Biologically Inspired Design of Protein-Silica Hybrid Nanoparticles for Drug Delivery Applications

The design and application of effective drug carriers is a fundamental concern in the delivery of therapeutics for the treatment of cancer and other vexing health problems. Traditionally utilized chemotherapeutics are limited in efficacy due to poor bioavailability as a result of their size and solubility as well as significant deleterious effects to healthy tissue through their inability to preferentially target pathological cells and tissues, especially in treatment of cancer. Thus, a major effort in the development of nanoscopic drug delivery vehicles for cancer treatment has focused on exploiting the inherent differences in tumor physiology and limiting the exposure of drugs to non-tumorous tissue, which is commonly achieved by encapsulation of chemotherapeutics within macromolecular or supramolecular carriers that incorporate targeting ligands and that enable controlled release. The overall aim of this work is to engineer a hybrid nanomaterial system comprised of protein and silica and to characterize its potential as an encapsulating drug carrier. The synthesis of silica, an attractive nanomaterial component because it is both biocompatible as well as structurally and chemically stable, within this system is catalyzed by self-assembled elastin-like polypeptide (ELP) micelles that incorporate of a class of biologically-inspired, silica-promoting peptides, silaffins. Furthermore, this methodology produces near-monodisperse, hybrid inorganic/micellar materials under mild reaction conditions such as temperature, pH and solvent. This work studies this material system along three avenues: 1) proof-of-concept silicification (i.e. the formation and deposition of silica upon organic materials) of ELP micellar templates, 2) encapsulation and pH-triggered release of small, hydrophobic chemotherapeutics, and 3) selective silicification of templates to potentiate retention of peptide targeting ability.

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.

Design and Implementation of Tools for STM Studies in UHV and at the Solid-Liquid Interface

This thesis presents details of the design and development of novel tools and instruments for scanning tunneling microscopy (STM), and may be considered as a repository for several years' worth of development work. The author presents design goals and implementations for two microscopes. First, a novel Pan-type STM was built that could be operated in an ambient environment as a liquid-phase STM. Unique features of this microscope include a unibody frame, for increased microscope rigidity, a novel slider component with large Z-range, a unique wiring scheme and damping mechanism, and a removable liquid cell. The microscope exhibits a high level of mechanical isolation at the tunnel junction, and operates excellently as an ambient tool. Experiments in liquid are on-going. Simultaneously, the author worked on designs for a novel low temperature, ultra-high vacuum (LT-UHV) instrument, and these are presented as well. A novel stick-slip vertical coarse approach motor was designed and built. To gauge the performance of the motor, an in situ motion sensing apparatus was implemented, which could measure the step size of the motor to high precision. A new driving circuit for stick-slip inertial motors is also presented, that o ffers improved performance over our previous driving circuit, at a fraction of the cost. The circuit was shown to increase step size performance by 25%. Finally, a horizontal sample stage was implemented in this microscope. The build of this UHV instrument is currently being fi nalized. In conjunction with the above design projects, the author was involved in a collaborative project characterizing N-heterocyclic carbene (NHC) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) films. STM was used to characterize Au substrate quality, for both commercial substrates and those manufactured via a unique atomic layer deposition (ALD) process by collaborators. Ambient and UHV STM was then also used to characterize the NHC/Au(111) films themselves, and several key properties of these films are discussed. During this study, the author discovered an unexpected surface contaminant, and details of this are also presented. Finally, two models are presented for the nature of the NHC-Au(111) surface interaction based on the observed film properties, and some preliminary theoretical work by collaborators is presented.

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy as a Probe of the Surface Chemistry of Nanostructured Materials

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is now widely used as a rapid and inexpensive tool for chemical/biochemical analysis. The method can give enormous increases in the intensities of the Raman signals of low-concentration molecular targets if they are adsorbed on suitable enhancing substrates, which are typically composed of nanostructured Ag or Au. However, the features of SERS that allow it to be used as a chemical sensor also mean that it can be used as a powerful probe of the surface chemistry of any nanostructured material that can provide SERS enhancement. This is important because it is the surface chemistry that controls how these materials interact with their local environment and, in real applications, this interaction can be more important than more commonly measured properties such as morphology or plasmonic absorption. Here, the opportunity that this approach to SERS provides is illustrated with examples where the surface chemistry is both characterized and controlled in order to create functional nanomaterials.

Immunoassays, optical and electrochemical immunosensorsfor tetrodotoxin determination in puffer fish samples

Tetrodotoxin (TTX) is a low molecular weight and potent marine neurotoxin which is usually present in some species of puffer fish. TTX selectively binds to voltage-sensitive sodium channels (VSGCs), blocking the influx of sodium into the cell and affecting neural transmission. The bioaccumulation of this toxin in seafood can poses a risk to human safety. With the purpose of achieving cheap, specific and reliable tools to determine TTX in puffer fish samples, a self-assembled dithiol-based immunoassay, an electrochemical immunosensor and an optical Surface Plasmon Resonance (SPR) immunosensor are proposed. The immunoassay for TTX based on the use of dithiols self-assembled on maleimide-plates (mELISA) has been able to detect as low as 2.28 μg/L of TTX. The effect of different puffer fish matrixes on this mELISA has been quantified and the corresponding correction factors have been established. This
mELISA has enabled to establish the cross-reactivity factors for four TTX analogues: 5,6,11-trideoxy-TTX, 5,6,11-trideoxy-4-anhydro-TTX, 11-nor-TTX-6-ol and 5,11-deoxy-TTX. The crossreactivity factors have also been established by the optical SPR immunosensor previously reported, which had a limit of detection (LOD) of 4.27 μg/L. The mELISA and the SPR immunosensor have then been tested with spiked-puffer fish matrixes, providing an effective
LOD of 0.23 and 0.43 mg/kg respectively, well below the limit set in Japan (2 mg/kg). The mELISA and the SPR immunosensor have also been applied to the analysis of naturally contaminated puffer fish samples, providing similar TTXs contents between techniques and also compared to LC-MS/MS. The suitability of these immunochemical techniques has been demonstrated not only for screening purposes, but also for research activities. Currently, given that dithiols could improve the electron transfer and the sensitivity of an electrochemical assay, the mELISA strategy is being transferred to gold electrodes for the electrochemical detection of TTX and the subsequent development of the multiplexed electrochemical immunosensor.

Valves cardiaques par génie tissulaire - Simplification des essais et concept tubulaire

Les substituts valvulaires disponibles actuellement comportent encore plusieurs lacunes. La disponibilité restreinte des allogreffes, les risques de coagulation associés aux valves mécaniques et la durabilité limitée des bioprothèses en tissu animal sont toutes des problématiques que le génie tissulaire a le potentiel de surmonter. Avec la méthode d’auto-assemblage, le seul support des cellules consiste en leur propre matrice extracellulaire, permettant la fabrication d’un tissu entièrement libre de matériau exogène. Ce projet a été précédé par ceux des doctorantes Catherine Tremblay et Véronique Laterreur, ayant respectivement développé une méthode de fabrication de valves moulées par auto-assemblage et une nouvelle version de bioréacteur. Au cours de cette maîtrise, le nouveau bioréacteur a été adapté à une utilisation stérile avec des tissus vivants et la méthode de fabrication de valves moulées a été modifiée puis éprouvée avec la production de 4 prototypes. Ces derniers n’ont pas permis d’obtenir des performances satisfaisantes en bioréacteur, motivant la conception d’une nouvelle méthode. Plutôt que de tenter de répliquer la forme native des valves cardiaques, des études récentes ont suggéré une géométrie tubulaire. Cela permettrait une fabrication simplifiée, une implantation rapide, et un encombrement minimal en vue d’opérations percutanées. Cette approche minimaliste s’accorde bien avec la méthode d’auto-assemblage, qui a déjà été utilisée pour la production de vaisseaux de petits diamètres. Un total de 11 tubes ont été produits par l’enroulement de feuillets fibroblastiques auto-assemblés, puis ont été transférés sur des mandrins de diamètre inférieur, leur permettant de se contracter librement. La caractérisation de deux tubes contrôles a démontré que cette phase de précontraction était bénéfique pour les propriétés du tissu en plus de prévenir la contraction en bioréacteur. Les prototypes finaux pouvaient supporter un écoulement physiologique pulmonaire. Cette nouvelle méthode montre que le procédé d’auto-assemblage a le potentiel d’être utilisé pour fabriquer des valves cardiaques tubulaires.

Channel-forming activity of syringopeptin 25 A in mercury-supported phospholipid monolayers and negatively charged bilayers

Interactions of the cationic lipodepsipeptide syringopeptin 25 A (SP25A) with mercury-supported dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), dioleoylphosphatidylserine (DOPS) and dioeleoylphosphatidic acid (DOPA) self-assembled monolayers (SAMs) were investigated by AC voltammetry in 0.1 M KCl at pH 3, 5.4 and 6.8. SP25A targets and penetrates the DOPS SAM much more effectively than the other SAMs not only at pH 6.8, where the DOPS SAM is negatively charged, but also at pH 3, where it is positively charged just as SP25A. Similar investigations at tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) consisting of a thiolipid called DPTL anchored to mercury, with a DOPS, DOPA or DOPC distal monolayer on top of it, showed that, at physiological transmembrane potentials, SP25A forms ion channels spanning the tBLM only if DOPS is the distal monolayer. The distinguishing chemical feature of the DOPS SAM is the ionic interaction between the protonated amino group of a DOPS molecule and the carboxylate group of an adjacent phospholipid molecule. Under the reasonable assumption that SP25A preferentially interacts with this ion pair, the selective lipodepsipeptide antimicrobial activity against Gram-positive bacteria may be tentatively explained by its affinity for similar protonated amino-carboxylate pairs, which are expected to be present in the peptide moieties of peptidoglycan strands.

SERR spectroelectrochemical study of cytochrome cd1 nitrite reductase co-immobilized with physiological redox partner cytochrome c552 on biocompatible metal electrodes

© 2015 Silveira et al. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

Influence of alkylphosphonic acid grafting on the electronic and magnetic properties of La2/3Sr1/3MnO3 surfaces

Self-assembled monolayers (SAMs) are highly promising materials for molecular engineering of electronic and spintronics devices thanks to their surface functionalization properties. In this direction, alkylphosphonic acids have been used to functionalize the most common ferromagnetic electrode in organic spintronics: La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). However, a study on the influence of SAMs grafting on LSMO electronic and magnetic properties is still missing. In this letter, we probe the influence of alkylphosphonic acids-based SAMs on the electronic and magnetic properties of the LSMO surface using different spectroscopies. We observe by X-ray photoemission and X-ray absorption that the grafting of the molecules on the LSMO surface induces a reduction of the Mn oxidation state. Ultraviolet photoelectron spectroscopy measurements also show that the LSMO work function can be modified by surface dipoles opening the door to both tune the charge and spin injection efficiencies in organic devices such as organic light-emitting diodes.