Étude du comportement d'ADN en solution et aux interfaces et le rôle de la dynamique micellaire et la rhéologie dans la libération contrôlée de médicaments

Study of DNA behavior in solution and at interfaces and the role of micellar dynamics and rheology in drug controlled release

• Auteur / Autrice : Lourdes Mónica Bravo Anaya
• Direction : Yahya Rharbi, J.F. Armando Soltero Martínez, Erika Roxana Larios Durán
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 02/12/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Universidad de Guadalajara (Mexique)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble) - Departamento Ingenieria Quimica / Universidad de Guadalajara
• Jury : Président / Présidente : Naceur Belgacem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yahya Rharbi, J.F. Armando Soltero Martínez, Erika Roxana Larios Durán, Laurence Noirez, José Luis Hernández López
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pablo Taboada, Christophe Chassenieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

ADN

Rhéologie

Mots clés libres

Dynamique micellaire

Rhéologie

Transport de médicaments

ADN

Nanoparticules

Interfaces

Micellar dynamics

Rheology

Drug delivery

DNA

Nanoparticles

Interfaces

Résumé

Étude du comportement d'ADN en solution et aux interfaces : actuellement, l'objectif de parvenir à une plus grande efficacité dans les processus de compaction de l'ADN, dans l'innovation des capteurs d'ADN et dans l'étude des changements dans les propriétés interfaciales générés entre les surfaces métalliques et les molécules d'ADN, est devenue un grand domaine d'intérêt en bioingénierie. Cette section de la thèse propose le couplage des techniques rhéométriques, électrochimiques et optiques afin d'effectuer une étude détaillée du comportement de molécules d'ADN en solution et aux interfaces, en fonction de la température, de la concentration en ADN et du potentiel électrique. Tout d'abord, le comportement rhéologique des solutions d'ADN, ainsi que la détection des concentrations critiques (C* et Ce), est discuté à partir d’expériences de rhéométrie en cisaillement permanent et harmonique. Après avoir étudié les propriétés des solutions d'ADN, des techniques électrochimiques et optiques ont été utilisés pour identifier les changements structurels aux interfaces Au/ADN et Pt/ADN, ainsi que pour décrire l'arrangement des chaînes d'ADN dans la double couche électrochimique pour les régimes dilué et semi-dilués. La réponse obtenue par Spectroscopie d'Impédance Électrochimique (EIS), Modulation Interfaciale de la Capacitance (MIC) et Résonance des Plasmons de Surface (SPR) reflète un processus d'adsorption des molécules d'ADN sur les surfaces métalliques. Finalement, en utilisant des concentrations d’ADN dans le régime dilué, on a étudié la formation de nanoparticules de chitosane-ADN avec stœchiométrie définie pour le transfert de gènes.Le rôle de la dynamique micellaire et la rhéologie dans la libération contrôlée de médicaments: le transfert ciblé d'ingrédients actifs (vectorisation) est un grand défi pour la recherche thérapeutique. Ce procédé est utilisé pour contrôler le transfert des protéines, des gènes et des médicaments vers une cellule cible en l'associant à un vecteur. Les molécules pour la chimiothérapie sont souvent hydrophobes et ont besoin d’un vecteur pour être transférées. Dans cette section de la thèse, on cherche à comprendre les dynamiques d'échange collectives (fusion et fission) entre micelles de copolymères triblocs amphiphiles à l'équilibre et hors équilibre. Ensuite, on étudie les dynamiques d'échange collectives entre ces micelles, choisies comme vecteurs, et des liposomes, choisis comme cellules modèles. On utilise une technique de fluorescence avec un dérivé de pyrène hydrophobe pour suivre les processus de fusion et de fission. Après avoir caractérisé la structure des copolymères amphiphile et avoir étudié leur dynamique à l'équilibre et hors l'équilibre, nous proposons une technique de fluorescence qui permet de quantifier les dynamiques collectives de vectorisation entre les micelles et les liposomes. Les effets de la variation de la concentration de liposomes et de l’adsorption du chitosane sur la membrane du liposome et sur les micelles ont été étudiés.

Nowadays, the target for reaching a greater efficiency in DNA compaction processes, the innovation ofDNA sensors development and the study of changes in the interfacial properties generated between metalsurfaces and DNA molecules has become an area of great interest in bioengineering. This section of thethesis proposes the coupling of rheological, electrochemical and optical techniques to perform a detailedstudy of DNA molecules behavior in the bulk state of the solution and at the interface with two differentmetallic surfaces, as a function of parameters such as temperature, DNA concentration and electricpotential. Firstly, the rheological behavior of DNA/buffer solutions, as well as the evidence of the criticalconcentrations (C★ and Ce) is discussed from simple steady state and oscillatory dynamic shearexperiments. After studying DNA solutions properties, electrochemical and optical techniques are used toidentify structural changes in Au/DNA and Pt/DNA interfaces and to describe the arrangement of DNAchains in the electrochemical double-layer as a function of concentration and within each characteristicregime, i.e. dilute and semi-dilute regimes. The obtained response trough Electrochemical ImpedanceSpectroscospy (EIS), Modulation Interfacial of the Capacitance (MIC) and Surface Plasmon Resonance(SPR) techniques reflects an adsorption process of DNA molecules taking place onto the metal surfaces.Finally, by selecting DNA concentrations in the dilute regime, we studied the formation of chitosan-DNAnanoparticles with defined stoichiometry for gene transfer.The specific delivery of active ingredients, known as vectorization, has actually become a greatchallenge in therapeutic research. This process has been used to control the distribution of activeingredients such as proteins, genes for gene therapy and drugs, to a target by associating it with avector. Molecules for chemotherapy are frequently hydrophobic and require vectorization to betransported to the target cell. In this section of the thesis, we look up to understand the collectiveexchange dynamics (fusion and fission) between amphiphilic block copolymer micelles at the equilibriumand out of the equilibrium, and the exchange dynamics between these micelles (representing vectors)and the simplest model of cells (liposomes). We used a fluorescent technique with hydrophobic pyrenederivative to probe the fusion and fission of micelles at equilibrium. After characterizing amphiphilicblock copolymers structure and studying their dynamics in and out of equilibrium, we proposed a timescan fluorescence technique to quantify the collective vectorization dynamics between amphiphilic blockcopolymer micelles and liposomes. The effect of the variation of several parameters such as liposomeconcentration and a chitosan adsorption were investigated in order to control the vectorizationdynamics between these vectors and cells models.