Phagocyte oxidation of phospholipids: comparison of hydroperoxide, chlorohydrin and epoxyisoprostane formation by LC-MS

Phagocytic cells produce a variety of oxidants as part of the immune defence, which react readily both with proteins and lipids, and could contribute to the oxidation of low density lipoprotein in atherosclerosis. We have investigated the oxidation of phospholipid vesicles by isolated human polymorphonuclear and mononuclear leukocytes, to provide a model of lipid oxidation in the absence of competing protein. PMA-stimulated cells were incubated with phospholipid vesicles contammg dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC), palmitoyl-arachidonoyl phosphatidylcholine (PAPC), and stearoyl-oleoyl phosphatidylcholine (SOPC), before extraction of the lipids for analysis by HPLC coupled to electrospray mass spectrometry. In this system, oxidized phosphatidylcholines elute earlier than the native lipids owing to their decreased hydrophobicity, and can be identified according to their molecular mass. The formation of monohydroperoxides of P APC was observed routinely, together with low levels of hydroxides, but no chlorohydrin derivatives of P APC or SOPC were detected. However, the major oxidized product occurred at 828 m/z, and was identified as I-palmitoyl-2-(5,6-epoxyisoprostane E2)-sn-glycero-3-phosphocholine. These results show that phagocytes triggered by PMA cause oxidative damage to lipids predominantly by free radical mechanisms, and that electrophilic addition involving HOCl is not a major mechanism of attack. The contribution of myeloperoxidase and metal ions to the oxidation process is currently being investigated, and preliminary data suggest that myeloperoxidase-derived oxidants are responsible for the epoxyisoprostane phospholipid formation. The identification of an epoxyisoprostane phospholipid as the major product following phagocyte-induced phospholipid oxidation is novel and has implications for phagocyte involvement in atherogenesis.

Biomimetic synthetic lubricants (Biosurfactants)

Poly(styrene-co-maleic anhydride) (PSMA) based copolymers are known to undergo conformational transition in response to environmental stimuli. This smart behaviour makes it possible to mimic the behaviour of native apoproteins. The primary aim of this study was to develop a better understanding of the structure-property relationships of various PSMA-based copolymers sought. The work undertaken in this thesis has revealed that the responsive behaviour of PSMA-based copolymers can be tailored by varying the molecular weight, hydrophobic (styrene) and hydrophilic (maleic acid) balance, and more so in the presence of additional hydrophobic, mono-partial ester moieties. Novel hydrophilic and hydrophobic synthetic surfactant protein analogues have successfully been prepared. These novel lipid solubilising agents possess a broad range of HLB (hydrophilic-lipophilic balance) values that have been estimated. NMR spectroscopy was utilised to confirm the structures for PSMA-based copolymers sought and proved useful in furthering understanding of the structure-property relationships of PSMA-based copolymers. The association of PSMA with the polar phospholipid, 2-dilauryl-sn-glycero-3- phosphocholine (DLPC) produces polymer-lipid complexes analogous to lipoprotein assemblies present in the blood plasma. NMR analysis reveals that the PSMA-based copolymers are not perfectly alternating. Regio-irregular structures, atactic and random monomer sequence distribution have been identified for all materials studied. Novel lipid solubilising agents (polyanionic surfactants) have successfully been synthesised from a broad range of PSMA-based copolymers with desired estimated HLB values that interact with polar phospholipids (DLPC/DPPC) uniquely. Very low static and dynamic surface tensions have been observed via the du Noϋy ring method and Langmuir techniques and correlate well with the estimated HLB values. Synthetic protein-lipid analogues have been successfully synthesised, that mimic the unique surface properties of native biological lubricants without the use of solvents. The novel PSMA-DLPC complexes have successfully been combined with hyaluronan (hyaluronic acid, HA). Today, the employment of HA is economically feasible, because it is readily available from bacterial fermentation processes in a thermally stable form - HyaCare®. The work undertaken in this thesis highlights the usage of HA in biolubrication applications and how this can be optimised and thus justified by carefully selecting the biological source, concentration, molecular weight, purity and most importantly by combining it with compatible boundary lubricating agents (polar phospholipids). Experimental evidence supports the belief that the combined HA and PSMA-DLPC complexes provide a balance of rheological, biotribological and surface properties that are composition dependent, and show competitive advantage as novel synthetic biological lubricants (biosurfactants).

Development of photosensitive liposomes for the controlled release of drugs

The facility to controlled triggered release from a “cage” system remains a key requirement for novel drug delivery. Earlier studies have shown that Bis-Azo PC based photosensitive liposomes are beneficial for drug delivery. Thus, the aim of this project was to develop photosensitive liposomes that can be used for the controlled release of drugs through UV irradiation, particularly therapeutic agents for the treatment of psoriasis. Bis-Azo PC was successfully synthesized and incorporated into a range of liposomal formulations, and these liposomes were applied for the controlled release of BSA-FITC. Bis-Azo PC sensitized liposomes were prepared via interdigitation fusion method. IFV containing optimum cholesterol amount in terms of protein loading, stability and photo-trigger release of protein was investigated. Further studies investigated the stability and triggered release of the HMT from IFV. Finally, permeation behavior of HMT and HMT-entrapped IFV through rat skin was examined using Franz cell. Results from protein study indicated that the stable entrapment of the model protein was feasible as shown through fluorescence spectroscopy and maximum of 84% protein release from IFV after 12 min of UV irradiation. Moreover, stability studies indicated that IFV were more stable at 4 0C as compared to 25 0C. Hence, DPPC:Chol:Bis-Azo PC (16:2:1) based IFV was chosen for the controlled release of HMT and these studies exhibited that photo-trigger release and stability data of HMT-entrapped IFV are in line with the protein results. Franz cell work inferred that HMT-entrapped IFV attributed to slower skin permeation as compared to HMT. CLSM also demonstrated that HMT can be used as a fluorescent label for the in vitro skin study. Overall, the work highlighted in this thesis has given useful insight into the potentials of Bis-Azo PC based IFV as a promising carrier for the treatment of psoriasis.

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.

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.