Développement de vésicules hybrides polymère/lipide comme modèles de membrane cellulaire et micro-/nano-réacteurs

Development of hybrid polymer/lipid vesicles as cell membrane models and micro-/nano-reactors

• Auteur / Autrice : Martin Fauquignon
• Direction : Jean-François Le Meins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Carlotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Le Meins, Stéphane Carlotti, Erwan Nicol, Gladys Massiera, Min Hui Li, Pierre Nassoy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Erwan Nicol, Gladys Massiera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autoassemblage

Vésicules hybrides polymères/lipides

Lipides

Polymères

Mots clés libres

Polymère

Lipide

Vésicules hybrides

Auto-Assemblage

Membrane

Polymer

Lipid

Hybrid vesicles

Self-Assembly

Membrane

Résumé

Les vésicules hybrides, résultant de l’auto-assemblage combiné de copolymères amphiphiles et de phospholipides, font l’objet d’un intérêt grandissant depuis plusieurs années. Ces assemblages peuvent être vus comme des structures vésiculaires avancées comparés aux liposomes et polymersomes. Ils permettent en effet de combiner la variabilité chimique et la stabilité mécanique de la membrane polymère avec la bio-fonctionnalité et la perméabilité de la membrane lipidique. Ces objets pourraient être utilisés dans plusieurs domaines : nano-réacteur pour des réactions enzymatiques, modèle biomimétique de membrane cellulaire, etc. De précédents travaux au sein du LCPO ont permis de développer des vésicules hybrides, principalement à partir de copolymères triblocs PEO-b-PDMS-b-PEO. Ces systèmes ont cependant montré des limitations en termes de propriétés mécaniques, puisqu’ils présentent des déformations à rupture inférieures à celles des liposomes. Le mélange de conformations (en boucle et étendue) des copolymères triblocs dans la membrane serait à l’origine de la faible stabilité mécanique des membranes hybrides. Une des approches pour remédier à ce problème est de contrôler la conformation des chaînes de polymère dans la membrane. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer des systèmes hybrides en substituant les copolymères triblocs par des copolymères diblocs PDMS-b-PEO. Ces derniers s’organisent en bicouches dans la membrane de la même manière que les phospholipides, ce qui pourrait stabiliser les interfaces polymère/lipide.Le travail de cette thèse a consisté à synthétiser une série de copolymères diblocs PDMS-b-PEO pouvant former des polymersomes. Les paramètres d’auto-assemblage des LUV ont été déterminés (concentration d’agrégation critique, rayon de giration et hydrodynamique, nombre d’agrégation, etc.). Les mesures d’épaisseur de membrane ont été réalisées par Cryo-TEM et diffusion des neutrons. Nous nous sommes également intéressés aux propriétés de membrane des polymersomes (fluidité et tenue mécanique).Des vésicules hybrides micrométriques (GHUV) et nanométriques (LHUV) ont été obtenues à partir des copolymères diblocs et du POPC, un lipide modèle. La formation et la structurationde membrane des LHUV a été vérifiée par Cryo-TEM, diffusion des neutrons et spectroscopie de fluorescence tandis que la formation et la structuration de membrane des GHUV a été étudiée par microscopie confocale. Différentes structurations de membrane ont été obtenues pour les GHUV, suivant la masse molaire du copolymère ou encore la composition en lipide. A l’inverse, les membranes des LHUV semblent homogènes, quelle que soit la fraction en lipide utilisée.La perméabilité et la tenue mécanique des membranes hybrides ont pu être modulées suivant la composition en lipide. Étonnement, les polymersomes semblent plus perméables que les liposomes. A l’inverse, l’utilisation de copolymères diblocs permet bien de renforcer la membrane des vésicules hybrides. Les valeurs de ténacité obtenues sont bien supérieures à celles mesurées pour les liposomes et pour les vésicules hybrides composées de copolymères triblocs.Pour finir, la tension de ligne associée aux interfaces polymère/lipide a été mesurée pour la première fois pour des systèmes hybrides. Les valeurs de tensions de ligne trouvées sont comparables à celles mesurées pour des membranes lipidiques multi-phasées.

Hybrid vesicles, resulting from the combined self-assembly of amphiphilic copolymers and phospholipids, have been the subject of growing interest for several years. These assemblies can be seen as advanced vesicular structures compared to liposomes and polymersomes. They combine the chemical versatility and mechanical stability of the polymer membrane with the bio-functionality and permeability of the lipid membrane. These objects could be used in several fields: nano-reactor for enzymatic reactions, biomimetic model of cell membrane, etc. Previous work at the LCPO has led to the development of hybrid vesicles, mainly from triblock copolymers PEO-b-PDMS-b-PEO. However, these systems have shown limitations in terms of mechanical properties, since they have lower lysis strain than liposomes. The mixture of conformations (loop and extended) of triblock copolymers in the membrane would be at the origin of the poor mechanical stability of hybrid membranes. One approach to solve this problem is to control the conformation of polymer chains in the membrane. In this context, the objective of this thesis is to develop hybrid systems by substituting triblock copolymers with PDMS-b-PEO diblock copolymers. The latter are organized in bilayers in the membrane in the same way as phospholipids, which could stabilize the polymer/lipid interfaces.The work of this thesis consisted in synthesizing a series of diblock copolymers PDMS-b-PEO that can form polymersomes. The self-assembly parameters of the LUVs were determined (critical aggregation concentration, radius of gyration and hydrodynamics, number of aggregations, etc.). Membrane thickness measurements were performed by Cryo-TEM and neutron scattering. We were also interested in the membrane properties of polymersomes (fluidity and mechanical properties).Micrometric (GHUV) and nanometric (LHUV) hybrid vesicles were obtained from diblock copolymers and POPC, a model lipid. LHUV membrane formation and structuration was studied by Cryo-TEM, neutron scattering and fluorescence spectroscopy while GHUV membrane formation and structuration was checked by confocal microscopy. Different membrane structurations have been obtained for GHUVs, depending on the molar mass of thecopolymer or on the lipid composition. On the other hand, the LHUV’s membranes appear to be homogeneous, regardless of the lipid fraction used.The permeability and mechanical properties of the hybrid membranes could be modulated according to the lipid composition. Surprisingly, polymersomes seem more permeable than liposomes. On the other hand, the use of diblock copolymers improve the mechanical properties of the hybrid membranes. The toughness values obtained are much higher than those measured for liposomes and for hybrid vesicles composed of triblock copolymers.Finally, the line tension associated with polymer/lipid interfaces was measured for the first time for hybrid systems. The line tension values founded are comparable to those measured for multi-phase lipid membranes.