Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Nanostructured copper oxides and phosphates from a new solid-state route

Nanostructured copper containing materials of CuO, Cu3(PO4)3 and Cu2P2O7 have been prepared by solid-state pyrolysis of molecular CuCl2·NC5H4OH (I), CuCl2·CNCH2C6H4OH (II), oligomeric [Cu(PPh3)Cl]4 (III), N3P3[OC6H4CH2CN·CuCl]6[PF6] (IV), N3P3[OC6H5]5[OC5H4N·Cu][PF6] (V), polymeric chitosan·(CuCl2)n (VI) and polystyrene-co-4-vinylpyridine PS-b-4-PVP·(CuCl2) (VII) precursors. The products strongly depend on the precursor used. The pyrolytic products from phosphorus-containing precursors (III), (IV) and (V) are Cu phosphates or pyrophosphates, while non-phosphorous-containing precursors (VI) and (VII), result in mainly CuO. The use of chitosan as a solid-state template/stabilizer induces the formation of CuO and Cu2O nanoparticles. Copper pyrophosphate (Cu2P2O7) deposited on Si using (IV) as the precursor exhibits single-crystal dots of average diameter 100 nm and heights equivalent to twice the unit cell b-axis (1.5–1.7 nm) and an areal density of 5.1–7.7 Gigadots/in.2. Cu2P2O7 deposited from precursor (VI) exhibits unique labyrinthine high surface area deposits. The morphology of CuO deposited on Si from pyrolysis of (VI) depends on the polymer/Cu meta ratio. Magnetic measurements performed using SQUID on CuO nanoparticle networks suggest superparamagnetic behavior. The results give insights into compositional, shape and morphological control of the as-formed nanostructures through the structure of the precursors.

Delivery and Scavenging of Nucleic Acids by Polycationic Polymers

Electrostatic interaction is a strong force that attracts positively and negatively charged molecules to each other. Such an interaction is formed between positively charged polycationic polymers and negatively charged nucleic acids. In this dissertation, the electrostatic attraction between polycationic polymers and nucleic acids is exploited for applications in oral gene delivery and nucleic acid scavenging. An enhanced nanoparticle for oral gene delivery of a human Factor IX (hFIX) plasmid is developed using the polycationic polysaccharide, chitosan (Ch), in combination with protamine sulfate (PS) to treat hemophilia B. For nucleic acid scavenging purposes, the development of an effective nucleic acid scavenging nanofiber platform is described for dampening hyper-inflammation and reducing the formation of biofilms.

Non-viral gene therapy may be an attractive alternative to chronic protein replacement therapy. Orally administered non-viral gene vectors have been investigated for more than one decade with little progress made beyond the initial studies. Oral administration has many benefits over intravenous injection including patient compliance and overall cost; however, effective oral gene delivery systems remain elusive. To date, only chitosan carriers have demonstrated successful oral gene delivery due to chitosan’s stability via the oral route. In this study, we increase the transfection efficiency of the chitosan gene carrier by adding protamine sulfate to the nanoparticle formulation. The addition of protamine sulfate to the chitosan nanoparticles results in up to 42x higher in vitro transfection efficiency than chitosan nanoparticles without protamine sulfate. Therapeutic levels of hFIX protein are detected after oral delivery of Ch/PS/phFIX nanoparticles in 5/12 mice in vivo, ranging from 3 -132 ng/mL, as compared to levels below 4 ng/mL in 1/12 mice given Ch/phFIX nanoparticles. These results indicate the protamine sulfate enhances the transfection efficiency of chitosan and should be considered as an effective ternary component for applications in oral gene delivery.

Dying cells release nucleic acids (NA) and NA-complexes that activate the inflammatory pathways of immune cells. Sustained activation of these pathways contributes to chronic inflammation related to autoimmune diseases including systemic lupus erythematosus, rheumatoid arthritis, and inflammatory bowel disease. Studies have shown that certain soluble, cationic polymers can scavenge extracellular nucleic acids and inhibit RNA-and DNA-mediated activation of Toll-like receptors (TLRs) and inflammation. In this study, the cationic polymers are incorporated onto insoluble nanofibers, enabling local scavenging of negatively charged pro-inflammatory species such as damage-associated molecular pattern (DAMP) molecules in the extracellular space, reducing cytotoxicity related to unwanted internalization of soluble cationic polymers. In vitro data show that electrospun nanofibers grafted with cationic polymers, termed nucleic acid scavenging nanofibers (NASFs), can scavenge nucleic acid-based agonists of TLR 3 and TLR 9 directly from serum and prevent the production of NF-ĸB, an immune system activating transcription factor while also demonstrating low cytotoxicity. NASFs formed from poly (styrene-alt-maleic anhydride) conjugated with 1.8 kDa branched polyethylenimine (bPEI) resulted in randomly aligned fibers with diameters of 486±9 nm. NASFs effectively eliminate the immune stimulating response of NA based agonists CpG (TLR 9) and poly (I:C) (TLR 3) while not affecting the activation caused by the non-nucleic acid TLR agonist pam3CSK4. Results in a more biologically relevant context of doxorubicin-induced cell death in RAW cells demonstrates that NASFs block ~25-40% of NF-ĸβ response in Ramos-Blue cells treated with RAW extracellular debris, ie DAMPs, following doxorubicin treatment. Together, these data demonstrate that the formation of cationic NASFs by a simple, replicable, modular technique is effective and that such NASFs are capable of modulating localized inflammatory responses.

An understandable way to clinically apply the NASF is as a wound bandage. Chronic wounds are a serious clinical problem that is attributed to an extended period of inflammation as well as the presence of biofilms. An NASF bandage can potentially have two benefits in the treatment of chronic wounds by reducing the inflammation and preventing biofilm formation. NASF can prevent biofilm formation by reducing the NA present in the wound bed, therefore removing large components of what the bacteria use to develop their biofilm matrix, the extracellular polymeric substance, without which the biofilm cannot develop. The NASF described above is used to show the effect of the nucleic acid scavenging technology on in vitro and in vivo biofilm formation of P. aeruginosa, S. aureus, and S. epidermidis biofilms. The in vitro studies demonstrated that the NASFs were able to significantly reduce the biofilm formation in all three bacterial strains. In vivo studies of the NASF on mouse wounds infected with biofilm show that the NASF retain their functionality and are able to scavenge DNA, RNA, and protein from the wound bed. The NASF remove DNA that are maintaining the inflammatory state of the open wound and contributing to the extracellular polymeric substance (EPS), such as mtDNA, and also removing proteins that are required for bacteria/biofilm formation and maintenance such as chaperonin, ribosomal proteins, succinyl CoA-ligase, and polymerases. However, the NASF are not successful at decreasing the wound healing time because their repeated application and removal disrupts the wound bed and removes proteins required for wound healing such as fibronectin, vibronectin, keratin, and plasminogen. Further optimization of NASF treatment duration and potential combination treatments should be tested to reduce the unwanted side effects of increased wound healing time.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Nanotechnology in the food industry I: applications

Nanotechnology is a multidisciplinary science that is having a boom today, providing new products with attractive physicochemical properties for many applications. In agri/feed/food sector, nanotechnology offers great opportunities for obtaining products and innovative applications for agriculture and livestock, water treatment and the production, processing, storage and packaging of food. To this end, a wide variety of nanomaterials, ranging from metals and inorganic metal oxides to organic nanomaterials carrying bioactive ingredients are applied. This review shows an overview of current and future applications of nanotechnology in the food industry. Food additives and materials in contact with food are now the main applications, while it is expected that in the future are in the field of nano-encapsulated and nanocomposites in applications as novel foods, additives, biocides, pesticides and materials food contact.

Nanotechnology in food industry II: risk assessment and legislation

Currently, there is increasing use of nanomaterials in the food industry thanks to the many advantages offered and make the products that contain them more competitive in the market. Their physicochemical properties often differ from those of bulk materials, which require specialized risk assessment. This should cover the risks to the health of workers and consumers as well as possible environmental risks. The risk assessment methods must go updating due to more widespread use of nanomaterials, especially now that are making their way down to consumer products. Today there is no specific legislation for nanomaterials, but there are several european dispositions and regulations that include them. This review gives an overview of the risk assessment and the existing current legislation regarding the use of nanotechnology in the food industry.

Facile synthesis of copper-manganese spinel anodes with high capacity and cycling performance for lithium-ion batteries

Copper-manganese spinel containing anodes were synthesized by a facile sol-gel method and evaluated in lithium-ion battery applications for the first time. The synergistic effects between copper-manganese and the aqueous binder (sodium carboxymethyl cellulose) provided a high specific capacity and excellent cycling performance. It was found that the specific capacity of the copper-manganese spinel remained at 608 mAh g⁻¹ after 100 cycles at a current density of 200 mA g⁻¹. Furthermore, a relatively high reversible capacity of 278 mAh g⁻¹ could be obtained at a current density of 2000 mA g⁻¹, indicating a good rate capability. These studies suggest that copper-manganese spinel is a promising material for lithium-ion battery applications due to a combination of good electrochemical performance and low cost.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters.

Encapsulation of ascorbic acid promotes the reduction of Maillard reaction products in UHT milk

The presence of amino groups and carbonyls renders fortified milk with ascorbic acid particularly susceptible to the reduction of available lysine and to the formation of Maillard reaction products (MRPs), as Nε-(Carboxyethyl)-L-lysine (CEL), Nε-(Carboxymethyl)-L-lysine (CML), Amadori products (APs) and off-flavors. A novel approach was proposed to control the Maillard reaction (MR) in fortified milk: ascorbic acid was encapsulated in a lipid coating and the effects were tested after a lab scale UHT treatment. Encapsulation promoted a delayed release of ascorbic acid and a reduction in the formation of MRPs. Total lysine increased up to 45% in milk with encapsulated ascorbic acid, while reductions in CML, CEL and furosine ranged from 10% to 53% compared with control samples. The effects were also investigated towards the formation of amide-AGEs (advanced glycation end products) by high resolution mass spectrometry (HRMS) revealing that several mechanisms coincide with the MR in the presence of ascorbic acid (AA).

Quitosana na indução de resistência ao tombamento de plântulas de espécies olerícolas e no controle de fitopatógenos in vitro

Induction of resistance is defined as the activation of a state of resistance against diseases which is induced systemically in plants by the use of biotic or abiotic agents without any modification of the plant genome, occurring non-specific way, by activating genes coding for various plant defense responses. Chitosan is a polymer derived from the deacetylation of chitin, which is found in large quantities in crustacean shell, and studied with the potential to control plant pathogens, both by its direct fungistatic action, as the ability to induce protection of plants, indicating the presence of molecules of elicitoras characteristics. Three experiments with objective of evaluating the potential of chitosan in the seedling resistance induction were developed, beet (Beta vulgaris) seeds, cucumber (Cucumis sativus) seeds and tomato (Solanum lycopersicum) seeds, and the control of Fusarium sp., Rhizoctonia solani K¨uhn e Pythium sp. in vitro conditions. The experimental design was completely randomized, with four replications. Beet seeds, tomato and cucumber were submerged in chitosan solution for 20 minutes, in concentrations of 0.25, 0.5, 1 and 2% in the control and distilled water. Seeds were sown in trays containing Plantmax Florestalr substrate sterilized and inoculated with Fusarium sp., Rhizoctonia solani K¨unh and Pythium sp., respectively for the three cultures. The experiment was conducted for 14 days in growth chamber with controlled temperature (25 C 2 C), light (12 hour photoperiod) and humidity (70% 10%). The evaluations were seed emergency, seedling damping-off, seedling length, fresh weight and activity of the enzymes phenylalanine amˆonia-liase (PAL), chitinase and b-1,3-glucanase. It was also rated the mycelial growth of Fusarium sp., Pythium sp. and R. solani on P.D.A. (Potato-Dextrose and Agar) culture medium containing chitosan at the same concentrations evaluated in seeds. For beet growing, seed treatment with chitosan presented higher emergence and the length of the seedlings, and reduced the percentage of tipping. Treatment with chitosan activated the systemic acquired resistance with expression of chitinase and b-1,3-glucanase enzymes. For the tomato crop in chitosan concentration of 0.25% favored the emergency of seedlings, reduced the incidence of tipping and activated the PAL enzymes, chitinase and b-1,3-glucanase. In cucumber on the concentration of up 0.5% favored seedlings emergence and reduces the incidence of tipping. Chitosan activated the PAL enzymes and b-1,3-glucanase. Chitosan also presented fungistatic action on the initial growth of Pythium sp. and R. solani in vitro conditions, however, such action did not prevail until the end of the experiment. To Fusarium sp. the concentration of chitosan resulted in the reduction of mycelial growth in vitro.

Selluloosamembraanien kehittäminen ja testaus

Tämän työn tavoitteena oli selvittää, kuinka selluloosan lisääminen vaikuttaa polysulfonirunkoisiin membraaneihin. Lisäksi työssä selvitettiin selluloosamembraanien modifiointia kitosaanilla ja bentoniitilla. Työssä muodostettiin membraanit faasi-inversiotekniikalla. Selluloosamembraanien valmistuksessa jauhettu selluloosa liuotettiin ioniseen nesteeseen. Sekä polysulfonista että selluloosasta valmistetuille membraaneille määritettiin puhdasvesivuot ja retentiot. Retention määrittämiseen käytettiin malliaineena dekstraanin vesiliuosta. Lisäksi määriteltiin polysulfonipohjaisten membraanien hydrofiilisyys tutkimalla membraanien pintojen ja vesipisaroiden välisiä kontaktikulmia. Polysulfonimembraaneihin lisätyn selluloosan havaittiin pienentävän puhdasvesivuota ja kasvattavan hydrofiilisyyttä mitä enemmän selluloosaa oli membraanimatriisissa. Kaikkien selluloosalla modifioitujen membraanien retentiot olivat suurempia kuin modifioimattoman polysulfonimembraanin. Kitosaanilla modifioitujen selluloosamembraanien valmistus ei onnistunut johtuen luultavasti kitosaanin liian suuresta partikkelikoosta. Bentoniitilla modifioitujen membraanien vuot olivat merkittävästi suuremmat sekä niiden retentiot pienemmät verrattuna modifioimattomaan selluloosamembraaniin. Tämä johtui luultavasti siitä, että bentoniitin lisääminen aiheutti membraanirakenteeseen reikiä.