Bioinspired polyethersulfone-based hollow fiber membranes as the scaffolds in renal assist device for protein-bound toxins removal from blood

Dissertation for obtaining the Master degree in Membrane Engineering

Optimisation et évaluation d’un nouveau test PAMPA amélioré pour la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments.

Ce mémoire rapporte l’optimisation et l’évaluation d’une nouvelle version du test PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) appelée Néo-PAMPA. Ce test qui permet la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments consiste en l’utilisation d’une membrane modèle de la paroi intestinale composée d’une bicouche lipidique déposée sur un coussin de polydopamine recouvrant un filtre poreux. En effet, nous nous sommes intéressés lors de ce projet à la mise en place d’une membrane artificielle qui serait plus représentative de la paroi intestinale humaine. Nous avons pu déterminer, suite à une étude comparative des propriétés de huit médicaments ainsi que les coefficients de perméabilité obtenus, que les filtres en polycarbonate présentaient le meilleur choix de support solide pour la membrane. Nous avons également vérifié la déposition du coussin de polydopamine qui apporte le caractère fluide à la bicouche lipidique. Les résultats des tests de perméabilité ont démontré que le coussin de polymère n’obstrue pas les pores du filtre après un dépôt de 4h. Nous avons par la suite étudié la déposition de la bicouche lipidique sur le filtre recouvert de polydopamine. Pour ce faire, deux méthodes de préparation de liposomes ainsi que plusieurs tailles de liposomes ont été testées. Aussi, la composition en phospholipides a été sujette à plusieurs changements. Tous ces travaux d’optimisation ont permis d’aboutir à des liposomes préparés selon la méthode du « film lipidique » à partir d’un mélange de dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) et de cholestérol. Une dernière étape d’optimisation de la déposition de la bicouche reste à améliorer. Enfin, le test standard Caco-2, qui consiste à évaluer la perméabilité des médicaments à travers une monocouche de cellules cancéreuses du colon humain, a été implémenté avec succès dans le but de comparer des données de perméabilité avec un test de référence.

Validation et conditionnement d'un test PAMPA amélioré pour l'évaluation de la perméabilité membranaire de médicaments.

Les tests PAMPA et les tests Caco-2 sont des essais in vitro de l’évaluation de la perméabilité intestinale des médicaments. Ils sont réalisés lors de la phase de découverte du médicament. Les tests PAMPA ne sont pas biologiquement représentatifs de la paroi intestinale, mais ils sont rapides et peu coûteux. Les tests Caco-2 nécessitent plus de 21 jours pour la culture cellulaire et des installations spécifiques sont requises. Ils sont constitués d’une monocouche d’entérocytes à confluence et donc plus biologiquement représentatifs. Il y a un besoin pour le développement d’un essai qui est biologiquement représentatif de la membrane intestinale humaine, rapide et peu coûteux. Le premier but de ce projet était de développer une méthode analytique qui permettrait l’évaluation simultanée de huit médicaments témoins utilisés pour la validation de l’essai de perméabilité. Le deuxième but de ce projet était donc d’améliorer la membrane des tests PAMPA pour proposer un nouveau test : le néoPAMPA. Contrairement au test PAMPA traditionnel, cette membrane est constituée de trois composantes : (1) un filtre poreux qui agit à titre de support, (2) un coussin polydopamine chargé négativement qui sert d’ancrage et qui assure la fluidité de la bicouche et (3) une bicouche lipidique formée par fusion de vésicules. Une méthode analytique HPLC-MS/MS a été validée selon les spécifications de la FDA et de la EMA. Cette méthode a permis de quantifier simultanément les huit médicaments standards utilisés pour le test néoPAMPA. Le test PAMPA traditionnel a été mis en place à titre d’essai control. Les coefficients de perméabilité mesurés pour les huit médicaments au travers de la membrane PAMPA comparaient favorablement aux résultats de la littérature. Les composantes de la membrane néoPAMPA ont été optimisées. Les conditions optimales retenues étaient les filtres de polycarbonate hydrophile ayant des pores de 15 nm, les plaques Costar 12 puits comme dispositif des tests de perméabilité, une bicouche lipidique composée de 70 % DOPC et de 30 % cholestérol cationique ainsi qu’une déposition des liposomes en présence de 150 mM NaCl suivi d’un équilibre d’1 h en présence d’une solution saturée en DOPC. Les stabilités de la cassette de médicaments et des liposomes sont insuffisantes pour le conditionnement commercial des membranes néoPAMPA. Les différentes optimisations réalisées ont permis d’améliorer la membrane néoPAMPA sans toutefois la rendre fonctionnelle. La membrane néoPAMPA n’est toujours pas en mesure de discriminer des molécules en fonction de leur perméabilité attendue.

Electrochemical reactions of catechol, methylcatechol and dopamine at tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin film electrodes

The electrochemical reactions of dopamine, catechol and methylcatechol were investigated at tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin film electrodes. In order to better understand the reaction mechanisms of these molecules, cyclic voltammetry with varying scan rates was carried out at different pH values in H2SO4 and PBS solutions. The results were compared to the same redox reactions taking place at glassy carbon (GC) electrodes. All three catechols exhibited quasi-reversible behavior with sluggish electron transfer kinetics at the ta-C electrode. At neutral and alkaline pH, rapid coupled homogeneous reactions followed the oxidation of the catechols to the corresponding o-quinones and led to significant deterioration of the electrode response. At acidic pH, the extent of deterioration was considerably lower. All the redox reactions showed significantly faster electron transfer kinetics at the GC electrode and it was less susceptible toward surface passivation. An EC mechanism was observed for the oxidation of dopamine at both ta-C and GC electrodes and the formation of polydopamine was suspected to cause the passivation of the electrodes.

Kinetic and mechanistic studies on peroxidation and stabilization of lipids with industrial and biological relevance

Lipid peroxidation is a complex mechanism that causes the degradation of lipid material of both industrial and biological significance. During processing, it is known that thermal stress produces oxidation and polymerization of oils. Additionally, biological lipids with both structural and bioactive roles are prone to peroxidation, which can have pathogenic effects including cancer and long-term degenerative disorders. To create innovative strategies to slow down the deterioration of lipids, it is crucial to improve our understanding of oxidation reactions and kinetics. To this purpose, Chapter II of this thesis focuses on the kinetic study of the oxidation reactions that take place during the thermal processing of bio-oils for industrial application. Through a new method it was possible to evaluate the kinetic parameters of oxidation of various lipid materials. This allowed us to distinguish between the different lipid materials based on their intrinsic properties. The effect of 18 antioxidants from the major families of natural and synthetic phenols were studied using the same methodology in order to acquire crucial data for enhancing the antioxidant activity of phenols based on structure-activity at high temperatures. Finally, it has been described how the antioxidant activity of α-tocopherol, revealed to be scarce in our conditions, can be improved in the presence of gamma-terpinene, through a synergistic action. Chapter III describes the synthesis and study of the antioxidant activity of polydopamine nanoparticles, in order to clarify the unclear mechanism of action of this material. Finally, in Chapter IV it was reported how the gamma-terpinene strongly inhibits the peroxidation of unsaturated lipids in heterogeneous model systems (micelles and liposomes) by forming hydroperoxyl radicals which diffuse outside the lipid nucleus, blocking the propagation of the chain radical. Furthermore, gamma-terpinene shows a very potent protective activity against ferroptosis being effective in the nanomolar range in the human neuroblastoma cell model.