Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Microfluidics based manufacture of liposomes simultaneously entrapping hydrophilic and lipophilic drugs

Despite the substantial body of research investigating the use of liposomes, niosomes and other bilayer vesicles for drug delivery, the translation of these systems into licensed products remains limited. Indeed, recent shortages in the supply of liposomal products demonstrate the need for new scalable production methods for liposomes. Therefore, the aim of our research has been to consider the application of microfluidics in the manufacture of liposomes containing either or both a water soluble and a lipid soluble drug to promote co-delivery of drugs. For the first time, we demonstrate the entrapment of a hydrophilic and a lipophilic drug (metformin and glipizide respectively) both individually, and in combination, using a scalable microfluidics manufacturing system. In terms of the operating parameters, the choice of solvents, lipid concentration and aqueous:solvent ratio all impact on liposome size with vesicle diameter ranging from ∼90 to 300 nm. In terms of drug loading, microfluidics production promoted high loading within ∼100 nm vesicles for both the water soluble drug (20–25% of initial amount added) and the bilayer embedded drug (40–42% of initial amount added) with co-loading of the drugs making no impact on entrapment efficacy. However, co-loading of glipizide and metformin within the same liposome formulation did impact on the drug release profiles; in both instances the presence of both drugs in the one formulation promoted faster (up to 2 fold) release compared to liposomes containing a single drug alone. Overall, these results demonstrate the application of microfluidics to prepare liposomal systems incorporating either or both an aqueous soluble drug and a bilayer loaded drug.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Deficit of quantal release of GABA in experimental models of temporal lobe epilepsy

Because GABA (gamma-aminobutyric acid) receptor-mediated inhibition controls the excitability of principal neurons in the brain, deficits in GABAergic inhibition have long been favored to explain seizures. In an experimental model of temporal lobe epilepsy, we have identified a deficit of inhibition in presynaptic GABAergic terminals characterized by decreased GABA quantal activity associated with reduced synaptic vesicle density. This decrease in vesicle number primarily seems to affect the reserve pool, rather than the docked or the readily releasable pool.

Functional analysis of Arabidopsis thaliana lesion mimic mutant cfs1 in ESCRT complex-related protein trafficking

The Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT)-complex is composed of four complexes, ESCRT-0-III. They sequentially act on a late endosome to sort mono-ubiquitinated transmembrane proteins into the intralumenal vesicle, forming of a multivesicular body(MVB) that is delivered to vacuole for degradation. In Arabidopsis thaliana, the loss of an ESCRT-I component, elch displays a cytokinesis defect; while a dominant negative expression of an ESCRT-III component results in cell death due to vacuolar loss. In this work, the function of a plant-specific ELCH-interactor, CELL DEATH RELATED FYVE/SYLF DOMAIN CONTAINING 1 (CFS1) and its influences on the ESCRT-complex function are investigated. CFS1 is a phosphatidylinositol-3-phosphate- and actin-binding protein. The cfs1 mutants mimic lesions in the first eldest leaf that propagate to the next eldest one. Genetic analyses have demonstrated that cell death in cfs1 does not require a functional ESCRT-I component; nevertheless, the loss of CFS1 alleviates elchcytokinesis defect, suggesting its influence on the ESCRT-I function. Further analyses reveal that cfs1 accumulates autophagosomes throughout its lifespan due to a decrease in autophagosome degradation, suggesting that as the plant ages, the cumulated autophagosomes falsely trigger effectors-triggered immunity that executes cell death in cfs1. As the ESCRT-complex has been demonstrated to be involved in the delivery of autophagosomes to vacuole and CFS1 homolog, CFS2 reportedly interacts with ATG8, it can be postulated from the results of this work that CFS1 alone or together with CFS2 function in sequestering mature autophagosomes onto MVBs. At the MVBs, the ESCRT-complex then mediates the fusion of autophagosome and MVB for subsequent delivery to vacuole.

Photoactive (supra)molecular devices in double layer membranes

Biological systems are complex and highly organized architectures governed by non-covalent interactions responsible for the regulation of essential tasks in all living organisms. These systems are a constant source of inspiration for supramolecular chemists aiming to design multicomponent molecular assemblies able to perform elaborated tasks, thanks to the role and action of the components that constitute them. Artificial supramolecular systems exploit non-covalent interactions to mimic naturally occurring events. In this context, stimuli-responsive supramolecular systems have attracted attention due to the possibility to control macroscopic effects through modifications at the nanoscale. This thesis is divided in three experimental chapters, characterized by a progressive increase in molecular complexity. Initially, the preparation and studies of liposomes functionalized with a photoactive guest such as azobenzene in the bilayer were tackled, in order to evaluate the effect of such photochrome on the vesicle properties. Subsequently, the synthesis and studies of thread-like molecules comprising an azobenzene functionality was reported. Such molecules were conceived to be intercalated in the bilayer membrane of liposomes with the aim to be used as components for photoresponsive transmembrane molecular pumps. Finally, a [3]rotaxane was developed and studied in solution. This system is composed of two crown ether rings interlocked with an axle containing three recognition sites for the macrocycles, i.e. two pH-switchable ammonium stations and a permanent triazolium station. Such molecule was designed to achieve a change in the ratio between the recognition sites and the crown ethers as a consequence of acid-base inputs. This leads to the formation of rotaxanes containing a number of recognition sites respectively larger, equal or lower than the number of interlocked rings and connected by a network of acid-base reactions.

A membrane process to extract Citrus Lemon derived extracellular vesicles

Extra cellular vesicles are membrane bound and lipid based nano particles having the size range of 30 to 1000 nm released by a plethora of cells. Their prime function is cellular communication but in the recent studies, the potential of these vesicles to maintain physiological and pathological processes as well as their nano-sized constituents opened doors to its applications in therapeutics, and diagnostics of variety of diseases such as cancer. Their main constituents include lipids, proteins, and RNAs. They are categorized into subtypes such as exosomes, micro-vesicles and apoptotic bodies In recent studies, extracellular vesicles that are derived from plants are gaining high regard due to their variety of advantages such as safety, non-toxicity, and high availability which promotes large scale production. EVs are isolated from mammalian and plant cells using multitude of techniques such as Ultracentrifugation, SEC, Precipitation and so on. Due to the variety in the sources as well as shortcomings arising from the isolation method, a scalable and inexpensive EV isolation method is yet to be designed. This study focusses on isolation of EVs from citrus lemon juice through diafiltration. Lemon is a promising source due to its biological properties to act as antioxidant, anticancer, and anti-inflammatory agents. Lemon derived vesicles was proven to have several proteins analogous to mammalian vesicles. A diafiltration could be carried out for successful removal of impurities and it is a scalable, continuous technique with potentially lower process times. The concentration of purified product and impurities are analysed using Size Exclusion Chromatography in analytical mode. It is also considered imperative to compare the results from diafiltration with gold standard UC. BCA is proposed to evaluate total protein content and DLS for size measurements. Finally, the ideal mode of storage of EVs to protect its internals and its structure is analysed with storage tests.