Lability of Cd, Cr, Cu, Mn and Pb complexed by aquatic humic substances

The lability of Cd(II), Cr(III), Cu(II), Mn(II) and Pb(II) complexed by humic substances (HSs) was investigated by means of ion exchange on cellulose modified with p-aminobenzoic groups (Cell-PAB), using a batch procedure. The HSs were extracted from water samples using adsorption in a column packed with XAD 8 resin. The metal-HS complexes were prepared by adding solutions containing all the aforementioned metal ions ( Cd(II), Cr(III), Cu(II), Mn(II) and Pb(II) ). The results indicated that the distribution coefficients (Kd) of Cell-PAB decreased with the presence of HSs, and that the lability of metal fractions complexed by HSs decreases in pH values > 4.0, complexation time > 10 h and HS concentration > 500 mg L-1. The metal exchange between HSs and Cell-PAB exhibited the following order of metal ion lability: Cd < Pb < Mn @ Cr < Cu.

A direct potentiometric titration study of the dissociation of humic acid with selectively blocked functional groups

A direct potentiometric titration method was applied to commercial and soil humic acids in order to determine their carboxyl and phenol group concentrations and apparent and intrinsic pK. In that context, acid-base properties of humic acids are interpreted by selective blocking of carboxylic and phenolic groups by esterification and acetylation. Differences in underivatized and derivatized HA's acid-base properties are ascribed to carboxyl and phenol groups influence on total humic acidity. Potentiometric data were treated with the modified Henderson-Hasselbalch equation. Infra red results, the acidic group contents and the average values of apparent and intrinsic pK for underivatized and derivatized HAs confirmed the selectivity of esterification derivatization method. After blocking of the functional groups, the values of acidic group contents decreased, while the value of apparent pK increased after derivatization. Phenol groups cannot be specifically identified by the acetylation method, due to low selectivity of the acetylation method.

Ascorbic acid determination using a carbon paste electrode modified with iron(III) ions adsorbed on humic acid

An amperometric sensor was constructed, by using humic acids to immobilize Fe3+ ions on a carbon paste electrode (CPE-HA-Fe), and used for ascorbic acid (H2A) determination. The cyclic voltammogram of the electrode showed electrochemical response due to the Fe3+/Fe2+ couple at E1/2=+0.78 V vs SCE, using 0.5 mol L-1 KCl and 0.2 mol L-1 acetate/0.020 mol L-1 phosphate buffer, at pH = 5.4, as supporting electrolyte. When H2A is added to the electrolyte solution it is observed an oxidation process. The oxidation current, obtained by chronoamperommetry at +0.87 V vs SCE, is proportional to the concentration, represented by the equation I(µA) = 7.6286 [H2A] (mmol L-1) + 1.9583, r = 0.9996, for concentrations between 0.0 and 1.4 mmol L-1. The electrode showed high stability and was used for H2A determination in a natural orange juice.

Potentiometric quantification and speciation of oxygenated groups in humic substances using BEST7 software

In this study the BEST7 software was employed to quantify different classes of functional groups and to model the proton titration behavior of humic substances. To illustrate the process, the Suwannee River fulvic acid of the IHSS (International Humic Substances Society) was used. Five categories - two classes of phenolic groups (phenol and cathecol), two classes of carboxylic groups (benzoic and phtalic) and the combination between them (salicylic) - of oxygenated groups were considered as being responsible for the potentiometric behavior of the sample and were quantitatively determined. The most and the least abundant groups were cathecol (3.300 ± 0.010 mmol g-1) and phenol (1.225 ± 0.070 mmol g-1), respectively. The estimated equilibrium constants were also determined and were in good agreement with the literature values for phenol and cathecol groups and for benzoic, phtalic and salicylic acids. Distribution diagrams of the species were generated with the software SPE and SPEPLOT.

Humic substances from sediments of Lobos Pond (Argentina). Isolation, characterization and limnological implications

Humic substances (HS) were isolated from the sediments of Lobos Pond (Argentina) using mild conditions to preserve their native structure. The HS (humic and fulvic acids) were characterized by means of elemental analysis and FTIR spectroscopy. Also a by-product obtained during fulvic acids (FA) fractionation (an amorphous white solid residue) was analyzed. Results revealed possible interactions between FA and inorganic-organic substances that may have implications referring to bioavailability. Other limnological implications, such as autochtonous origin of HS linked with the hydrology, and change of pH during stormy weather that affects HS interactions, are discussed.

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

Micelles polymères unimoléculaires ou inverses pour l'administration orale d'agent thérapeutiques

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

Sorptional Behaviour of Metals on the Sediments and Humic acid of Mangrove Ecosystem

Humic substances are complex polymeric structures.No other polymers with such a wide range of properties are so widely distributed in nature.But still their moleculer structures are unknown. A structural knowledge is essential in determining their reactivity with metals.In the present work structural elucidation of humic acids from three different mangrove ecosystems of Cochin area is done with the available data from functional group analysis and various spectroscopic methods.13C NMR spectra of the solid samples with CPMAS,IR and SEM are very promising in revealing the complex structures of these polymeric substances.Sorptional studies on the sediment and humic acid of mangrove ecosystem reveals that the major portion of the organic matter is not extractable with Sodium hydroxide and humic acid only a small portion of the total organic matter. Humic acid is a good complexing agent and scavenger. Due to the nonextractable nature of the organic matter present with the sediment left after alkali extraction it is a better scavenger.