Lamellarin D bioconjugates I: synthesis and cellular internalization of PEG-derivatives

Herein is reported the design and synthesis of poly(ethylene glycol) derivatives of Lamellarin D with the aim of modulating their physicochemical properties, and improving the biological activity. Mono-, di- and tri-PEG conjugates with improved solubility were obtained in 18-57% overall yields from the corresponding partially protected phenolic derivatives of Lamellarin D. Conjugates 1-9 were tested in a panel of three human tumor cell lines (MDA-MB-231 breast, A-549 lung and HT-29 colon) to evaluate their cytotoxicity. Several compounds exhibited enhanced cellular internalization, and more than 85% of the derivatives showed a lower GI50 than Lam-D. Furthermore, cell cycle arrest at G2 phase, and apoptotic cell-death pathways were determined for Lamellarin D and these derivatives.

Lamellarin D bioconjugates II: synthesis and cellular internalization of dendrimer and nuclear location signal derivatives

The design and synthesis of Lamellarin D conjugates with a nuclear localization signal peptide and a poly(ethylene glycol)-based dendrimer are described. Conjugates 1-4 were obtained in 8-84% overall yields from the corresponding protected Lamellarin D. Conjugates 1 and 4 are 1.4 to 3.3-fold more cytotoxic than the parent compound against three human tumor cell lines(MDA-MB-231 breast, A-549 lung, and HT-29 colon). Besides, conjugates 3, 4 showed a decrease in activity potency in BJ skin fibroblasts, a normal cell culture. Cellular internalization was analyzed and nuclear distribution pattern was observed for 4, which contains a nuclear localization signalling sequence.

Lamellarin D bioconjugates I: synthesis and cellular internalization of PEG-derivatives

Herein is reported the design and synthesis of poly(ethylene glycol) derivatives of Lamellarin D with the aim of modulating their physicochemical properties, and improving the biological activity. Mono-, di- and tri-PEG conjugates with improved solubility were obtained in 18-57% overall yields from the corresponding partially protected phenolic derivatives of Lamellarin D. Conjugates 1-9 were tested in a panel of three human tumor cell lines (MDA-MB-231 breast, A-549 lung and HT-29 colon) to evaluate their cytotoxicity. Several compounds exhibited enhanced cellular internalization, and more than 85% of the derivatives showed a lower GI50 than Lam-D. Furthermore, cell cycle arrest at G2 phase, and apoptotic cell-death pathways were determined for Lamellarin D and these derivatives.

Requirements for Staphylococcus aureus in vitro cellular internalization

Staphylcoccus aureus is a prokaryotic organism capable of causing numerous superficial and severe human infections. Adhesion of S. aureus to host tissues or cells is believed to be a crucial event in S. aureus infections. Subsequently, S. aureus can seed into the bloodstream resulting in metastasis of the infection. Several reports show that S. aureus can be internalized by non-professional phagocytes, a process which has been proposed to be important in S. aureus dissemination. An intracellular residence has also been proposed to provide safe harbor to reservoirs of dormant bacteria contributing to the persistence of infection. This dissertation describes an investigation into the molecular mechanisms of S. aureus internalization into both fibroblast and epithelial cells. Bacterial requirements for internalization were found to be limited to expression of proteins that bind the extracellular matrix protein fibronectin. A previously unknown fibronectin-binding region in the S. aureus fibronectin-binding protein A was discovered after showing competitive inhibition of S. aureus internalization. This novel fibronectin-binding activity is characterized. Internalization also required cell-based factors. The presence of fibronectin and cell surface receptors of the β1 integrin class, which are known to bind and internalize fibronectin, were found to be necessary for optimal internalization of S. aureus. These results led to the conclusion that fibronectin acts as a bridge between the bacterium and integrins on the host cells. The internalization process exhibits features characteristic of integrin-mediated cell migration on fibronectin-coated surfaces. Both processes involved an active form of the β1 integrin subunit and the protein tyrosine kinase Src. Finally, a Src inhibitor previously shown to be effective in reducing osteoporosis in an in vivo rat model is capable of greatly reducing S. aureus internalization. ^

Development of Monoolein-based lipofection vectors for therapeutic siRNA delivery

Tese de Doutoramento em Biologia Molecular e Ambiental - Especialidade em Biologia Celular e Saúde

Adverse effects of industrial multiwalled carbon nanotubes on human pulmonary cells

The aim of this study was to evaluate adverse effects of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT), produced for industrial purposes, on the human epithelial cell line A549. MWCNT were dispersed in dipalmitoyl lecithin (DPL), a component of pulmonary surfactant, and the effects of dispersion in DPL were compared to those in two other media: ethanol (EtOH) and phosphate-buffered saline (PBS). Effects of MWCNT were also compared to those of two asbestos fibers (chrysotile and crocidolite) and carbon black (CB) nanoparticles, not only in A549 cells but also in mesothelial cells (MeT5A human cell line), used as an asbestos-sensitive cell type. MWCNT formed agglomerates on top of both cell lines (surface area 15-35 μm2) that were significantly larger and more numerous in PBS than in EtOH and DPL. Whatever the dispersion media, incubation with 100 μg/ml MWCNT induced a similar decrease in metabolic activity without changing cell membrane permeability or apoptosis. Neither MWCNT cellular internalization nor oxidative stress was observed. In contrast, asbestos fibers penetrated into the cells, decreased metabolic activity but not cell membrane permeability, and increased apoptosis, without decreasing cell number. CB was internalized without any adverse effects. In conclusion, this study demonstrates that MWCNT produced for industrial purposes exert adverse effects without being internalized by human epithelial and mesothelial pulmonary cell lines. [Authors]

Oligonucleotide-polyethylenimine complexes targeting retinal cells: structural analysis and application to anti-TGFbeta-2 therapy.

PURPOSE: The aim of this study was to characterize oligonucleotide-polyethylenimine (ODN/PEI) complex preparation for potential transfection of retinal cells in vitro and in vivo. METHODS: The effect of medium preparation [HEPES-buffered saline (HBS), water] on particle size and morphology was evaluated. Cultured Lewis rat retinal Müller glial (RMG) cells were transfected using fluorescein isothiocyanate (FITC)-ODN/PEI complexes specifically directed at transforming growth factor beta (TGFbeta)-2. Efficacy of transfection was evaluated using confocal microscopy, and regulation of gene expression was assayed using quantitative real-time RT-PCR and ELISA assay. One, 24, and 72 h after injection of FITC-ODN/PEI complexes into the vitreous of rat eyes, their distribution was analyzed on eye sections. RESULTS: Complexes prepared in HBS were smaller than complexes prepared in pure water and presented a core-shell structure. These particles showed a high cellular internalization efficacy, along with a significant and specific down-regulation of TGFbeta-2 expression and production in RMG cells, correlating with specific inhibition of cell growth at 72 h. In vivo, complexes efficiently transfect retinal cells and follow a transretinal migration at 24 h. After 72 h, ODN seems to preferentially target RMG cells without inducing any detectable toxicity. CONCLUSIONS: Specific down-regulation of TGFbeta-2 expression using ODN/PEI complexes may have potential interest for the treatment of retinal diseases associated with glial proliferation.

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.

Développement de nouvelles formulations d’antifongiques et évaluation de l’activité sur Candida spp. et Aspergillus spp.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat avaient pour but de mettre au point des nouvelles formulations d’antifongiques sous forme de nanoparticules polymériques (NP) en vue d’améliorer l’efficacité et la spécificité des traitements antifongiques sur des souches sensibles ou résistantes de Candida spp, d’Aspergillus spp et des souches de Candida albicans formant du biofilm. Dans la première partie de ce travail, nous avons synthétisé et caractérisé un polymère à base de polyester-co-polyéther branché avec du poly(éthylène glycol) (PEG-g-PLA). En plus d’être original et innovant, ce co-polymère a l’avantage d’être non-toxique et de posséder des caractéristiques de libération prolongée. Trois antifongiques couramment utilisés en clinique et présentant une biodisponibilité non optimale ont été choisis, soient deux azolés, le voriconazole (VRZ) et l’itraconazole (ITZ) et un polyène, l’amphotéricine B (AMB). Ces principes actifs (PA), en plus des problèmes d’administration, présentent aussi d’importants problèmes de toxicité. Des NP polymériques encapsulant ces PA ont été préparées par une technique d’émulsion huile-dans-l’eau (H/E) suivie d’évaporation de solvant. Une fois fabriquées, les NP ont été caractérisées et des particules de d’environ 200 nm de diamètre ont été obtenues. Les NP ont été conçues pour avoir une structure coeur/couronne avec un coeur constitué de polymère hydrophobe (PLA) et une couronne hydrophile de PEG. Une faible efficacité de chargement (1,3% m/m) a été obtenue pour la formulation VRZ encapsulé dans des NP (NP/VRZ). Toutefois, la formulation AMB encapsulée dans des NP (NP/AMB) a montré des taux de chargement satisfaisants (25,3% m/m). En effet, le caractère hydrophobe du PLA a assuré une bonne affinité avec les PA hydrophobes, particulièrement l’AMB qui est le plus hydrophobe des agents sélectionnés. Les études de libération contrôlée ont montré un relargage des PA sur plusieurs jours. La formulation NP/AMB a été testée sur un impacteur en cascade, un modèle in vitro de poumon et a permis de démontrer le potentiel de cette formulation à être administrée efficacement par voie pulmonaire. En effet, les résultats sur l’impacteur en cascade ont montré que la majorité de la formulation s’est retrouvée à l’étage de collecte correspondant au niveau bronchique, endroit où se situent majoritairement les infections fongiques pulmonaires. Dans la deuxième partie de ces travaux, nous avons testé les nouvelles formulations d’antifongiques sur des souches planctoniques de Candida spp., d’Aspergillus spp. et des souches de Candida albicans formant du biofilm selon les procédures standardisées du National Committee for Clinical Laboratory Standards (NCCLS). Les souches choisies ont démontré des résistances aux azolés et aux polyènes. Les études d’efficacité in vitro ont permis de prouver hors de tout doute que les nouvelles formulations offrent une efficacité nettement améliorée comparée à l’agent antifongique libre. Pour mettre en lumière si l’amélioration de l’efficacité antifongique était due à une internalisation des NP, nous avons évalué le comportement des NP avec les cellules de champignons. Nous avons procédé à des études qualitatives de microscopie de fluorescence sur des NP marquées avec de la rhodamine (Rh). Tel qu’attendu, les NP ont montré une localisation intracellulaire. Pour exclure la possibilité d’une simple adhésion des NP à la surface des levures, nous avons aussi confirmé leur internalisation en microscopie confocale de fluorescence. Il est important de noter que peu d’études à ce jour ont mis l’accent sur l’élaboration de nouvelles formulations d’antifongiques à base de polymères non toxiques destinées aux traitements des mycoses, donnant ainsi une grande valeur et originalité aux travaux effectués dans cette thèse. Les résultats probants obtenus ouvrent la voie vers une nouvelle approche pour contourner les problèmes de résistances fongiques, un problème de plus en plus important dans le domaine de l’infectiologie.

Conception et évaluation d’un nouveau système de transfection ciblée, basé sur l’utilisation du système E/Kcoil

Actuellement le polyéthylènimine (PEI) est l’agent de transfection transitoire le plus utilisé par l’industrie pharmaceutique pour la production de protéines recombinantes à grande échelle par les cellules de mammifères. Il permet la condensation de l’ADN plasmidique (ADNp) en formant spontanément des nanoparticules positives appelées polyplexes, lui procurant la possibilité de s’attacher sur la membrane cellulaire afin d’être internalisé, ainsi qu’une protection face aux nucléases intracellulaires. Cependant, alors que les polyplexes s’attachent sur la quasi-totalité des cellules seulement 5 à 10 % de l’ADNp internalisé atteint leur noyau, ce qui indique que la majorité des polyplexes ne participent pas à l’expression du transgène. Ceci contraste avec l’efficacité des vecteurs viraux où une seule particule virale par cellule peut être suffisante. Les virus ont évolués afin d’exploiter les voies d’internalisation et de routage cellulaire pour exprimer efficacement leur matériel génétique. Nous avons donc supposé que l’exploitation des voies d’internalisation et de routage cellulaire d’un récepteur pourrait, de façon similaire à plusieurs virus, permettre d’optimiser le processus de transfection en réduisant les quantités d’ADNp et d’agent de transfection nécessaires. Une alternative au PEI pour transfecter les cellules de mammifèreest l’utilisation de protéines possédant un domaine de liaison à l’ADNp. Toutefois, leur utilisation reste marginale à cause de la grande quantité requise pour atteindre l’expression du transgène. Dans cette étude, nous avons utilisé le système E/Kcoil afin de cibler un récepteur membranaire dans le but de délivrer l’ADNp dans des cellules de mammifères. Le Ecoil et le Kcoil sont des heptapeptides répétés qui peuvent interagir ensemble avec une grande affinité et spécificité afin de former des structures coiled-coil. Nous avons fusionné le Ecoil avec des protéines capables d’interagir avec l’ADNp et le Kcoil avec un récepteur membranaire que nous avons surexprimé dans les cellules HEK293 de manière stable. Nous avons découvert que la réduction de la sulfatation de la surface cellulaire permettait l’attachement ciblé sur les cellules par l’intermédiaire du système E/Kcoil. Nous démontrons dans cette étude comment utiliser le système E/Kcoil et une protéine interagissant avec l’ADNp pour délivrer un transgène de manière ciblée. Cette nouvelle méthode de transfection permet de réduire les quantités de protéines nécessaires pour l’expression du transgène.

Dendrimer nanocarriers for transport modulation across models of the pulmonary epithelium

The purpose of this study was to determine the effect of PEGylation on the interaction of poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimer nanocarriers (DNCs) with in vitro and in vivo models of the pulmonary epithelium. Generation-3 PAMAM dendrimers with varying surface densities of PEG 1000 Da were synthesized and characterized. The results revealed that the apical to basolateral transport of DNCs across polarized Calu-3 monolayers increases with an increase in PEG surface density. DNC having the greatest number of PEG groups (n = 25) on their surface traversed at a rate 10-fold greater than its non-PEGylated counterpart, in spite of their larger size. This behavior was attributed to a significant reduction in charge density upon PEGylation. We also observed that PEGylation can be used to modulate cellular internalization. The total uptake of PEG-free DNC into polarized Calu-3 monolayers was 12% (w/w) vs 2% (w/w) for that with 25 PEGs. Polarization is also shown to be of great relevance in studying this in vitro model of the lung epithelium. The rate of absorption of DNCs administered to mice lungs increased dramatically when conjugated with 25 PEG groups, thus supporting the in vitro results. The exposure obtained for the DNC with 25PEG was determined to be very high, with peak plasma concentrations reaching 5 mu gmL(-1) within 3 h. The combined in vitro and in vivo results shown here demonstrate that PEGylation can be potentially used to modulate the internalization and transport of DNCs across the pulmonary epithelium. Modified dendrimers thereby may serve as a valuable platform that can be tailored to target the lung tissue for treating local diseases, or the circulation, using the lung as pathway to the bloodstream, for systemic delivery.

Synthesis, characterization, and preliminary application of new biocompatible nanogels useful as anticancer drug delivery systems

253 p.

Antiviral activity of a small-molecule inhibitor of arenavirus glycoprotein processing by the cellular site 1 protease.

Arenaviruses merit interest as clinically important human pathogens and include several causative agents, chiefly Lassa virus (LASV), of hemorrhagic fever disease in humans. There are no licensed LASV vaccines, and current antiarenavirus therapy is limited to the use of ribavirin, which is only partially effective and is associated with significant side effects. The arenavirus glycoprotein (GP) precursor GPC is processed by the cellular site 1 protease (S1P) to generate the peripheral virion attachment protein GP1 and the fusion-active transmembrane protein GP2, which is critical for production of infectious progeny and virus propagation. Therefore, S1P-mediated processing of arenavirus GPC is a promising target for therapeutic intervention. To this end, we have evaluated the antiarenaviral activity of PF-429242, a recently described small-molecule inhibitor of S1P. PF-429242 efficiently prevented the processing of GPC from the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) and LASV, which correlated with the compound's potent antiviral activity against LCMV and LASV in cultured cells. In contrast, a recombinant LCMV expressing a GPC whose processing into GP1 and GP2 was mediated by furin, instead of S1P, was highly resistant to PF-429242 treatment. PF-429242 did not affect virus RNA replication or budding but had a modest effect on virus cell entry, indicating that the antiarenaviral activity of PF-429242 was mostly related to its ability to inhibit S1P-mediated processing of arenavirus GPC. Our findings support the feasibility of using small-molecule inhibitors of S1P-mediated processing of arenavirus GPC as a novel antiviral strategy.

Induction of the alternative NF-κB pathway by lymphotoxin αβ (LTαβ) relies on internalization of LTβ receptor.

Several tumor necrosis factor receptor (TNFR) family members activate both the classical and the alternative NF-κB pathways. However, how a single receptor engages these two distinct pathways is still poorly understood. Using lymphotoxin β receptor (LTβR) as a prototype, we showed that activation of the alternative, but not the classical, NF-κB pathway relied on internalization of the receptor. Further molecular analyses revealed a specific cytosolic region of LTβR essential for its internalization, TRAF3 recruitment, and p100 processing. Interestingly, we found that dynamin-dependent, but clathrin-independent, internalization of LTβR appeared to be required for the activation of the alternative, but not the classical, NF-κB pathway. In vivo, ligand-induced internalization of LTβR in mesenteric lymph node stromal cells correlated with induction of alternative NF-κB target genes. Thus, our data shed light on LTβR cellular trafficking as a process required for specific biological functions of NF-κB.

A receptor for infectious and cellular prion protein

Prions are an unconventional form of infectious agents composed only of protein and involved in transmissible spongiform encephalopathies in humans and animals. The infectious particle is composed by PrPsc which is an isoform of a normal cellular glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) anchored protein, PrPc, of unknown function. The two proteins differ only in conformation, PrPc is composed of 40% a helix while PrPsc has 60% ß-sheet and 20% a helix structure. The infection mechanism is trigged by interaction of PrPsc with cellular prion protein causing conversion of the latter's conformation. Therefore, the infection spreads because new PrPsc molecules are generated exponentially from the normal PrPc. The accumulation of insoluble PrPsc is probably one of the events that lead to neuronal death. Conflicting data in the literature showed that PrPc internalization is mediated either by clathrin-coated pits or by caveolae-like membranous domains. However, both pathways seem to require a third protein (a receptor or a prion-binding protein) either to make the connection between the GPI-anchored molecule to clathrin or to convert PrPc into PrPsc. We have recently characterized a 66-kDa membrane receptor which binds PrPc in vitro and in vivo and mediates the neurotoxicity of a human prion peptide. Therefore, the receptor should have a role in the pathogenesis of prion-related diseases and in the normal cellular process. Further work is necessary to clarify the events triggered by the association of PrPc/PrPsc with the receptor.