Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées.

Fabrication of fibril like aggregates by self-assembly of block copolymer mixtures via interpolymer hydrogen bonding

This paper describes the formation of fibril like aggregates from the self-assembly of block copolymer mixture (polystyrene-b-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) and polystyrene-b-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA)) via interpolymer hydrogen bonding in nonselective solvent. The hydrogen bonding between P4VP and PAA in chloroform leads to the formation of complex. When all the pyridine units in P4VP were all hydrogen bonded to acrylic acid in PAA, the formed complex is insoluble, resulting in the formation of spherical micellar aggregates and nanorods.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Mise au point de micelles polyioniques pour l'administration de biomacromolécules thérapeutiques : synthèse de polymères et études physicochimiques

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

A metal complex that imitates a micelle

A metal complex with a micelle-like, core-shell structure adopts higher nuclearity in water than in organic solvents, thereby imitating also the growth of a micelle, but through covalent rather than non-covalent aggregation.

Complex formation in solutions of oppositely charged polyelectrolytes at different polyion compositions and salt content

The formation of complexes in solutions containing positively charged polyions (polycations) and a variable amount of negatively charged polyions (polyanions) has been investigated by Monte Carlo simulations. The polyions were described as flexible chains of charged hard spheres interacting through a screened Coulomb potential. The systems were analyzed in terms of cluster compositions, structure factors, and radial distribution functions. At 50% charge equivalence or less, complexes involving two polycations and one polyanion were frequent, while closer to charge equivalence, larger clusters were formed. Small and neutral complexes dominated the solution at charge equivalence in a monodisperse system, while larger clusters again dominated the solution when the polyions were made polydisperse. The cluster composition and solution structure were also examined as functions of added salt by varying the electrostatic screening length. The observed formation of clusters could be rationalized by a few simple rules.

Complex formation of bovine serum albumin with a poly(ethylene glycol) lipid conjugate

In this work, we report the formation of complexes by self-assembly of bovine serum albumin (BSA) with a poly(ethylene glycol) lipid conjugate (PEG(2000)-PE) in phosphate saline buffer solution (pH 7.4). Three different sets of samples have been studied. The BSA concentration remained fixed (1, 0.01, or 0.001 wt % BSA) within each set of samples, while the PEG(2000)-PE concentration was varied. Dynamic light scattering (DLS), rheology, and small-angle X-ray scattering (SAXS) were used to study samples with 1 wt % BSA. DLS showed that BSA/PEG(2000)-PE aggregates have a size intermediate between a BSA monomer and a PEG(2000)-PE micelle. Rheology suggested that BSA/PEG(2000)-PE complexes might be surrounded by a relatively compact PEG-lipid shell, while SAXS results showed that depletion forces do not take an important role in the stabilization of the complexes. Samples containing 0.01 wt % BSA were studied by circular dichroism (CD) and ultraviolet fluorescence spectroscopy (UV). UV results showed that at low concentrations of PEG-lipid, PEG(2000)-PE binds to tryptophan (Trp) groups in BSA, while at high concentrations of PEG-lipid the Trp groups are exposed to water. CD results showed that changes in Trp environment take place with a minimal variation of the BSA secondary structure elements. Finally, samples containing 0.001 wt % BSA were studied by zeta-potential experiments. Results showed that steric interactions might play an important role in the stabilization of the BSA/PEG(2000)-PE complexes.

Molecular dynamics simulation of interactions between a sodium dodecyl sulfate micelle and a poly(ethylene oxide) polymer

We have performed atomistic molecular dynamics simulations of an anionic sodium dodecyl sulfate (SDS) micelle and a nonionic poly(ethylene oxide) (PEO) polymer in aqueous solution. The micelle consisted of 60 surfactant molecules, and the polymer chain lengths varied from 20 to 40 monomers. The force field parameters for PEO were adjusted by using 1,2-dimethoxymethane (DME) as a model compound and matching its hydration enthalpy and conformational behavior to experiment. Excellent agreement with previous experimental and simulation work was obtained through these modifications. The simulated scaling behavior of the PEO radius of gyration was also in close agreement with experimental results. The SDS-PEO simulations show that the polymer resides on the micelle surface and at the hydrocarbon-water interface, leading to a selective reduction in the hydrophobic contribution to the solvent-accessible surface area of the micelle. The association is mainly driven by hydrophobic interactions between the polymer and surfactant tails, while the interaction between the polymer and sulfate headgroups on the micelle surface is weak. The 40-monomer chain is mostly wrapped around the micelle, and nearly 90% of the monomers are adsorbed at low PEO concentration. Simulations were also performed with multiple 20-monomer chains, and gradual addition of polymer indicates that about 120 monomers are required to saturate the micelle surface. The stoichiometry of the resulting complex is in close agreement with experimental results, and the commonly accepted "beaded necklace" structure of the SDS-PEO complex is recovered by our simulations.

Oppositely charged polyelectrolytes: complex formation and effects of chain asymmetry

The formation of complexes in solutions of oppositely charged polyions has been studied by Monte Carlo simulations. The amount as well as the length, and thus, the absolute charge of one of the polyions have been varied. There is an increasing tendency to form large clusters as the excess of one kind of polyion decreases. When all polyions have the same length, this tendency reaches a maximum near, but off, equivalent amounts of the two types of polyions. When one kind of polyion is made shorter, the propensity to form large clusters decreases and the fluctuations in cluster charge increases. Simple free-energy expressions have been formulated on the basis of a set of simple rules that help rationalize the observations. By calculating cluster distributions in both grand canonical and canonical ensembles, it has been possible to show the extent of finite-size effects in the simulations.

A micelle nucleation model for the interaction of dodecyl sulphate with Lys49-phospholipases A(2)

Bothropstoxin-I (BthTx-I) is a Lys49-PLA(2) from the venom of Bothrops jararacussu that lacks detectable catalytic activity, yet causes rapid Ca2+-independent membrane damage. With the aim of understanding the interaction between BthTx-I and amphiphilic molecules, we have studied the interaction of sodium dodecyl sulphate (SDS) with the protein. Circular dichroism and attenuated total reflection Fourier-transform infrared spectra of BthTx-I reveal changes in the alpha-helical organization of the protein at an SDS/BthTx-I molar ratio of 20-25. At SDS/BthTx-I ratios of 40-45 the alpha-helices return to a native-like conformation, although fluorescence emission anisotropy measurements of 2-amino-N-hexadecyl-benzamide (AHBA) demonstrate that the total SDS is below the critical micelle concentration when this transition occurs. These results may be interpreted as the result of SDS accumulation by the BthTx-I homodimer and the formation of a pre-micelle SDS/BthTx-I complex, which may subsequently be released from the protein surface as a free micelle. Similar changes in the alpha-helical organization of BthTx-I were observed in the presence of dipalmitoylphosphatidylcholine liposomes, suggesting that protein structure transitions coupled to organization changes of bound amphiphiles may play a role in the Ca2+-independent membrane damage by Lys49-PLA(2)s. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

EPR spectroscopic investigation of membrane protein structure and folding on light harvesting complex LHCIIb

Structure and folding of membrane proteins are important issues in molecular and cell biology. In this work new approaches are developed to characterize the structure of folded, unfolded and partially folded membrane proteins. These approaches combine site-directed spin labeling and pulse EPR techniques. The major plant light harvesting complex LHCIIb was used as a model system. Measurements of longitudinal and transversal relaxation times of electron spins and of hyperfine couplings to neighboring nuclei by electron spin echo envelope modulation(ESEEM) provide complementary information about the local environment of a single spin label. By double electron electron resonance (DEER) distances in the nanometer range between two spin labels can be determined. The results are analyzed in terms of relative water accessibilities of different sites in LHCIIb and its geometry. They reveal conformational changes as a function of micelle composition. This arsenal of methods is used to study protein folding during the LHCIIb self assembly and a spatially and temporally resolved folding model is proposed. The approaches developed here are potentially applicable for studying structure and folding of any protein or other self-assembling structure if site-directed spin labeling is feasible and the time scale of folding is accessible to freeze-quench techniques.

Raman spectroscopy of some complex arsenate minerals—implications for soil remediation

The application of spectroscopy to the study of contaminants in soils is important. Among the many contaminants is arsenic, which is highly labile and may leach to non-contaminated areas. Minerals of arsenate may form depending upon the availability of specific cations for example calcium and iron. Such minerals include carminite, pharmacosiderite and talmessite. Each of these arsenate minerals can be identified by its characteristic Raman spectrum enabling identification.