Impact de nanophytoglycogènes neutres et chargés sur les propriétés biophysiques du surfactant pulmonaire

Les poumons présentent de nombreux avantages en tant que voie d’administration de médicaments. Ils possèdent une grande surface (70-100 m2) pour l’adsorption de molécules et de particules, une mince barrière épithéliale, une faible acidité ainsi qu’un système vasculaire sous-jacent abondant. L’administration par inhalation est une approche prometteuse pour le traitement du cancer des poumons et des infections microbiennes comorbides dans 33% des cas puisqu’elle permet la livraison ciblée d’agents chimiothérapeutiques. Les nanoparticules sont des vecteurs idéaux d’acheminements ciblés de médicaments avec des avantages tels qu’une stabilité élevée/une longue durée de conservation ainsi qu’une capacité de transport élevée. Les nanoparticules inhalées atteignant les alvéoles pulmonaires interagissent avec le surfactant pulmonaire. Ce mélange de lipides et de protéines tapisse l’interface eau/air des alvéoles servant ainsi de barrière. L’interaction physique et chimique des nanoparticules avec le surfactant pulmonaire déterminera leur clairance, rétention et translocation. Nous proposons l’utilisation de nanoparticules de phytoglycogène, extraites de maïs sans OGM, pour l’administration pulmonaire d’un peptide anticancéreux et antimicrobien à double action dont l’administration par voie orale ou par injection est problématique. Le nanophytoglycogène, composé de molécules de glucose, est non-biopersistant, non-toxique et est certifié GRAS (Generally Recognized as Safe) par le Food and Drug Administration pour l’ingestion. Cependant, son innocuité pour l’inhalation reste à déterminer. Avant de déterminer l’efficacité du nanophytoglycogène à des fins de nanotransporteur organique pour la délivrance par aérosol de peptides thérapeutiques, son impact sur les propriétés biophysiques et sur la structure de phase du surfactant pulmonaire doit premièrement être caractérisé. L’objectif du projet est d’étudier les effets de nanophytoglycogène de différentes charges sur les propriétés physicochimiques de modèles du surfactant pulmonaire en utilisant les monocouches Langmuir. Plus précisément, il est question d’étudier les effets des nanoparticules sur l’activité de surface, la morphologie, la réversibilité ainsi que l’épaisseur du film du surfactant pulmonaire. L’imagerie par microscopie à angle de Brewster (BAM, Brewster Angle Microscopy), les isothermes (pression de surface vs aire moléculaire) ainsi que l’ellipsométrie à l’interface eau-air permettent une conjecture des effets néfastes potentielles du nanophytoglycogène sur les poumons. À l’aide de ces techniques, il a été possible d’étudier des monocouches de phospholipides et de protéines, représentant le surfactant pulmonaire. En présence de nanoparticules anioniques et quasi-neutres, les différentes monocouches ne subissaient aucune perturbation. Cependant, les résultats ont démontré que les nanoparticules cationiques se lient aux phospholipides anioniques, ce qui augmente l’épaisseur de la monocouche et ainsi le travail requis pour effectuer un cycle respiratoire. Ces travaux ont démontré l’importance de la charge des nanomatériaux lors de leur interaction avec le surfactant pulmonaire. De plus, les résultats de cette étude ont aussi permis de classer les nanophytoglycogènes quasi-neutre et anionique comme étant des vecteurs de médicaments potentiels. The human lungs present many advantages as a drug delivery route, namely a high surface area (70-100 m2) for the adsorption of molecular species and particles, a thin epithelial barrier, an abundant underlying vasculature, and low acidity. Inhalation delivery is expected to be an ideal approach for the treatment of lung cancer and associated pulmonary infection (33% of cases) as it allows the site-specific physical delivery of chemotherapeutic. Nanoparticle carriers broaden the options for targeted drug delivery systems with advantages including high stability/long shelf life and high carrier capacity. In the alveoli, inhaled nanoparticles interact with lung (pulmonary) surfactant, a lipid/protein mixture that lines the alveolar air/fluid interface and serves as a primary barrier to uptake. The physical/chemical interaction of the nanoparticles with the surfactant determines their clearance, retention, and translocation. We propose to use novel phytoglycogen nanoparticles, extracted from non-GMO corn, for the pulmonary delivery of a dual action anticancer and antimicrobial peptide that is problematic to deliver orally or by injection. Nanophytoglycogen, composed of glucose molecules, is non-biopersistent, non-toxic and is GRAS (Generally Recognized as Safe) for oral ingestion. However, its safety for inhalation remains to be determined. Before evaluating the efficacy of nanophytoglycogen to serve as an organic nanocarrier for the aerosol delivery of peptide therapeutics, their impact on the biophysical properties and phase structure of lung surfactant must first be characterized. The objective of the research is to investigate the effect of nanophytoglycogens of different surface charge on the physicochemical properties of pulmonary surfactant model systems using Langmuir monolayers. More specifically, the effect of the nanoparticles on the surface activity, morphology, reversibility, and film thickness of pulmonary surfactant is studied. Isotherms (surface pressure vs. molecular area), BAM (Brewster Angle Microscopy) imaging, and ellipsometry at the air-water interface allow a surmise of the potential adverse effects of nanophytoglycogen on the lungs. Using these techniques, it was possible to study monolayers of phospholipids and proteins, representing the pulmonary surfactant. In the presence of anionic and quasi-neutral iv nanoparticles, the different monolayers didn’t undergo any disturbance. However, the results demonstrated that cationic nanoparticles bind to anionic phospholipids, which increases the thickness of the monolayer and thus the work required to complete a respiratory cycle. This study has demonstrated the importance of nanoparticle’s surface charge during their interaction with pulmonary surfactant. In addition, the results of this study also made it possible to classify the quasi-neutral and anionic nanophytoglycogens as being potential drug vectors.

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