtention de nanocristaux est l’une des approches utilisées afin d’améliorer la pénétration cutanée des médicaments à usage topique. Nous proposons que la fabrication d’une formulation semi solide (hydrogel) à base de nanosuspension de docosanol, aboutira à une diffusion du principe actif supérieure à celle du produit commercial Abreva®, à travers des membranes synthétiques de polycarbonates. Le broyage humide est la technique proposée pour la production des nanoparticules de docosanol. Nous proposons aussi la préparation d’une formulation semi-solide (hydrogel) à usage topique à partir de la nanosuspension de docosanol. La nanosuspension de docosanol est obtenue par dispersion du docosanol en solution aqueuse en présence du polymère stabilisant hydroxypropylcellulose (HPC) et du surfactant laurylsulfate de sodium (SDS) suivi d’un broyage humide à faible ou à haute énergie. L’hydrogel de docosanol nanoformulé est préparé à l’aide de la nanosuspension de docosanol qui subit une gélification par le carbopol Ultrez 21 sous agitation mécanique suivie d’une neutralisation au triéthanolamine TEA. La taille des particules de la nanosuspension et de l’hydrogel a été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Une méthode analytique de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) munie d’un détecteur évaporatif (ELSD) a été développée et validée pour évaluer la teneur de docosanol dans les préparations liquides, dans les différentes nanosuspensions et dans les hydrogels de docosanol. L’état de cristallinité des nanocristaux dans la nanosuspension et dans l’hydrogel a été étudié par calorimétrie différentielle à balayage. La morphologie de la nanosuspension et de l’hydrogel de docosanol a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les propriétés rhéologiques et de stabilité physique à différentes températures ont été aussi étudiées pour la formulation semi-solide (hydrogel). De même, la libération in vitro du docosanol contenu dans l’hydrogel et dans le produit commercial Abreva® a été étudiée à travers deux membranes de polycarbonates de taille de pores 400 et 800 nm. Dans le cas de nanosuspensions, des cristaux de docosanol de taille nanométrique ont été produits avec succès par broyage humide. Les nanoparticules de tailles variant de 197 nm à 312 nm ont été produites pour des pourcentages différents en docosanol, en polymère HPC et en surfactant SDS. Après lyophilisation, une augmentation de la taille dépendant de la composition de la formulation a été observée tout en restant dans la gamme nanométrique pour la totalité presque des formulations étudiées. Dans le cas des hydrogels examinés, la taille moyenne des particules de docosanol est maintenue dans la gamme nanométrique avant et après lyophilisation. L’analyse thermique des mélanges physiques, des nanosuspensions et des hydrogels de docosanol a révélé la conservation de l’état de cristallinité des nanocristaux de docosanol après broyage et aussi après gélification. L’examen par microscopie électronique à balayage (MEB) a montré que la nanosuspension et l’hydrogel ont tous deux une morphologie régulière et les nanoparticules ont une forme sphérique. De plus les nanoparticules de la nanosuspension ont presque la même taille inférieure à 300 nm en accord avec le résultat obtenu par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les nanoparticules de l’hydrogel ont une légère augmentation de taille par rapport à celle de la nanosuspension, ce qui est en accord avec les mesures de DLS. D’après les mesures rhéologiques, l’hydrogel de docosanol a un comportement pseudoplastique et un faible degré de thixotropie. L’étude de stabilité physique a montré que les formulations d’hydrogel sont stables à basse température (5°C) et à température ambiante (21°C) pendant une période d’incubation de 13 semaines et instable au-delà de 30°C après deux semaines. La méthode HPLC-ELSD a révélé des teneurs en docosanol comprises entre 90% et 110% dans le cas des nanosuspensions et aux alentours de 100% dans le cas de l’hydrogel. L’essai de diffusion in vitro a montré qu’il y a diffusion de docosanol de l’hydrogel à travers les membranes de polycarbonates, qui est plus marquée pour celle de pore 800 nm, tandis que celui du produit commercial Abreva® ne diffuse pas. Le broyage humide est une technique bien adaptée pour la préparation des nanosuspensions docosanol. Ces nanosuspensions peuvent être utilisée comme base pour la préparation de l’hydrogel de docosanol nanoformulé.

New stimuli-responsive block random copolymers and their aggregation

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules.