Physical factors affecting plasmid DNA compaction in stearylamine-containing nanoemulsions intended for gene delivery

Cationic lipids have been used in the development of non-viral gene delivery systems as lipoplexes. Stearylamine, a cationic lipid that presents a primary amine group when in solution, is able to compact genetic material by electrostatic interactions. In dispersed systems such as nanoemulsions this lipid anchors on the oil/water interface confering a positive charge to them. The aim of this work was to evaluate factors that influence DNA compaction in cationic nanoemulsions containing stearylamine. The influence of the stearylamine incorporation phase (water or oil), time of complexation, and different incubation temperatures were studied. The complexation rate was assessed by electrophoresis migration on agarose gel 0.7%, and nanoemulsion and lipoplex characterization was done by Dynamic Light Scattering (DLS). The results demonstrate that the best DNA compaction process occurs after 120 min of complexation, at low temperature (4 ± 1 °C), and after incorporation of the cationic lipid into the aqueous phase. Although the zeta potential of lipoplexes was lower than the results found for basic nanoemulsions, the granulometry did not change. Moreover, it was demonstrated that lipoplexes are suitable vehicles for gene delivery. © 2012 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland.

Novel non phospholipid liposomes with high sterol content : development and characterization

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments.

Desenvolvimento de nanosistemas farmacêuticos para terapia gênica

Gene therapy is one of the major challenges of the post-genomic research and it is based on the transfer of genetic material into a cell, tissue or organ in order to cure or improve the patient s clinical status. In general, gene therapy consists in the insertion of functional genes aiming substitute, complement or inhibit defective genes. The achievement of a foreigner DNA expression into a population of cells requires its transfer to the target. Therefore, a key issue is to create systems, vectors, able to transfer and protect the DNA until it reaches the target. The disadvantages related to the use of viral vectors have encouraged efforts to develop emulsions as non-viral vectors. In fact, they are easy to produce, present suitable stability and enable transfection. The aim of this work was to evaluate two different non-viral vectors, cationic liposomes and nanoemulsions, and the possibility of their use in gene therapy. For the two systems, cationic lipids and helper lipids were used. Nanoemulsions were prepared using sonication method and were composed of Captex® 355; Tween® 80; Spam® 80; cationic lipid, Stearylamine (SA) or 1,2-dioleoyl-3-trimethylammoniumpropane (DOTAP) and water (Milli-Q®). These systems were characterized by average droplet size, Polidispersion Index (PI) and Zeta Potential. The stability of the systems; as well as the DNA compaction capacity; their cytotoxicity and the cytotoxicity of the isolated components; and their transfection capacity; were also evaluated. Liposomes were made by hydration film method and were composed of DOTAP; 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), containing or not Rhodaminephosphatidylethanolamine (PE- Rhodamine) and the conjugate Hyaluronic Acid DOPE (HA-DOPE). These systems were also characterized as nanoemulsions. Stability of the systems and the influence of time, size of plasmid and presence or absence of endotoxin in the formation of lipoplexes were also analyzed. Besides, the ophthalmic biodistribution of PE-Rhodamine containing liposomes was studied after intravitreal injection. The obtained results show that these systems are promising non-viral vector for further utilization in gene therapy and that this field seems to be very important in the clinical practice in this century. However, from the possibility to the practice, there is still a long way

Produção e avaliação de nanoemulsão catiônica como possível vetor não-viral para pIRES2-EGFP

Gene therapy is based on the transfer of exogenous genetic material into cells or tissues in order to correct, supplement or silencing a particular gene. To achieve this goal, efficient vehicles, viral or non-viral, should be developed. The aim of this work was to produce and evaluate a nanoemulsion system as a possible carrier for no-viral gene therapy able to load a plasmid model (pIRES2-EGFP). The nanoemulsion was produced by the sonication method, after been choose in a pseudo-ternary phase diagram build with 5 % of Captex 355®, 1.2 % of Tween 80®, 0.8 % of Span 80®, 0.16% of stearylamine and water (to 100 %). Measurements of droplet size, polydispersity index (PI), zeta potential, pH and conductivity, were performed to characterize the system. Results showed droplets smaller than 200 nm (PI < 0.2) and zeta potential > 30 mV. The formulation pH was near to 7.0 and conductivity was that expected to oil in water systems (70 to 90 μS/s) A scale up study, the stability of the system and the best sterilization method were also evaluated. We found that the system may be scaled up considering the time of sonication according to the volume produced, filtration was the best sterilization process and nanoemulsions were stable by 180 days at 4 ºC. Once developed, the complexation efficiency of the plasmid (pDNA) by the system was tested by agarose gel electrophoresis retardation assay.. The complexation efficiency increases when stearylamine was incorporated into aqueous phase (from 46 to 115 ng/μL); regarding a contact period (nanoemulsion / pDNA) of at least 2 hours in an ice bath, for complete lipoplex formation. The nanoemulsion showed low toxicity in MRC-5 cells at the usual transfection concentration, 81.49 % of survival was found. So, it can be concluded that a nanoemulsion in which a plasmid model was loaded was achieved. However, further studies concerning transfectation efficiency should be performed to confirm the system as non-viral gene carrier

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.

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.

Particle engineering for the production of respirable dry powder formulations

Hyaluronan (HA) plays an important role in lung pathophysiology. For this reason it has attracted great attention both as active ingredient and as excipient in treating lung diseases by direct pulmonary HA administration. The aim was the production of highly respirable and flowable HA powders either as a potential carrier for drug delivery or for being delivered directly by inhalation. Engineered sodium hyaluronate powders were produced by spray-drying technique. All the spray-dried powders were characterised in terms of particle size distribution, drug content, morphology and in vitro respirability. HA was successfully formulated with salbutamol sulphate in combination with leucine and highlighted remarkable aerodynamic performance (emitted dose equal to 83 % and FPF % equal to 97.1%). Moreover, HA colloidal solutions were designed and they were spray-dried. In order to improve particle aerodynamic characteristics, different types of excipients were investigated. In particular, stearylamine (5% w/w) allowed to obtain the best performance throughout the experimental set. Finally, in vitro biocompatibility was carried out by MTT assay and High Content Analysis for selected dry powder formulations and starting materials. The assays demonstrated the same outcome by confirming the HA biocompatibility and by producing the same rank of toxicity for the surfactants. The general conclusion of the project is that formulation containing HA and stearyl alcohol represents the best performing formulation.

Development of plasmid dna formulations for application as microspheric dna vaccines

The advent of DNA vaccines has heralded a new technology allowing the design and elicitation of immune responses more adequate for a wider range of pathogens. The formulation of these vaccines into the desired dosage forms extends their capability in terms of stability, routes of administration and efficacy. This thesis describes an investigation into the fabrication of plasmid DNA, the active principle of DNA vaccines, into microspheres, based on the tenet of an increased cellular uptake of microparticulate matter by phagocytic cells. The formulation of plasmid DNA into microspheres using two methods, is presented. Formulation of microspheric plasmid DNA using the double emulsion solvent evaporation method and a spray-drying method was explored. The former approach involves formation of a double emulsion, by homogenisation. This method produced microspheres of uniform size and smooth morphology, but had a detrimental effect on the formulated DNA. The spray-drying method resulted in microspheres with an improved preservation of DNA stability. The use of polyethylenimine (PEI) and stearylamine (SA) as agents in the microspheric formulation of plasmid DNA is a novel approach to DNA vaccine design. Using these molecules as model positively-charged agents, their influence on the characteristics of the microspheric formulations was investigated. PEI improved the entrapment efficiency of the plasmid DNA in microspheres, and has minimal effect on either the surface charge, morphology or size distribution of the formulations. Stearylamine effected an increase in the entrapment efficiency and stability of the plasmid DNA and its effect on the micropshere morphology was dependent on the method of preparation. The differences in the effects of the two molecules on microsphere formulations may be attributable to their dissimilar physico-chemical properties. PEI is water-soluble and highly-branched, while SA is hydrophobic and amphipathic. The positive charge of both molecules is imparted by amine functional groups. Preliminary data on the in vivo application of formulated DNA vaccine, using hepatitis B plasmid, showed superior humoral responses to the formulated antigen, compared with free (unformulated) antigen.

Preparation and characterization of gas-filled liposomes:Can they improve oil recovery?

Although well known for delivering various pharmaceutical agents, liposomes can be prepared to entrap gas rather than aqueous media and have the potential to be used as pressure probes in magnetic resonance imaging (MRI). Using these gas-filled liposomes (GFL) as tracers, MRI imaging of pressure regions of a fluid flowing through a porous medium could be established. This knowledge can be exploited to enhance recovery of oil from the porous rock regions within oil fields. In the preliminary studies, we have optimized the lipid composition of GFL prepared using a simple homogenization technique and investigated key physico-chemical characteristics (size and the physical stability) and their efficacy as pressure probes. In contrast to the liposomes possessing an aqueous core which are prepared at temperatures above their phase transition temperature (Tc), homogenization of the phospholipids such as 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3- phosphocholine (DPPC) or 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocoline (DSPC) in aqueous medium below their Tc was found to be crucial in formation of stable GFL. DSPC based preparations yielded a GFL volume of more than five times compared to their DPPC counter part. Although the initial vesicle sizes of both DSPC and DPPC based GFL were about 10 μm, after 7 days storage at 25°C, the vesicle sizes of both formulations significantly (p < 0.05) increased to 28.3 ± 0.3 μm and 12.3 ± 1.0 μm, respectively. When the DPPC preparation was supplemented with cholesterol at a 1:0.5 or 1:1 molar ratio, significantly (p < 0.05) larger vesicles were formed (12-13 μm), however, compared to DPPC only vesicles, both cholesterol supplemented formulations displayed enhanced stability on storage indicating a stabilizing effect of cholesterol on these gas-filled vesicles. In order to induce surface charge on the GFL, DPPC and cholesterol (1: 0.5 molar ratio) liposomes were supplemented with a cationic surfactant, stearylamine, at a molar ratio of 0.25 or 0.125. Interestingly, the ζ potential values remained around neutrality at both stearylamine ratios suggesting the cationic surfactant was not incorporated within the bilayers of the GFL. Microscopic analysis of GFL confirmed the presence of spherical structures with a size distribution between 1-8 μm. This study has identified that DSPC based GFL in aqueous medium dispersed in 2% w/v methyl cellulose although yielded higher vesicle sizes over time were most stable under high pressures exerted in MRI. Copyright © Informa Healthcare USA, Inc.

Liposome formulation of poorly water soluble drugs:optimisation of drug loading and ESEM analysis of stability

Liposomes due to their biphasic characteristic and diversity in design, composition and construction, offer a dynamic and adaptable technology for enhancing drug solubility. Starting with equimolar egg-phosphatidylcholine (PC)/cholesterol liposomes, the influence of the liposomal composition and surface charge on the incorporation and retention of a model poorly water soluble drug, ibuprofen was investigated. Both the incorporation and the release of ibuprofen were influenced by the lipid composition of the multi-lamellar vesicles (MLV) with inclusion of the long alkyl chain lipid (dilignoceroyl phosphatidylcholine (C 24PC)) resulting in enhanced ibuprofen incorporation efficiency and retention. The cholesterol content of the liposome bilayer was also shown to influence ibuprofen incorporation with maximum ibuprofen incorporation efficiency achieved when 4 μmol of cholesterol was present in the MLV formulation. Addition of anionic lipid dicetylphosphate (DCP) reduced ibuprofen drug loading presumably due to electrostatic repulsive forces between the carboxyl group of ibuprofen and the anionic head-group of DCP. In contrast, the addition of 2 μmol of the cationic lipid stearylamine (SA) to the liposome formulation (PC:Chol - 16 μmol:4 μmol) increased ibuprofen incorporation efficiency by approximately 8%. However further increases of the SA content to 4 μmol and above reduced incorporation by almost 50% compared to liposome formulations excluding the cationic lipid. Environmental scanning electron microscopy (ESEM) was used to dynamically follow the changes in liposome morphology during dehydration to provide an alternative assay of liposome stability. ESEM analysis clearly demonstrated that ibuprofen incorporation improved the stability of PC:Chol liposomes as evidenced by an increased resistance to coalescence during dehydration. These finding suggest a positive interaction between amphiphilic ibuprofen molecules and the bilayer structure of the liposome. © 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Desenvolvimento de nanosistemas farmacêuticos para terapia gênica

Gene therapy is one of the major challenges of the post-genomic research and it is based on the transfer of genetic material into a cell, tissue or organ in order to cure or improve the patient s clinical status. In general, gene therapy consists in the insertion of functional genes aiming substitute, complement or inhibit defective genes. The achievement of a foreigner DNA expression into a population of cells requires its transfer to the target. Therefore, a key issue is to create systems, vectors, able to transfer and protect the DNA until it reaches the target. The disadvantages related to the use of viral vectors have encouraged efforts to develop emulsions as non-viral vectors. In fact, they are easy to produce, present suitable stability and enable transfection. The aim of this work was to evaluate two different non-viral vectors, cationic liposomes and nanoemulsions, and the possibility of their use in gene therapy. For the two systems, cationic lipids and helper lipids were used. Nanoemulsions were prepared using sonication method and were composed of Captex® 355; Tween® 80; Spam® 80; cationic lipid, Stearylamine (SA) or 1,2-dioleoyl-3-trimethylammoniumpropane (DOTAP) and water (Milli-Q®). These systems were characterized by average droplet size, Polidispersion Index (PI) and Zeta Potential. The stability of the systems; as well as the DNA compaction capacity; their cytotoxicity and the cytotoxicity of the isolated components; and their transfection capacity; were also evaluated. Liposomes were made by hydration film method and were composed of DOTAP; 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), containing or not Rhodaminephosphatidylethanolamine (PE- Rhodamine) and the conjugate Hyaluronic Acid DOPE (HA-DOPE). These systems were also characterized as nanoemulsions. Stability of the systems and the influence of time, size of plasmid and presence or absence of endotoxin in the formation of lipoplexes were also analyzed. Besides, the ophthalmic biodistribution of PE-Rhodamine containing liposomes was studied after intravitreal injection. The obtained results show that these systems are promising non-viral vector for further utilization in gene therapy and that this field seems to be very important in the clinical practice in this century. However, from the possibility to the practice, there is still a long way

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.