Thermal Lipid Order−Disorder Transitions in Mixtures of Cationic Cholesteryl Lipid Analogues and Dipalmitoyl Phosphatidylcholine Membranes

Two types of cationic cholesteryl amphiphiles, one where the headgroup is attached to the steroid by an ester linkage and the second by an ether linkage, were synthesized. A third type of cholesteryl lipid bearing an oligoethylene glycol segment was also prepared. Each of these synthetic lipids generated vesicle-like aggregates with closed inner aqueous compartments from their aqueous suspensions. We examined their interaction with L-α-dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) membranes using fluorescence anisotropy, transmission electron microscopy (TEM), and differential scanning calorimetry (DSC). When included in membranes, the synthetic cholesteryl lipids were found to quench the chain motion of the acyl chains of DPPC. This suggests that these cationic cholesteryl derivatives act as filler molecules despite modification at the headgroup level from the molecular structure of natural cholesterol. Careful analyses of DSC and fluorescence anisotropy data suggest that the nature of perturbation induced by each of these cationic cholesterol derivatives is dependent on the details of their molecular structure and provides significant information on the nature of interaction of these derivatives with phospholipid molecules. In general, amphiphiles that support structured water at the interfacial region tend to rigidify the fluid phase more than others. Importantly, these cholesteryl amphiphiles behave less like cholesterol in that their incorporation in DPPC not only abolishes the phase transition but also depresses the phase transition temperature.

Interaction of K7Fe3+P2W17O62H2 with supported bilayer lipid membranes on platinum electrode

The influence of K7Fe3+P2W17O62H2 on l-alpha-phosphatidylcholine/cholesterol bilayer lipid membrane on Pt electrode was studied by voltammetry and AC impedance spectroscopy. The interaction of the polyoxometalates with the BLM can promote the access of Ru(NH3)(6)(3+) and [Fe(CN)(6)](3-/4-) to the electrode surface. It was found that some kind of pores had been formed on the BLM by AFM. The phenomenon is attributed to the interaction of K7Fe3+P2W17O62H2 with phosphatidylcholine phosphate groups located in its outer leaflet. Experimental results are helpful to understand the biological activity of the polyoxometalates in vivo.

Tertiary structural changes of the alpha-hemolysin from Staphylococcus aureus on association with liposome membranes

The interaction of alpha-hemolysin (also called alpha-toxin) from Staphylococcus aureus with mixed egg-yolk phosphatidylcholine/cholesterol liposomes has been investigated using the intrinsic tryptophan fluorescence emission (ITFE) signal. The ITFE intensity of alpha-hemolysin, which was obtained using a novel purification protocol, showed a triphasic increase on incubation with liposomes at low protein/lipid ratios. The first, rapid phase results in an increase in ITFE of 10%, which reflects rapid conformation changes in the alpha-hemolysin on association with the liposome membrane, the second phase of the ITFE increase is associated with a red shift from 334 to 339 nm in the maximum emission wavelength, suggesting the transition to a partially unfolded intermediate in the oligomerization process. The third phase of the ITFE intensity change demonstrates a temporal correlation with the appearance of SDS-stable oligomers. The results demonstrate the feasibility of identification of intermediate protein conformations in complex membrane-associated processes by manipulation of the liposomal membrane composition. (C) 1998 Academic Press.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Changes in lipids of mussel during storage

Proximate composition, lipid and fatty acid components of dried mussel and changes in lipids during 1 year storage were studied. Male mussel contained lower fat contents and higher contents of polyunsaturated fatty acids of C20:5n-3, and C22:6n-3. High percentages of Cl6:1, Cl7:1, Cl8:3n-3, C20:3n-8 existed in NL and C!6:0, C18:0, Cl8:1n-9, C20:2n-6, C20:5n- 3, C22:6n-3 were very rich in PL. Triglycerides phosphatidylcholine, cholesterol were major components of mussel lipids. Free fatty acids (FFA) increased greatly and phospholipids decreased during storage, saturated fatty acids showed an increase trend and polyunsaturated fatty adds decreased differently. Dried mussels were vacuum packed and air packed and packaging methods had a great influence on the oxidation of mussellip,ids, indicating preference of vacuum packaging.

DNA alters the bilayer structure of cationic lipid diC14-amidine: A spin label study

Cationic lipids-DNA complexes (lipoplexes) have been used for delivery of nucleic acids into cells in vitro and in vivo. Despite the fact that, over the last decade, significant progress in the understanding of the cellular pathways and mechanisms involved in lipoplexes-mediated gene transfection have been achieved, a convincing relationship between the structure of lipoplexes and their in vivo and in vitro transfection activity is still missing. How does DNA affect the lipid packing and what are the consequences for transfection efficiency is the point we want to address here. We investigated the bilayer organization in cationic liposomes by electron spin resonance (ESR). Phospholipids spin labeled at the 5th and 16th carbon atoms were incorporated into the DNA/diC14-amidine complex. Our data demonstrate that electrostatic interactions involved in the formation of DNA-cationic lipid complex modify the packing of the cationic lipid membrane. DNA rigidifies the amidine fluid bilayer and fluidizes the amidine rigid bilayer just below the gel-fluid transition temperature. These effects were not observed with single nucleotides and are clearly related to the repetitive charged motif present in the DNA chain and not to a charge-charge interaction. These modifications of the initial lipid packing of the cationic lipid may reorient its cellular pathway towards different routes. A better knowledge of the cationic lipid packing before and after interaction with DNA may therefore contribute to the design of lipoplexes capable to reach specific cellular targets. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Stability and Local Toxicity Evaluation of a Liposomal Prilocaine Formulation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Pharmacological and local toxicity studies of a liposomal formulation for the novel local anaesthetic ropivacaine

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Piroxicam encapsulated in liposomes: Characterization and in vivo evaluation of topical anti-inflammatory effect

Liposomes of soya phosphatidylcholine, cholesterol, and stearylamine (molar ratio 6/3/1) and 0.1% alpha-tocopherol were prepared by the extrusion of multilamellar vesicles through 0.2-mu m polycarbonate membrane. Liposomes were characterized by electron transmission microscopy, and the mean structure diameter was 278 nm. The encapsulation efficiency obtained was 12.73%. The topical anti-inflammatory effect was evaluated in vivo by the cotton pellet granuloma method. We analyzed free piroxicam at 4 mg/kg, piroxicam encapsulated in liposomes added to 1.5% hydroxyethylcellulose (HEC) gel at 1.6 mg/kg, and piroxicam encapsulated in liposomes added to HEC gel at 4 mg/kg; the inhibition of inflammation obtained was 21.1%, 32.8%, and 47.4%, respectively. These results showed that the encapsulation of piroxicam produced an increase of topical anti-inflammatory effect, suggesting that the inhibition of inflammation can be obtained with lower drug concentrations.

Tissue tolerance of diclofenac sodium encapsulated in liposomes after intramuscular administration

In this work the effect of the encapsulation of diclofenac sodium within liposomes on the reduction of the myotoxicity after intramuscular administration in rats was studied. Diclofenac sodium was encapsulated in small unilamellar liposomes obtained from phosphatidylcholine, cholesterol, and a-tocopherol (40:10:0.04 mM), and administered by intramuscular injection in the quadriceps femoral muscle of male Wistar rats. After a single dose of 0.2 mg diclofenac formulations the local tissue damage was assessed by plasma creatine kinase (CPK) activity and histological analysis. It was demonstrated that formulations containing free diclofenac produced a higher increase in CPK activity, while those encapsulated in liposomes exhibited CPK activity similar to the control groups. Histopathological analysis of local muscle tissue performed on the third and seventh days following the injection showed intense cellular damage when free drug solution was used, while encapsulation in liposome protected the tissue against the local tissue inflammation.

Studies on the {\it in vivo} function of a phosphatidylinositol transfer protein from {\it Saccharomyces cerevisiae}

Phosphatidylinositol transfer proteins (PI-TP's) catalyze the transfer of phosphatidylinositol and phosphatidylcholine between membranes in vitro. However the in vivo function of these proteins is unknown. In this thesis we have used a combined biochemical and genetic approach to determine the importance of PI-TP in vivo. An oligonucleotide based on the amino terminal sequence of the PI-TP from Saccharomyces cerevisiae, was used to screen a yeast genomic library for the gene encoding PI-TP (PIT1 gene). Yeast strains transformed with the positive clones showed overproduction of transfer activities and transfer protein in the 100,000 x g supernatants. The 5$\sp\prime$ terminus of the PIT1 gene correlates with the predicted codons for residues 3-30 of the determined protein sequence. Tetrad analysis of a heterozygous diploid (PIT1/pit1::LEU2) revealed that the PIT1 gene is essential for cell growth. Non-viable spores could be rescued by transformation of the above diploid prior to sporulation, with a plasmid borne copy of the wild type gene. Sequencing of the entire PIT1 gene has revealed that the PIT1 gene is identical to the SEC14 gene. The sec14 ts mutant which exhibits conditional defects at the Golgi stage of protein secretion, is also temperature sensitive for PI-TP activity in vitro. These findings represent the first instance in which a physiological function has been assigned to any phospholipid transfer protein. ^

An inhibitor of the microsomal triglyceride transfer protein inhibits apoB secretion from HepG2 cells.

The microsomal triglyceride (TG) transfer protein (MTP) is a heterodimeric lipid transfer protein that catalyzes the transport of triglyceride, cholesteryl ester, and phosphatidylcholine between membranes. Previous studies showing that the proximal cause of abetalipoproteinemia is an absence of MTP indicate that MTP function is required for the assembly of the apolipoprotein B (apoB) containing plasma lipoproteins, i.e., very low density lipoproteins and chylomicrons. However, the precise role of MTP in lipoprotein assembly is not known. In this study, the role of MTP in lipoprotein assembly is investigated using an inhibitor of MTP-mediated lipid transport, 2-[1-(3, 3-diphenylpropyl)-4-piperidinyl]-2,3-dihydro-1H-isoindol-1-o ne (BMS-200150). The similarity of the IC50 for inhibition of bovine MTP-mediated TG transfer (0.6 microM) to the Kd for binding of BMS-200150 to bovine MTP (1.3 microM) strongly supports that the inhibition of TG transfer is the result of a direct effect of the compound on MTP. BMS-200150 also inhibits the transfer of phosphatidylcholine, however to a lesser extent (30% at a concentration that almost completely inhibits TG and cholesteryl ester transfer). When BMS-200150 is added to cultured HepG2 cells, a human liver-derived cell line that secretes apoB containing lipoproteins, it inhibits apoB secretion in a concentration dependent manner. These results support the hypothesis that transport of lipid, and in particular, the transport of neutral lipid by MTP, plays a critical role in the assembly of apoB containing lipoproteins.

Stability and Local Toxicity Evaluation of a Liposomal Prilocaine Formulation

This study reports a physicochemical stability evaluation of a previously reported liposomal prilocaine (PLC(LUV)) formulation (Cereda el al. J. Pharm. Pharmaceut. Sci. 7:235, 2004) before and after steam sterilization as well as its local toxicity evaluation. Prilocaine (PLC) was encapsulated into extruded unilamellar liposomes (LUVs) composed by egg phosphatidylcholine:cholesterol:alfa-tocopherol (4:3:0.07, mole %). Laser light-scattering analysis (p > 0.05) and thiobarbituric acid reaction (p > 0.05) were used to evaluate the liposomes physical (size) and chemical (oxidation) stability, respectively. The prilocaine chemical stability was followed by (1)H-nuclear magnetic resonance. These tests detected no differences on the physicochemical stability of PLC or PLCLUV, sterilized or not, up to 30 days after preparation (p > 0.05). Finally, the paw edema test and histological analysis of rat oral mucosa were used to assess the possible inflammatory effects of PLC(LUV). PLC(LUV) did not evoke rat paw edema (p > 0.05), and no significant differences were found in histological analysis, when compared to the control groups (p > 0.05). The present work shows that PLC(LUV) is stable for a 30-day period and did not induce significant inflammatory effects both in the paw edema test and in histological analysis, giving supporting evidence for its safely and possible clinical use in dentistry.