Periodically Grafted Amphiphilic Copolymers: Effects of Steric Crowding and Reversal of Amphiphilicity

Two series of periodically clickable polyesters were prepared; one of them carries alkylene segments along its backbone, whereas the other carries poly(ethylene glycol) (PEG) segments. These polyesters were clicked with either MPEG-350 azide or docosyl (C22) azide to yield periodically grafted amphiphilic copolymers (PGACs) carrying either flexible hydrophilic or crystallizable hydrophobic backbone segments. The immiscibility between hydrocarbon and PEG segments causes both of these systems to fold in either a zigzag or hairpin-like conformation; the hairpin-like conformation appears to be preferred when flexible PEG segments are present in the backbone. The folded chains further reorganize in the solid state to develop a lamellar morphology that permits the collocation of the PEG and hydrocarbon (HC) segments within alternate domains; evidence for the self-segregation was gained from DSC, SAXS, and AFM studies. SAXS studies revealed the formation of an extended lamellar structure, whereas AFM images showed uniform layered morphology with layer heights that matched reasonably well with the interlamellar spacing obtained from the SAXS study. Labeling One representative PGAC, carrying crystallizable long alkylene segments in the backbone and pendant PEG-350 side chains, with a small mole fraction of pyrene fluorophore permitted the examination of the conformational transition that occurs upon going from a good to a poor solvent; this single-chain folded conformation, we postulate, is the intermediate that organizes into the lamellar morphology.

Synthesis of discrete allyl-functional polyethylene glycol for efficient hydrophilization of dihydr (polydimethylsiloxane)

Amphiphilic poly(ethylene glycol)-block-pol (dimethylsiloxane)-block-poly(ethylene glycol)(PEG-block-PDMS block-PEG) triblock copolymers have been successfully prepared via hydrosilylation using discrete and polydisperse PEG of various chain lengths. Facile synthesis of discrete PEG (dPEG) is achieved via systematic tosylation and etherification of lower glycols. Amphiphilicity of the dPEG block-PDMS-block-dPEG triblock copolymer is illustrated by dynamic light scattering (DLS) and measurement of the critical micelle concentration (CMC).

Characterization of the interactions of a polycationic, amphiphilic, terminally branched oligopeptide with lipid A and lipopolysaccharide from the deep rough mutant of Salmonella minnesota

The lipid A and lipopolysaccharide (LPS) binding and neutralizing activities of a synthetic, polycationic, amphiphilic peptide were studied. The branched peptide, designed as a functional analog of polymyxin B, has a six residue hydrophobic sequence, bearing at its N-terminus a penultimate lysine residue whose alpha- and epsilon-amino groups are coupled to two terminal lysine residues. In fluorescence spectroscopic studies designed to examine relative affinities of binding to the toxin, neutralization of surface charge and fluidization of the acyl domains, the peptide was active, closely resembling the effects of polymyxin B and its nonapeptide derivative; however, the synthetic peptide does not induce phase transitions in LPS aggregates as do polymyxin B and polymyxin B nonapeptide. The peptide was also comparable with polymyxin B in its ability to inhibit LPS-mediated IL-l and IL-6 release from human peripheral blood mononuclear cells. The synthetic compound is devoid of antibacterial activities and did not induce conductance fluxes in LPS-containing asymmetric planar membranes. These results strengthen the premise that basicity and amphiphilicity are necessary and sufficient physical properties that ascribe endotoxin binding and neutralizing activities, and further suggest that antibacterial/membrane perturbant and LPS neutralizing activities are dissociable, which may be of value in designing LPS-sequestering agents of low toxicity.

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

Axe et rotaxane parapluie : vers de nouveaux transporteurs transmembranaires de chlorures et de médicaments cycliques

La membrane cellulaire est principalement une bicouche phospholipidique constituant une barrière qui régule les échanges entre la cellule et son environnement. Son intérieur hydrophobe empêche le passage d’espèces hydrophiles, chargées, de grande masse moléculaire et polaires, qui sont généralement transportées par des protéines à travers la bicouche. Dans certains cas de systèmes défectueux (e.g. les canalopathies), l’équilibre des concentrations en ions à l’intérieur et à l’extérieur des cellules est perturbé et les cellules sont compromises. C’est pourquoi le développement de transporteurs transmembranaires synthétiques est nécessaire. De nombreux travaux ont été faits dans le développement de transporteurs synthétiques d’anions (particulièrement du chlorure). Dans cette thèse, nous présentons nos travaux sur un nouveau transporteur d’anion appelé axe parapluie, capable de changer de conformation dépendamment de la polarité de son environnement. Dans un premier temps, nous avons conçu le design, puis synthétisé ces axes parapluie qui montrent une importante activité en tant que transporteur de chlorures. Ces composés réunissent deux concepts : - Le parapluie, constitué d’acides biliaires amphiphiles (une face hydrophile, une face hydrophobe). La flexibilité des articulations combinée à la grande surface des acides choliques permettent d’empêcher les interactions défavorables entre les parties hydrophiles et hydrophobes, ce qui facilite l’insertion dans la bicouche. - Un site ammonium secondaire en tant que site de reconnaissance, capable de former des ponts hydrogène avec des ions chlorure. De plus, l’axe peut complexer une roue de type éther couronne pour former un pseudo-rotaxane ou rotaxane parapluie ce qui résulte en l’inhibition partielle de leurs propriétés de transport. Ceci nous mène au second objectif de cette thèse, le développement d’un nouveau moyen de transport pour les médicaments cycliques. Certains macrocycles polaires et biologiquement actifs tels que les nactines ont besoin d’atteindre leur objectif à l’intérieur de la cellule pour jouer leur rôle. La membrane cellulaire est alors un obstacle. Nous avons imaginé tirer profit de notre axe parapluie pour transporter un médicament cyclique (en tant que roue d’un rotaxane parapluie). Les assemblages des rotaxanes parapluie furent accomplis par la méthode de clipage. Le comportement de l’axe et du rotaxane parapluie fut étudié par RMN et fluorimétrie. Le mouvement du parapluie passant d’une conformation fermée à exposée dépendamment du milieu fut observé pour le rotaxane parapluie. Il en fut de même pour les interactions entre le rotaxane parapluie et des vésicules constituées de phospholipides. Finalement, la capacité du rotaxane parapluie à franchir la bicouche lipidique pour transporter la roue à l’intérieur de la vésicule fut démontrée à l’aide de liposomes contenant de la α-chymotrypsine. Cette dernière pu cliver certains liens amide de l’axe parapluie afin de relarguer la roue.

Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Développement de nouveaux polymères amphiphiles comme floculants versatiles pour le traitement de l’eau issue de l’industrie pétrolière

Les polymères hydrosolubles sont utilisés dans diverses industries pour permettre la floculation, soit une séparation solide-liquide de particules présentes en suspension colloïdale. Afin de réduire les impacts environnementaux de l’exploitation des sables bitumineux en Alberta, l’industrie est à la recherche de nouveaux moyens et procédés pour traiter les résidus miniers permettant de séparer les matières solides et de récupérer l’eau. L’objectif des travaux présentés est d’améliorer la floculation, la densification et la déshydratation de ces résidus miniers aqueux par de nouveaux polymères synthétiques. Des homopolymères d’acrylamide de différentes masses molaires ont été synthétisés pour étudier l’influence de la masse molaire sur l’efficacité de floculation. Le taux initial de sédimentation (TIS) est le paramètre qui fut utilisé afin de comparer l’efficacité de floculation des différents polymères. Il a été possible de confirmer l’importance de la masse molaire sur l’efficacité de floculation et de déterminer une masse molaire minimale d’environ 6 MDa pour des polyacrylamides, afin d’obtenir l’efficacité de floculation maximale de suspensions colloïdales principalement composées de kaolin. Afin d’étudier l’effet des charges sur l’efficacité de floculation, des polymères anioniques et cationiques ont été synthétisés. Une série de copolymères d’acrylamide et d’acide acrylique ont été synthétisés comme polymères anioniques et deux séries de copolymères ont été synthétisés comme polymères cationiques, soit des copolymères d’acrylamide et de chlorure de diallyldiméthylammonium et des copolymères de 4-vinyl pyridine et de 1-méthyl-4-vinyl pyridinium. Il a été démontré que les charges anioniques des polymères avaient peu d’influence sur l’efficacité de floculation et que leur comportement en présence de sels était différent de ce que prévoyait la littérature. Il a aussi été démontré que les charges cationiques des polymères n’améliorent pas l’efficacité de floculation. Par la suite, des séries de copolymères amphiphiles, avec des monomères d’acrylamide, de N-alkylacrylamides et d’acrylonitrile, ont été synthétisés, pour étudier l’effet du caractère amphiphile sur la déshydratation des résidus miniers. Le pourcentage de déshydratation nette est le paramètre qui fut utilisé afin de comparer l’efficacité de déshydratation des différents polymères. Il a été possible de développer des copolymères amphiphiles qui améliorent l’efficacité de déshydratation par rapport à des homopolymères d’acrylamide. Il ne fut pas possible de déterminer une tendance entre la balance hydrophile/hydrophobe des copolymères amphiphiles et l’efficacité de déshydratation.

Self-assembly of amphiphilic peptides

The self-assembly of amphiphilic peptides is reviewed. The review covers surfactant-like peptides with amphiphilicity arising from the sequence of natural amino acids, and also peptide amphiphiles (PAs) in which lipid chains are attached to hydrophilic peptide sequences containing charged residues. The influence of the secondary structure on the self-assembled structure and vice versa is discussed. For surfactant-like peptides structures including fibrils, nanotubes, micelles and vesicles have been reported. A particularly common motif for PAs is beta-sheet based fibrils, although other structures have been observed. In these structures, the peptide epitope is presented at the surface of the nanostructure, providing remarkable bioactivity. Recent discoveries of potential, and actual, applications of these materials in biomedicine and bionanotechnology are discussed.

Self-assembly of Fmoc-tetrapeptides based on the RGDS cell adhesion motif

Self-assembly in aqueous solution has been investigated for two Fmoc [Fmoc ¼ N-(fluorenyl)-9-methoxycarbonyl] tetrapeptides comprising the RGDS cell adhesion motif from fibronectin or the scrambled sequence GRDS. The hydrophobic Fmoc unit confers amphiphilicity on the molecules, and introduces aromatic stacking interactions. Circular dichroism and FTIR spectroscopy show that the self-assembly of both peptides at low concentration is dominated by interactions among Fmoc units, although Fmoc-GRDS shows b-sheet features, at lower concentration than Fmoc-RGDS. Fibre X-ray diffraction indicates b-sheet formation by both peptides at sufficiently high concentration. Strong alignment effects are revealed by linear dichroism experiments for Fmoc-GRDS. Cryo-TEM and smallangle X-ray scattering (SAXS) reveal that both samples form fibrils with a diameter of approximately 10 nm. Both Fmoc-tetrapeptides form self-supporting hydrogels at sufficiently high concentration. Dynamic shear rheometry enabled measurements of the moduli for the Fmoc-GRDS hydrogel, however syneresis was observed for the Fmoc-RGDS hydrogel which was significantly less stable to shear. Molecular dynamics computer simulations were carried out considering parallel and antiparallel b-sheet configurations of systems containing 7 and 21 molecules of Fmoc-RGDS or Fmoc-GRDS, the results being analyzed in terms of both intermolecular structural parameters and energy contributions.

The role of protein hydrophobicity in thionin–phospholipid interactions: a comparison of α1 and α2-purothionin adsorbed anionic phospholipid monolayers

The plant defence proteins α1- and α2-purothionin (Pth) are type 1 thionins from common wheat (Triticum aestivum). These highly homologous proteins possess characteristics common amongst antimicrobial peptides and proteins, that is, cationic charge, amphiphilicity and hydrophobicity. Both α1- and α2-Pth possess the same net charge, but differ in relative hydrophobicity as determined by C18 reversed phase HPLC. Brewster angle microscopy, X-ray and neutron reflectometry, external reflection FTIR and associated surface pressure measurements demonstrated that α1 and α2-Pth interact strongly with condensed phase 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol) (DPPG) monolayers at the air/liquid interface. Both thionins disrupted the in-plane structure of the anionic phospholipid monolayer, removing lipid during this process and both penetrated the lipid monolayer in addition to adsorbing as a single protein layer to the lipid head-group. However, analysis of the interfacial structures revealed that the α2-Pth showed faster disruption of the lipid film and removed more phospholipid (12%) from the interface than α1-Pth. Correlating the protein properties and lipid binding activity suggests that hydrophobicity plays a key role in the membrane lipid removal activity of thionins.

Spectroscopic signatures of an Fmoc–tetrapeptide, Fmoc and fluorene

The hydrophobic Fmoc [N-(fluorenyl)-9-methoxycarbonyl] unit is often conjugated to peptides to confer amphiphilicity on the molecules, and to introduce the potential for aromatic stacking interactions. In this paper we report spectroscopic data for fluorene, Fmoc and Fmoc conjugated to a small peptide (GRDS in this case) to enable interpretation of spectroscopic data collected on complex structures that can be created with Fmoc–peptide molecules. We report absorbance data (ultra violet and infrared), circular dichroism, linear dichroism (both film and Couette flow orientation) and Raman spectra. Orientations of the Fmoc chromophores in the linear dichroism studies are deduced.

Overcoming interfacial affinity issues in natural fiber reinforced polylactide biocomposites by surface adsorption of amphiphilic block copolymers

This work demonstrates that the interfacial properties in a natural fiber reinforced polylactide biocomposite can be tailored through surface adsorption of amphiphilic and biodegradable poly (ethylene glycol)-b-poly-(L-lactide) (PEG-PLLA) block copolymers. The deposition from solvent solution of PEG-PLLA copolymers onto the fibrous substrate induced distinct mechanisms of molecular organization at the cellulosic interface, which are correlated to the hydrophobic/hydrophilic ratios and the type of solvent used. The findings of the study evidenced that the performance of the corresponding biocomposites with polylactide were effectively enhanced by using these copolymers as interfacial coupling agents. During the fabrication stage, diffusion of the polylactide in the melt induced a change in the environment surrounding block copolymers which became hydrophobic. It is proposed that molecular reorganization of the block copolymers at the interface occurred, which favored the interactions with both the hydrophilic fibers and hydrophobic polylactide matrix. The strong interactions such as intra- and intermolecular hydrogen bonds formed across the fiber−matrix interface can be accounted for the enhancement in properties displayed by the biocomposites. Although the results reported here are confined, this concept is unique as it shows that by tuning the amphiphilicity and the type of building blocks, it is possible to control the surface properties of the substrate by self-assembly and disassembly of the amphiphiles for functional materials.

A simple and effective method to ameliorate the interfacial properties of cellulosic fibre based bio-composites using poly (ethylene glycol) based amphiphiles

In order to overcome interfacial incompatibility issues in natural fibre reinforced polymer bio-composites, surface modifications of the natural fibres using complex and environmentally unfriendly chemical methods is necessary. In this paper, we demonstrate that the interfacial properties of cellulose-based bio-composites can be tailored through surface adsorption of polyethylene glycol (PEG) based amphiphilic block copolymers using a greener alternative methodology. Mixtures of water or water/acetone were used to form amphiphilic emulsions or micro-crystal suspensions of PEG based amphiphilic block copolymers, and their deposition from solution onto the cellulosic substrate was carried out by simple dip-coating. The findings of this study evidence that, by tuning the amphiphilicity and the type of building blocks attached to the PEG unit, the flexural and dynamic thermo-mechanical properties of cellulose-based bio-composites comprised of either polylactide (PLA) or high density polyethylene (HDPE) as a matrix, can be remarkably enhanced. The trends, largely driven by interfacial effects, can be ascribed to the combined action of the hydrophilic and hydrophobic components of these amphiphiles. The nature of the interactions formed across the fibre-matrix interface is discussed. The collective outcome from this study provides a technological template to significantly improve the performance of cellulose-based bio-composite materials.

Photodynamic Efficiency of Cationic meso-Porphyrins at Lipid Bilayers: Insights from Molecular Dynamics Simulations

Porphyrin derivatives have applications as photoactive drugs in photodynamic therapy. However, little is known about their interactions with phospholipid membranes at the molecular level. We employed molecular dynamics simulations to model the binding between a series of cationic meso-(N-methyl-4-pyridinium)phenylporphyrins and anionic phosphatidylglycerol lipid bilayers. This was done in the presence of molecular oxygen within the membrane. The ability of various porphyrins to cause photodamage was quantified in terms of their immersion depth and degree of exposition to a higher oxygen concentration inside the membrane. Simulations showed that the photodynamic efficiency could be improved as the number of hydrophobic phenyl substituents attached to the porphyrinic ring increased. In the specific case of porphyrins containing two hydrophobic and two charged substituents, the cis isomer was significantly more efficient than the trans. These results correlate well with previous experimental observations. They highlight the importance of both the total charge and amphiphilicity of the photosensitizer for its performance in photodynamic therapy.