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. Liposomes are promising and versatile nanocarriers suitable for potential applications in many fields. A decade ago, a new type of liposomes formed from monoalkylated amphiphiles and sterols was born somehow fortuitously in our group. They are referred to as Sterosomes, because they contain a large proportion of sterols, between 50 and 70 mol %. The objectives of the present thesis are to develop novel Sterosome formulations with specific features, and to gain a deeper understanding of the physicochemical rules that dictate their phase behavior. We have specifically examined the role of the molecular features of sterols, of the interfacial charges and of the H-bond capacity in the intermolecular interactions leading to the self-assembly. The phase behavior was characterized by differential scanning calorimetry (DSC), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance spectroscopy of deuterium (2H NMR).  First, we have established some correlations between the structure of the sterols, the propensity to form fluid bilayers, and the permeability of the resulting large unilamellar vesicles (LUVs). The nature of the sterol modulates the properties of the mixture with palmitic acid (PA). Sterols bearing a bulky tail chain at C17 are less capable to induce fluid bilayers than those with a non-bulky tail chain, like that of cholesterol. A large ordering of the alkyl chain of PA is an effect exhibited by all of the investigated sterols. It is shown that the permeability of the LUVs can be controlled using different sterols. However, these sterols have no significant impact on the pH-sensitivity of Sterosomes. In order to create liposomes that are pH-sensitive and that have a positive surface charge, Sterosomes composed of stearylamine and cholesterol (Chol) were designed and characterized. It is concluded that the protonation/deprotonation state of the amine (in this work) and carboxylic acid (in previous work) groups confers the pH-sensitivity and determines the surface charge of the liposomes.  The first completely neutral Sterosomes were crafted based on the creation of strong intermolecular hydrogen bond networks. The sulfoxide group was capable of forming strong hydrogen bonds with cholesterol and water molecules. In an equimolar octadecyl methyl sulfoxide (OMSO)/Chol mixture, a metastable fluid bilayer was obtained at room temperature. This distinct phase behavior allowed extruding the mixtures to form LUVs at room temperature. After 30 h, the life-time of the metastable phase, stable and impermeable Sterosomes still existed in the solid form. A temperature–composition diagram was proposed to summarize the phase behavior of OMSO/Chol mixtures.   Finally, a further step was made to prepare “stealth” Sterosomes by incorporating polyethylene glycol (PEG) with a cholesterol anchor (PEG-Chol) at the interface of PA/Chol Sterosomes. Up to 20 mol % PEG-Chol can be introduced without disturbing the bilayer structure. The presence of PEG-Chol had no significant impact on the permeability of the resulting LUVs. Active-loading of an anti-cancer drug, doxorubicin, can be achieved despite the low permeability of these LUVs and the presence of the PEG at the interface. The inclusion of PEG modified considerably the interface properties and decreased significantly the pH-triggered release observed with naked PA/Chol LUVs. This novel formulation is potentially useful for the application of intravenous administration in the drug delivery field.

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