Bicouches lipidiques modèles pour l'étude des interactions de substances exogènes avec les membranes biologiques : exemple d'un principe actif squalénisé, le ddC-SQ

Interactions between exogene molecules and lipidic model membranes : example of a squalenoyl prodrug, SQddC

• Auteur / Autrice : Vanessa Allain
• Direction : Claudie Bourgaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pharmacotechnie et physico-chimie pharmaceutique
• Date : Soutenance le 15/12/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Innovation Thérapeutique : du Fondamental à l'Appliqué (Châtenay-Malabry, Haut-de-Seine ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Galien Paris-Saclay (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Couvreur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Mignet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Clayette, Perla Relkin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Ions

pH

Cholestérol

Lécithine

Membranes (biologie)

Mots clés libres

Membranes modèles

Séparations de phases

Sphingomyéline

Analogue nucléosidique

Dideoxycytidine (ddC)

Squalénisation

DdC squalène (ddC-SQ)

Calorimétrie (DSC)

Model membranes

Phase separations

Phosphatidylcholine

Sphingomyelin

Cholesterol

PH

Ions

Nucleoside analogue

Dideoxycytidine (ddC)

Squalenoylation

DdC squalene (SQddC)

X ray diffraction (XRD)

Differential scanning calorimetry (DSC)

Résumé

Les principes actifs, dans leur chemin vers leur cible thérapeutique, rencontrent une ou plusieurs membranes biologiques (plasmique, intracellulaire). Les interactions entre un principe actif et ces membranes sont importantes : d’une part les propriétés pharmacocinétiques de la molécule active (transport, distribution, accumulation) en dépendent, d’autre part le principe actif peut modifier les propriétés structurales des membranes. L’étude de ces interactions est rendue difficile par la complexité des membranes en termes de composition (lipidique et protéique) et de structure (hétérogénéité de l’organisation). Par conséquent, l’utilisation de systèmes modèles simplifiés est nécessaire. Au cours de ce travail de thèse nous avons cherché à réaliser des bicouches lipidiques modèles dont les caractéristiques se rapprochaient de celles des membranes biologiques en complexifiant progressivement leur composition lipidique. Nous avons ensuite étudié l’interaction d’une molécule anti-VIH squalénisée, le ddC-SQ, avec nos modèles de membrane.Un des rôles essentiels des membranes biologiques étant de séparer deux milieux aqueux de composition ionique différente, nous avons étudié dans un premier temps l’influence de la nature du milieu d’hydratation sur les propriétés thermiques et structurales des bicouches lipidiques. A pH physiologique, nous avons mis en évidence que seuls les ions divalents (à faibles concentrations) induisaient de profondes modifications structurales en provoquant la formation de vésicules unilamellaires dans les systèmes simples. Une seconde partie de nos travaux a consisté à étudier l’interaction d’un antiviral squalénisé, le ddC-squalène (ddC-SQ), avec nos différentes bicouches modèles. Cet analogue nucléosidique a été associé de manière covalente à une chaîne de squalène afin d’améliorer ses propriétés pharmacocinétiques. Cette squalénisation confère à la molécule la capacité de s’auto-assembler en nanoparticules présentant une structure cubique bicontinue. Les résultats obtenus ont révélé que le principe actif squalénisé interagissait fortement avec les membranes à l’inverse de la molécule native. L’organisation structurale des systèmes modèles est profondément modifiée par l’insertion du ddC-SQ, ce qui pourrait influer sur l’activité du composé.

Drugs must cross one or more biological membranes (plasma membrane, intracellular membrane) to reach their intracellular target. Interactions between drug and membranes play a significant role in the pharmacokinetic properties of drug such as transport, distribution, accumulation. Moreover, drugs may alter membrane properties. The complexity of the composition (protein and lipid) and the structural properties (heterogeneity) of membranes leads to a difficult investigation of these interactions. Consequently, use of simplified model membranes is needed. In this work, model lipid bilayer systems in which the lipid organization mimics the arrangement of lipids in natural membrane have been developed. In this way, the complexity of lipid composition mixtures has been progressively increased. The primary function of membrane is to physically separate aqueous compartments from their surroundings. The intracellular and extracellular fluids differ in ionic composition. This study firstly consists to estimate the influence of aqueous medium nature on the thermodynamic and structural properties of these model membranes.In physiological conditions (pH 7.4, ionic strength 150 mM), the most significant change was obtained in the presence of divalent ions. Markedly change in lipid organization was observed and the formation of unilamellar vesicles has been evidenced (at low concentrations) in simple model bilayers. Interactions of an antiretroviral nucleoside analogue, the SQddC, with lipid systems constitute the second part of our work. Squalene has been covalently coupled to ddC, in order to improve its therapeutic index. Squalenoylation leads to amphiphilic prodrugs which self-organize as nanoparticles. ddC weakly interacts with lipid membranes while SQddC-SQ can insert into membranes between hydrophobic alkyl chains and induce disruption of lipid organization. Consequently, the efficacy and/or toxicity of this drug could change.