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.

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.

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

Fabrication of fibril like aggregates by self-assembly of block copolymer mixtures via interpolymer hydrogen bonding

This paper describes the formation of fibril like aggregates from the self-assembly of block copolymer mixture (polystyrene-b-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) and polystyrene-b-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA)) via interpolymer hydrogen bonding in nonselective solvent. The hydrogen bonding between P4VP and PAA in chloroform leads to the formation of complex. When all the pyridine units in P4VP were all hydrogen bonded to acrylic acid in PAA, the formed complex is insoluble, resulting in the formation of spherical micellar aggregates and nanorods.

Prostate cancer cell-specific VEGF siRNA delivery system using cell targeting peptide conjugated polyplexes

A polymeric gene carrier was developed to deliver vascular endothelial growth factor (VEGF) small interfering RNA (siRNA) for prostate cancer cells in a target-specific manner. Prostate cancer-binding peptide (PCP) was conjugated with polyethylenimine (PEI) via a poly(ethylene glycol) (PEG) linker (PEI-PEG-PCP). The PEI-PEG-PCP conjugate could effectively condense siRNA to form stable polyelectrolyte complexes (polyplexes) with an average diameter of approximately 150 nm in an aqueous solution. VEGF siRNA/PEI-PEG-PCP polyplexes exhibited significantly higher VEGF inhibition efficiency than PCP-unmodified polycationic carriers (PEI-PEG or PEI) in human prostate carcinoma cells (PC-3 cells). The enhanced gene silencing activity of VEGF siRNA/PEI-PEG-PCP was maintained even under serum conditions, owing to the steric stabilization of the polyplexes with hydrophilic PEG grafts. Confocal microscopic studies revealed that the siRNA/PEI-PEG-PCP polyplexes were delivered into PC-3 cells in a PCP ligand-specific manner.

Synthese und Charakterisierung von polymerbasierten Trägersystemen für biomedizinische Anwendungen

Polymer-Therapeutika spielen im Bereich der Arzneimittelforschung eine immerrngrößere Rolle. Benötigt werden dafür Trägersysteme für die gewünschten Wirkstoffe.rnDurch den Einsatz von wasserlöslichen biokompatiblen Polymeren werden mehrerernentscheidende Vorteile erhalten. Beispielsweise verlängert sich durch die höherernMolmasse die Zirkulationszeit im Blutkreislauf. Zudem ermöglicht die Anbindung vonrnTargetmolekülen den gezielten Wirkstofftransport zum Zielort.rnDie vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Charakterisierung von polymerbasiertenrnTrägersystemen für biomedizinische Anwendungen.rnAls erstes Teilprojekt wurde die Synthese einer Polymerbürste gewählt, derenrnSeitenketten aus Polymer-Oligonucleotid (ODN)-Konjugaten bestehen. Als Polymerrnwurde Poly(N-Isopropylacrylamid) gewählt, welches per RAFT-Polymerisationrnsynthetisiert wurde. Die Bürste sollte mittels „Grafting Through“-Technik hergestelltrnwerden. Dafür wurden zuerst das Polymer-Oligonucleotid-Konjugat und darausrnanschließend das entsprechende Makromonomer gebildet. Die Synthese undrnCharakterisierung des Konjugats sowie des Makromonomers wurden erfolgreichrndurchgeführt, jedoch war die Aufreinigung des Makromonomers nicht möglich.rnIm zweiten Teilprojekt war das Ziel Polyion-Komplex-Mizellen als Trägersystemernherzustellen. Benötigt wurden dazu ein Polymer bestehend aus einem kationischenrnund einem biokompatiblen Block sowie eine ODN-Sequenz zur Komplexierung desrnkationischen Blocks. Im ersten Ansatz wurde als Polymerisationsmethode die RAFTPolymerisationrnund Mono-N-boc-1,3-diaminopropanmethylmethacrylat als kationischesrnMonomer sowie α- bzw. ε-Lysinmethylmethacrylat als zwitterionischesrnMonomer verwendet. Jedoch war die Herstellung der Blockcopolymere nicht möglich.rnIm zweiten Ansatz wurde deshalb Poly-2-oxazolin als biokompatibler Block gewählt.rnMit Poly-L-lysin als kationischen Block und CpG war eine Bildung und Charakterisierungrnvon Polyion-Komplex-Mizellen in 15mM PBS-Puffer möglich.rnIm dritten Teilprojekt wurden biomedizinisch relevante Verbindungen mittelsrnkupferfreier Clickchemie an eine ELP-Bürste gebunden und charakterisiert.

Interplay between multiple length and time scales in complex chemical systems

Processes in complex chemical systems, such as macromolecules, electrolytes, interfaces, micelles and enzymes, can span several orders of magnitude in length and time scales. The length and time scales of processes occurring over this broad time and space window are frequently coupled to give rise to the control necessary to ensure specificity and the uniqueness of the chemical phenomena. A combination of experimental, theoretical and computational techniques that can address a multiplicity of length and time scales is required in order to understand and predict structure and dynamics in such complex systems. This review highlights recent experimental developments that allow one to probe structure and dynamics at increasingly smaller length and time scales. The key theoretical approaches and computational strategies for integrating information across time-scales are discussed. The application of these ideas to understand phenomena in various areas, ranging from materials science to biology, is illustrated in the context of current developments in the areas of liquids and solvation, protein folding and aggregation and phase transitions, nucleation and self-assembly.

Enantiomeric PLA-PEG block copolymers and their stereocomplex micelles used as rifampin delivery

A novelty approach to self-assembling stereocomplex micelles by enantiomeric PLA-PEG block copolymers as a drug delivery carrier was described. The particles were encapsulated by enantiomeric PLA-PEG stereocomplex to form nanoscale micelles different from the microspheres or the single micelles by PLLA or PDLA in the reported literatures. First, the block copolymers of enantiomeric poly(L-lactide)-poly(ethylene-glycol) (PLLA-PEG) and poly(D-lactide)-poly(ethylene-glycol) (PDLA-PEG) were synthesized by the ring-opening polymerization of L-lactide and D-lactide in the presence of monomethoxy PEG, respectively. Second, the stereocomplex block copolymer micelles were obtained by the self-assembly of the equimolar mixtures of enantiomeric PLA-PEG copolymers in water. These micelles possessed partially the crystallized hydrophobic cores with the critical micelle concentrations (cmc) in the range of 0.8-4.8 mg/l and the mean hydrodynamic diameters ranging from 40 to 120 nm. The micelle sizes and cmc values obviously depended on the hydrophobic block PLA content in the copolymer.Compared with the single PLLA-PEG or PDLA PEG micelles, the cmc values of the stereocomplex micelles became lower and the sizes of the stereocomplex micelles formed smaller. And lastly, the stereocomplex micelles encapsulated with rifampin were tested for the controlled release application.

Purification, crystallization and preliminary X-ray diffraction studies of a complex between G protein-coupled receptor kinase 2 and Gbeta1gamma2.

G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2) phosphorylates activated G protein-coupled receptors (GPCRs), which ultimately leads to their desensitization and/or downregulation. The enzyme is recruited to the plasma membrane via the interaction of its carboxyl-terminal pleckstrin-homology (PH) domain with the beta and gamma subunits of heterotrimeric G proteins (Gbetagamma). An improved purification scheme for GRK2 has been developed, conditions under which GRK2 forms a complex with Gbeta(1)gamma(2) have been determined and the complex has been crystallized in CHAPS detergent micelles. Crystals of the GRK2-Gbetagamma complex belong to space group C2 and have unit-cell parameters a = 187.0, b = 72.1, c = 122.0 A, beta = 115.2 degrees. A complete data set has been collected to 3.2 A resolution with Cu Kalpha radiation.

Imitating micelles as a way to control coordination self-assembly: cage-polymer switching directed rationally by solvent polarity or pH

Disguising a metal complex as a micelle by using amphiphilic phosphine ligands enables it to switch between a coordination polymer and a discrete cage in response to solvent polarity or pH; this medium-dependent behaviour of the complex is rational because it parallels that of true micelles.

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.

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.

Hyperbranched polyether polyols as building blocks for complex macromolecular architectures

The present thesis deals with the development of new branched polymer architectures containing hyperbranched polyglycerol. Materials investigated include hyperbranched oligomers, hyperbranched polyglycerols containing functional initiator-cores at the focal point, well-defined linear-hyperbranched block copolymers and also negatively charged hyperbranched polyelectrolytes.rnHyperbranched oligoglycerols (DPn = 7 and 14) have been synthesized for the first time. The materials show narrow polydispersity (Mw/Mn ca. 1.45) and a very low content in cyclic homopolymers. 13C NMR evidences the dendritic structure of the oligomers and the DB could be calculated (44% and 52%). These new oligoglycerols were compared with the industrial products obtained by polycondensation which exhibit narrow polydispersity (Mw/Mn<1.3) butrnmultimodal distribution in SEC. Detailed 13C NMR and Maldi-ToF studies reveal the presence of branched units and cyclic compounds. In comparison, the hyperbranched oligoglycerols comprise a very low proportion of cyclic homopolymer which render them very interesting materials for biomedical applications for example.rnThe site isolation of the core moiety in dendritic structure offers intriguing potential with respect to peculiar electro-optical properties. Various initiator-cores (n-alkyl amines, UVabsorbing amines and benzophenone) for the ROMBP of glycidol have been tested. The bisglycidolized amine initiator-cores show the best control over the molecular weight and the molecular weight distribution. The photochemical analyses of the naphthalene containingrnhyperbranched polyglycerols show a slight red shift, a pronounced hypochromic effect (decrease of the intensity of the band) compared with the parent model compound and the formation of a relative compact structure. The benzophenone containing polymers adopt an open structure in polar solvents. The fluorescence measurements show a clear “dendritic effect” on the fluorescence intensities and the quantum yield of the encapsulated benzophenone.rnA convenient 3-step strategy has been developed for the preparation of well-defined amphiphilic, linear-hyperbranched block copolymers via hypergrafting. The procedure represents a combination of carbanionic polymerization with the alkoxide-based, controlled ring-opening multibranching polymerization of glycidol. Materials consisting of a polystyrene linear block and a hyperbranched polyglycerol block exhibit narrow polydispersity (1.01-1.02rnfor 5.4% to 27% wt. PG and 1.74 for 52% wt. PG) with a high grafting efficiency. The strategy was also extended to materials with a linear polyisoprene block.rnDetailed investigations of the solution properties of the block copolymers with linear polystyrene blocks show that block copolymer micelles are stabilized by the highly branched block. The morphology of the aggregates is depending on the solvent: in chloroform monodisperse spherical shape aggregates and in toluene ellipsoidal aggregates are formed. On graphite these aggregates show interesting features, giving promising potential applications with respect to the presence of a very dense, functional and stable hyperbranched block.rnThe bulk morphology of the linear-hyperbranched block copolymers has been investigated. The materials with a linear polyisoprene block only behave like complex liquids due to the low Tg and the disordered nature of both components. For the materials with polystyrene, only the sample with 27% wt. hyperbranched polyglycerol forms some domains showing lamellae.rnThe preparation of hyperbranched polyelectrolytes was achieved by post-modification of the hydroxyl groups via Michael addition of acrylonitrile, followed by hydrolysis. In aqueous solution materials form large aggregates with size depending on the pH value. After deposition on mica the structures observed by AFM show the coexistence of aggregates andrnunimers. For the low molecular weight sample (PG 520 g·mol-1) extended and highly ordered terrace structures were observed. Materials were also successfully employed for the fabrication of composite organic-inorganic multilayer thin films, using electrostatic layer-bylayer self-assembly coupled with chemical vapor deposition.