Phosphorylcholine based amphiphilic polymers for the solubilization of integral membrane proteins

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Linear block copolymers of L–lactide and 2–dimethylaminoethyl methacrylate : synthesis and properties

Part of the research described in this thesis is conducted in collaboration with Centre d' étude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM), Université de Liège, Sart-Tilman, Belgium

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.

Étude de l’effet d'agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms sur la diffusion des macromolécules dans les biofilms de Streptococcus mutans : cas de l’EDTA et de l’aspirine

Le but de ce travail de mémoire était d'explorer des moyens pour augmenter la perméabilité des biofilms de Streptococcus mutans aux macromolécules en utilisant des agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms. L’acide éthylènediamine tétraacétique (EDTA) ainsi que l’acide acétylsalicylique (aspirine) sont les agents perturbateurs choisis. Le changement de perméabilité des biofilms de S. mutans a été déterminé en mesurant les coefficients de diffusion globale du polyéthylène glycol (PEG) et de diffusion locale de dextrans. Les coefficients de diffusion globale ont été mesurés par spectroscopie infrarouge avec un échantillonnage par réflexion totale atténuée (ATR) alors que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (SCF) a été utilisée pour la mesure des coefficients de diffusion locale. Les résultats ont démontré que l’incorporation de l’EDTA à une concentration de 7.5 (m/v) % dans la solution de diffusion permet d’améliorer les propriétés de transport du PEG dans les biofilms en augmentant sa pénétrabilité et son coefficient de diffusion globale. Par contre, aucune variation n’a été constatée dans la valeur du coefficient de diffusion locale de dextran fluorescent. Cette différence peut être expliquée, entre autres, par l'échelle des mesures et la nature différente des molécules diffusantes. L’aspirine n’a démontré aucun effet sur le transport du PEG à travers les biofilms de S. mutans. La pénétration accrue du PEG en présence de l’EDTA a été corrélée aux tests de viabilité des cellules bactériennes. En effet, la combinaison de la pénicilline G (PenG) avec l’EDTA 2 (m/v) % a eu comme effet l’augmentation du pouvoir biocide d’un facteur 3. De plus, les images de microscopie à épifluorescence et de microscopie confocale à balayage de laser ont démontré que les bactéries dans le cœur des microcolonies sont plus affectées par la PenG lorsque le milieu contient de l'EDTA. A la lumière des résultats obtenus, il s’avère que l’incorporation d'agents perturbateurs de la structure des biofilms est une option sérieuse à considérer dans l’éradication des biofilms microbiens. Plus d’études devront être effectuées afin d’investiguer l’effet d’autres molécules possédant les propriétés perturbatrices de la structure des biofilms sur la résistance de ces derniers aux agents antimicrobiens.

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.

Conformation and self-association of peptide amphiphiles based on the KTTKS collagen sequence

Studying peptide amphiphiles (PAs), we investigate the influence of alkyl chain length on the aggregation behavior of the collagen-derived peptide KTTKS with applications ranging from antiwrinkle cosmetic creams to potential uses in regenerative medicine. We have studied synthetic peptides amphiphiles C14− KTTKS (myristoyl Lys-Thr-Thr-Lys-Ser) and C18−KTTKS(stearoyl-Lys-Thr Thr-Lys-Ser) to investigate in detail their physicochemical properties. It is presumed that the hydrophobic chain in these self-assembling peptide amphiphiles enhances peptide permeation across the skin compared to KTTKS alone. Subsequently Cn−KTTKS should act as a prodrug and release the peptide by enzymatic cleavage. Our results should be useful in the further development of molecules with collagen-stimulating activity.

Coassembly in binary mixtures of peptide amphiphiles containing oppositely charged residues

The self-assembly in water of designed peptide amphiphile (PA) C16-ETTES containing two anionic residues and its mixtures with C16-KTTKS containing two cationic residues has been investigated. Multiple spectroscopy, microscopy, and scattering techniques are used to examine ordering extending from the β-sheet structures up to the fibrillar aggregate structure. The peptide amphiphiles both comprise a hexadecyl alkyl chain and a charged pentapeptide headgroup containing two charged residues. For C16-ETTES, the critical aggregation concentration was determined by fluorescence experiments. FTIR and CD spectroscopy were used to examine β-sheet formation. TEM revealed highly extended tape nanostructures with some striped regions corresponding to bilayer structures viewed edge-on. Small-angle X-ray scattering showed a main 5.3 nm bilayer spacing along with a 3 nm spacing. These spacings are assigned respectively to predominant hydrated bilayers and a fraction of dehydrated bilayers. Signs of cooperative self-assembly are observed in the mixtures, including reduced bundling of peptide amphiphile aggregates (extended tape structures) and enhanced β-sheet formation.

Bioactive films produced from self-assembling peptide amphiphiles as versatile substrates for tuning cell adhesion and tissue architecture in serum-free conditions

The development of versatile bioactive surfaces able to emulate in vivo conditions is of enormous importance to the future of cell and tissue therapy. Tuning cell behaviour on two-dimensional surfaces so that the cells perform as if they were in a natural three-dimensional tissue represents a significant challenge, but one that must be met if the early promise of cell and tissue therapy is to be fully realised. Due to the inherent complexities involved in the manufacture of biomimetic three-dimensional substrates, the scaling up of engineered tissue-based therapies may be simpler if based upon proven two-dimensional culture systems. In this work, we developed new coating materials composed of the self-assembling peptide amphiphiles (PAs) C16G3RGD (RGD) and C16G3RGDS (RGDS) shown to control cell adhesion and tissue architecture while avoiding the use of serum. When mixed with the C16ETTES diluent PA at 13 : 87 (mol mol-1) ratio at 1.25 times 10-3 M, the bioactive {PAs} were shown to support optimal adhesion, maximal proliferation, and prolonged viability of human corneal stromal fibroblasts ({hCSFs)}, while improving the cell phenotype. These {PAs} also provided stable adhesive coatings on highly-hydrophobic surfaces composed of striated polytetrafluoroethylene ({PTFE)}, significantly enhancing proliferation of aligned cells and increasing the complexity of the produced tissue. The thickness and structure of this highly-organised tissue were similar to those observed in vivo, comprising aligned newly-deposited extracellular matrix. As such, the developed coatings can constitute a versatile biomaterial for applications in cell biology, tissue engineering, and regenerative medicine requiring serum-free conditions.

Multiwalled nanotubes formed by catanionic mixtures of drug amphiphiles

Mixing of oppositely charged amphiphilic molecules (catanionic mixing) offers an attractive strategy to produce morphologies different from those formed by individual molecules. We report here on the use of catanionic mixing of anticancer drug amphiphiles to construct multiwalled nanotubes containing a fixed and high drug loading. We found that the molecular mixing ratio, the solvent composition, the overall drug concentrations, as well as the molecular design of the studied amphiphiles are all important experimental parameters contributing to the tubular morphology. We believe these results demonstrate the remarkable potential that anticancer drugs could offer to self-assemble into discrete nanostructures and also provide important insight into the formation mechanism of nanotubes by catanionic mixtures. Our preliminary animal studies reveal that the CPT nanotubes show significantly prolonged retention time in the tumor site after intratumoral injection.

Size, electrophoretic mobility, and ion dissociation of vesicles prepared with synthetic amphiphiles

Vesicles prepared with synthetic amphiphiles (dioctadecyldimethylammonium bromide and chloride, dihexadecyl phosphate and its sodium salt) were obtained by sonication, ethanol injections, and chloroform injections. The hydrodynamic diameter of vesicles (Dh), estimated from the diffusivity measured by quasielastic light scattering, ranged from 230 to 3000 Å. The electrophoretic mobility (Um) was measured by free-flow electrophoresis. The zeta potential (ζ) and the degree of counterion dissociation (α) of the vesicles were calculated from Um and conductivity data, α decreased with increasing Dh of the vesicles, probably due to the decreasing headgroup area and the increasing counterion association needed to relax the surface electrostatic potential. The electrophoretic mobility was also calculated (Uc) according to an impenetrable, nonconducting sphere model with a spherically symmetric charge distribution approximation. Within the limits of the experimental error(s) of the (different) methods employed and the assumptions made in the calculations, the fact that the Um/Uc ratio ranged from 1.3 to 7.5 was considered to be a good agreement between the calculated and the experimental values. © 1990 American Chemical Society.

Structural effect of cationic amphiphiles in diacetylenic photopolymerizable membranes

Liposomes have been an excellent option as drug delivery systems, since they are able of incorporating lipophobic and/or lipophilic drugs, reduce drug side effects, increase drug targeting, and control delivery. Also, in the last years, their use reached the field of gene therapy, as non-viral vectors for DNA delivery. As a strategy to increase system stability, the use of polymerizable phospholipids has been proposed in liposomal formulations. In this work, through differential scanning calorimetry (DSC) and electron spin resonance (ESR) of spin labels incorporated into the bilayers, we structurally characterize liposomes formed by a mixture of the polymerizable lipid diacetylenic phosphatidylcholine 1,2-bis(10,12-tricosadiynoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine (DC8,9PC) and the zwitterionic lipid 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC), in a 1:1 molar ratio. It is shown here that the polymerization efficiency of the mixture (c.a. 60%) is much higher than that of pure DC8,9PC bilayers (c.a. 20%). Cationic amphiphiles (CA) were added, in a final molar ratio of 1:1:0.2 (DC8,9PC:DMPC:CA), to make the liposomes possible carriers for genetic material, due to their electrostatic interaction with negatively charged DNA. Three amphiphiles were tested, 1,2-dioleoyl-3-trimetylammonium-propane (DOTAP), stearylamine (SA) and trimetyl (2-miristoyloxietyl) ammonium chloride (MCL), and the systems were studied before and after UV irradiation. Interestingly, the presence of the cationic amphiphiles increased liposomes polymerization. MCL displaying the strongest effect. Considering the different structural effects the three cationic amphiphiles cause in DC8,9PC bilayers, there seem to be a correlation between the degree of DC8,9PC polymerization and the packing of the membrane at the temperature it is irradiated (gel phase). Moreover, at higher temperatures, in the bilayer fluid phase, more polymerized membranes are significantly more rigid. Considering that the structure and stability of liposomes at different temperatures can be crucial for DNA binding and delivery, we expect the study presented here contributes to the production of new carrier systems with potential applications in gene therapy. (C) 2012 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Cationic facial amphiphiles: a promising class of transfection agents.

A promising class of compounds for DNA transfection have been designed by conjugating various polyamines to bile-acid-based amphiphiles. Formulations containing these compounds were tested for their ability to facilitate the uptake of a beta-galactosidase reporter plasmid into COS-7 cells. Dioleoyl phosphatidyl ethanolamine (DOPE) formulations of some of the compounds were several times better than Lipofectin at promoting DNA uptake. The most active compounds contained the most hydrophilic bile acid components. The activity is clearly not related to affinity for DNA: the hydrophobic bile acid conjugates were found to form stable complexes with DNA at lower charge ratios than the hydrophilic conjugates. We suggest that the high activity of the best compounds is related to their facial amphiphilicity, which may confer an ability to destabilize membranes. The success of these unusual cationic transfection agents may inspire the design of even more effective gene delivery agents.

Synthesis, self-assembly and (absence of) protein interactions of poly(glycerol methacrylate)-silicone macro-amphiphiles

The present study focuses on the synthesis of amphiphilic block copolymers containing poly(glycerol monomethacrylate) (PGMMA), showing the advantages of a protection/deprotection strategy based on silyl groups. PGMMA blocks were synthesized via ATRP started by a double functional poly(dimethyl siloxane) (PDMS) macroinitiator of molecular weight ≈7000 g mol-1. The resulting triblock copolymers were characterized by low polydispersity (generally ≤1.1) and their aggregation concentration in water was essentially dominated by the PDMS block length (critical aggregation concentration substantially invariant for GMMA degree of polymerization ≥30). For GMMA blocks with DP > 50, the self-assembly in water produced 35-50 nm spherical micelles, while shorter hydrophilic chains produced larger aggregates apparently displaying worm-like morphologies. Block copolymers with long GMMA chains (DP ≈ 200) produced particularly stable micellar aggregates, which were then selected for a preliminary assessment of the possibility of adsorption of plasma proteins (albumin and fibrinogen); using diffusion NMR as an analytical technique, no significant adsorption was recorded both on micelles and on soluble PGMMA employed as a control, indicating the possibility of a "stealth" behaviour. This journal is © 2013 The Royal Society of Chemistry.

New self-assembled supramolecular hydrogels based on dehydropeptides

Supramolecular hydrogels rely on small molecules that self-assemble in water as a result of the cooperative effect of several relatively weak intermolecular interactions. Peptide-based low molecular weight hydrogelators have attracted enormous interest owing to the simplicity of small molecules combined with the versatility and biocompatibility of peptides. In this work, naproxen, a well known non-steroidal anti-inflammatory drug, was N-conjugated with various dehydrodipeptides to give aromatic peptide amphiphiles that resist proteolysis. Molecular dynamics simulations were used to obtain insight into the underlying molecular mechanism of self-assembly and to rationalize the design of this type of hydrogelators. The results obtained were in excellent agreement with the experimental observations. Only dehydrodipeptides having at least one aromatic amino acid gave hydrogels. The characterization of the hydrogels was carried out using transmission electron microscopy (TEM), circular dichroism (CD), fluorescence spectroscopy and also rheological assays.