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

Capillary flow behavior of worm-like micelles studied by small-angle X-ray scattering and small angle light scattering

A novel capillary flow device has been developed and applied to study the orientation of worm-like micelles, among other systems. Small-angle X-ray scattering (SAXS) data from micelles formed by a Pluronic block copolymer in aqueous salt solution provides evidence for the formation of worm-like micelles, which align under flow. A transition from a rod-like form factor to a less persistent conformation is observed under flow. Flow alignment of worm-like micelles formed by the low molar mass amphiphile system cetyl pyridinium chloride+sodium salicylate is studied for comparative purposes. Here, inhomogenous flow at the micron scale is revealed by streaks in the small-angle light scattering pattern perpendicular to the flow direction. Copyright (c) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Impact of saturated, polyunsaturated and monounsaturated fatty acid-rich micelles on lipoprotein synthesis and secretion in Caco-2 cells

Meal fatty acids have been shown to modulate the size and composition of triacylglycerol (TAG)-rich lipoproteins influencing the magnitude and duration of the postprandial plasma TAG response. As a result there is considerable interest in the origin of these meal fatty-acid induced differences in particle composition. Caco-2 cells were incubated over 4 days with fatty acid mixtures resembling the composition of saturated (SFA), monounsaturated (MUFA) and polyunsaturated fatty acid (PUFA)-rich meals fed in a previous postprandial study to determine their impact on lipoprotein synthesis and secretion. The MUFA- and PUFA-rich mixtures supported greater intracellular TAG, but not cholesterol accumulation compared with the SFA-rich mixture (P < 0.001). The MUFA-rich mixture promoted significantly greater TAG and cholesterol secretion than the other mixtures and significantly more apolipoprotein B-100 secretion than the PUFA-rich mixture (P < 0.05). Electron microscopy revealed the SFA-rich mixture had led to unfavourable effects on cellular morphology, compared with the unsaturated fatty acid-rich mixtures. Our findings suggest the MUFA-rich mixture, may support the formation of a greater number of TAG-rich lipoproteins, which is consistent with indirect observations from our human study. Our electron micrographs are suggestive that some endocytotic uptake of MUFA-rich taurocholate micelles may promote greater lipoprotein synthesis and secretion in Caco-2 cells.

Molecular dynamics simulations of threadlike cetyltrimethylammonium chloride micelles: effects of sodium chloride and sodium salicylate salts

We use atomistic molecular dynamics simulations to probe the effects of added sodium chloride (NaCl) and sodium salicylate (NaSal) salts on the spherical-to-threadlike micelle shape transition in aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) surfactants. Long threadlike micelles are found to be unstable and break into spherical micelles at low concentrations or NaCl, but remain stable for 20 ns above a threshold value of [NaCl] approximate to 3.0 M, which is about 2.5 times larger than the experimental salt concentration at which the transition between spherical and rodlike micelles occurs. The chloride counterions associate weakly oil the surface of the CTAC micelles with the degree of counterion dissociation decreasing slightly with increasing [NaCl] on spherical micelles, but dropping significantly on the threadlike micelles tit high [NaCl]. This effect indicates that the electrolyte ions drive the micellar shape transition by screening the electrostatic repulsions between the micellar headgroups, The aromatic salicylate counterions, on the other hand, penetrate inside the micelle with their hydrophilic groups staying in the surfactant headgroup region and the hydrophobic groups partially embedded into the hydrophobic core of the micelle. The strong association of the salicylate ions with the surfactant headgroups leads to dense packing of the surfactant molecules, which effectively reduces the surface area per surfactant, and increases intramicellar ordering of the surfactant headgroups, favoring the formation of long threadlike micelles. Simulation predictions of the geometric and electrostatic properties of the spherical and threadlike micelles are in good agreement with experiments.

Puroindoline-a, a lipid binding protein from common wheat, spontaneously forms prolate protein micelles in solution

The self-assembly in solution of puroindoline-a (Pin-a), an amphiphilic lipid binding protein from common wheat, was investigated by small angle neutron scattering, dynamic light scattering and size exclusion chromatography. Pin-a was found to form monodisperse prolate ellipsoidal micelles with a major axial radius of 112 +/- 4.5 A ˚ and minor axial radius of 40.4 +/- 0.18 A ˚ . These protein micelles were formed by the spontaneous self-assembly of 38 Pin-a molecules in solution and were stable over a wide pH range (3.5–11) and at elevated temperatures (20–65 degC). Pin-a micelles could be disrupted upon addition of the non-ionic surfactant dodecyl-b-maltoside, suggesting that the protein self-assembly is driven by hydrophobic forces, consisting of intermolecular interactions between Trp residues located within a well-defined Trp-rich domain of Pin-a.

Mozzarella-type curd made from buffalo, cows’ and ultrafiltered cows’ milk. 2. Physicochemical properties, curd yield and quality, casein fractions & micelles size

Buffalo milk contains (40–60 %) more protein, fat and calcium than cows’ milk. These constituents were enhanced by ultrafiltration (UF) of cows’ milk to give a product with similar levels to those found in the buffalo milk. Mozzarella-type curd was made from buffalo, cows’ and UF cows’ milk to compare the overall curd yield and quality. The curd yield on both dry and wet weight basis, curd moisture content and overall curd fat retention were found to be higher in the UF cows’ milk than for either the buffalo or the cows’ milk preparations. The minimum whey fat losses occurred in the UF cows’ curd when compared to the cows’ and the buffalo curd. The whey protein losses were found to be higher in the UF cows’ curd than those for the buffalo and the cows’ curds. The total mineral content of the curd was also higher in the UF cows’ milk than that found in either the buffalo or the cows’ milk. SEM micrographs showed that casein micelles sizes were different in the two different types of milk. Casein micelles were also observed to be deformed in the UF cows’ milk samples. UF cows’ milk contained higher amounts of both the αs1- and αs2-casein moieties than either the buffalo or the cows’ milk. Buffalo milk was found to contain a higher concentration of β-casein than either the UF cows’ or untreated cows’ milk samples. Gel strength was found to be higher in the resultant buffalo curd than for curds made from either native cows’ milk or those made from UF cows’ milk. The mineral distribution was also different in the three different types of bovine milk, measured by energy-dispersive X-ray (EDX) analysis. Differences in the curd quality observed between the buffalo and the cows’ milk appear to result from the differences in casein composition and overall micelle structure, rather than casein concentration alone.

Self-assembly of a peptide amphiphile: transition from nanotape fibrils to micelles

A thermal transition is observed in the peptide amphiphile C16-KTTKS (TFA salt) from nanotapes at 20 degrees C to micelles at higher temperature (the transition temperature depending on concentration). The formation of extended nanotapes by the acetate salt of this peptide amphiphile, which incorporates a pentapeptide from type I procollagen, has been studied previously [V. Castelletto et al., Chem. Commun., 2010, 46, 9185]. Here, proton NMR and SAXS provide evidence for the TFA salt spherical micelles at high temperature. The phase behavior, with a Krafft temperature separating insoluble aggregates (extended nanotapes) at low temperature from the high temperature micellar phase resembles that for conventional surfactants, however this has not previously been reported for peptide amphiphiles.

Micelles forming biaxial lyotropic nematic phases

The paper by Yu and Saupe on the first biaxial nematic phase created excitement for a number of reasons. Some theories of biaxial phases already existed, but experimental observation was still lacking. The phase was discovered in a lyotropic system with three components, which in theory is difficult. Lyotropic liquid crystals are composed of supramolecular assemblies of amphiphilic molecules, which may change shape and size as a function of concentration and temperature. The experimental phase diagram of the lyotropic biaxial phase was rather complex, with the biaxial region inserted between nematic cylindrical and nematic discotic phases via second-order transitions. In addition, re-entrant behaviour was evident. Saupe investigated further systems experimentally, observing that the biaxial phase might be absent in cases where a direct transition between the cylindrical and discotic phases occurred. He provided a range of theoretical and experimental contributions on the properties of these lyotropics, but was very cautious regarding the detailed amphiphilic assemblies involved. The present paper reviews this area, focusing on proposals for the structure of the micellar assemblies. Emphasis is placed on recent papers which indicate a transformation of the two uniaxial shapes, in mixing conditions, both from the theoretical and the experimental point of view, and to questions still requiring further study.

Effects of Micelles and Vesicles on the Oximolysis of p-Nitrophenyl Diphenyl Phosphate: A Model System for Surfactant-Based Skin-defensive Formulations against Organophosphates

The rates of oximolysis of p-nitrophenyl diphenyl phosphate (PNPDPP) by Acetophenoxime; 10-phenyl-10-hydi-oxyiminodecanoic acid; 4-(9-carboxynonanyl)-1-(9-carboxy-1-hydroyiminononanyl) benzene; 1-dodecyl-2-[(hydroxyimino)methyl]-pyridinium chloride (IV) and N-methylpyridinium-2-aldoxime chloride were determined in micelles of N-hexadecyl-N,N,N-trimethylammonium chloride (CTAC), N-hexadecyl-N,N-dimethylammonium propanesulfonate and dioctadecyldimethylammonium chloride (DODAC) vesicles. The effects of CTAC micelles and DODAC vesicles on the rates of oxymolysis of O,O-Diethyl O-(4-nitrophenyl) phosphate (paraoxon) by oxime IV were also determined. Analysis of micellar and vesicular effects on oximolysis of PNPDPP, using pseudophase or pseudophase with explicit consideration of ion exchange models, required the determination of the aggregate`s effects on the pK(a), of oximes and on the rates of PNPDPP hydrolysis. All aggregates increased the rate of oximolysis of PNPDPP and the results were analyzed quantitatively. In particular, DODAC vesicles catalyzed the reaction and increased the rate of oximolysis of PNPDPP by IV several million fold at pH`s compatible with pharmaceutical formulations. The rate increase produced by DODAC vesicles on the rate of oximolysis paraoxon by IV demonstrates the pharmaceutical potential of this system, since the substrate is used as an agricultural defensive agent and the surfactant is extensively employed in cosmetic formulations. (C) 2008 Wiley-Liss, Inc. and the American Pharmacists Association J Pharm Sci 98:1040-1052, 2009

Conformational Properties of Angiotensin II and Its Active and Inactive TOAC-Labeled Analogs in the Presence of Micelles. Electron Paramagnetic Resonance, Fluorescence, and Circular Dichroism Studies

The interaction between angiotensin II (AII, DRVYIHPF) and its analogs carrying 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl-4-amino-4-carboxylic acid (TOAC) and detergents-negatively charged sodium dodecyl sulfate (SDS) and zwitterionic N-hexadecyl-N,N-dimethyl-3-ammonio-1-propanesulfonate (HPS)-was examined by means of EPR, CD, and fluorescence. EPR spectra of partially active TOAC(1)-AII and inactive TOAC(3)-AII in aqueous solution indicated fast tumbling, the freedom of motion being greater at the N-terminus. Line broadening occurred upon interaction with micelles. Below SDS critical micelle concentration, broader lines indicated complex formation with tighter molecular packing than in micelles. Small changes in hyperfine splittings evinced TOAC location at the micelle-water interface. The interaction with anionic micelles was more effective than with zwitterionic micelles. Peptide-micelle interaction caused fluorescence increase. The TOAC-promoted intramolecular fluorescence quenching was more, pronounced for TOAC(3)-AII because of the proximity between the nitroxide and Tyr(4). CD spectra showed that although both AII and TOAC(1)-AII presented flexible conformations in water, TOAC(3)-AII displayed conformational restriction because of the TOAC-imposed bend (Schreier et al., Biopolymers 2004, 74, 389). In HPS, conformational changes were observed for the labeled peptides at neutral and basic pH. In SDS, all peptides underwent pH-dependent conformational changes. Although the spectra suggested similar folds for All and TOAC(1)-AII, different conformations were acquired by TOAC(3)-AII. The membrane environment has been hypothesized to shift conformational equilibria so as to stabilize the receptor-bound conformation of ligands. The fact that TOAC(3)-AII is unable to acquire conformations similar to those of native AII and partially active TOAC(1)-AII is probably the explanation for its lack of biological activity. (C) 2009 Wiley Periodicals, Inc. Biopolymers (Pept Sci) 92: 525-537, 2009.