Interactions des protéines sanguines avec interfaces polymères modifiées

Blood proteins interactions with coated polymer interfaces

• Auteur / Autrice : Charaf Eddine Merzougui
• Direction : Christel Causserand, Patrice Bacchin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Guigui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christel Causserand, Patrice Bacchin, Christelle Guigui, Damien Quémener, Stéphane Pézennec, Murielle Rabiller-Baudry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Quémener, Stéphane Pézennec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Copolymères

Séparation par membranes

Protéines plasmatiques

Mots clés libres

Intéractions

Protéines sanguines

Polymères

Modification de surface des membranes

SAXS

FTIR

Interactions

Blood proteins

Polymers

Membrane surface modification

SAXS

FTIR

Résumé

La séparation sélective des protéines et des cellules sanguines est d'une importance capitale pour traiter certaines maladies cibles et pour plusieurs applications médicales telles que la cicatrisation des plaies. Le défi consiste à fournir la technologie la plus efficace et la plus rentable qui puisse garantir cette séparation. Parmi de nombreuses autres technologies de séparation, les technologies membranaires se sont révélées être prometteuses. Cependant, leurs interactions non spécifiques avec les protéines les rendent vulnérables au bio-colmatage, ce qui limite leur application dans le domaine biomédical. Par conséquent, l'objectif de ce travail est de concevoir une technologie membranaire adaptée pour le dépistage des protéines sanguines en utilisant la modification de surface. Cette dernière est réalisée en déposant certains groupements fonctionnels sur la surface de la membrane, tels que des copolymères polystyrène-poly acrylique acide (PS-PAA) et polystyrène-polyéthylène glycol (PS-PEG), soit pour favoriser une interaction spécifique avec des protéines cibles ou pour réduire leur interaction non spécifique. Dans un premier temps, les interactions potentielles qui pourraient avoir lieu entre les brosses de PAA, PEG et certaines protéines abondantes dans le plasma telles que la sérum-albumine humaine (HSA) et la ƴ-globuline (IgG) ont été étudiées en solution en utilisant la Diffusion des rayons-X aux petits angles (Acronyme anglais : SAXS) combinée à la chromatographie. Ainsi, nous avons constaté que le PAA forme des complexes avec l'HSA dans certaines conditions physico-chimiques spécifiques de pH et de force ionique. Cette liaison HSA-PAA s'est ensuite révélée réversible en fonction du pH et de la force ionique du milieu, et il a été démontré que sa stœchiométrie était liée à la taille du PAA. En revanche, l'IgG n'a pas présenté le même comportement que l'HSA vis-à-vis du PAA, mais elle s'est avérée être partiellement agrégée. Quant au PEG, il n'a montré aucune interaction avec les deux protéines. Ensuite, la cartographie par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a confirmé le succès de la modification de surface par dépôt de copolymères sur la surface de la membrane, bien que la distribution du copolymère y soit hétérogène. L'adsorption statique de l'HSA sur les membranes revêtues de PS-PAA s'est avérée également corrélée au pH et à la force ionique comme elle l'était en solution, alors que celle de l'IgG ne l'était pas. Ensuite, il a été démontré que l'adsorption de l'HSA sur la membrane recouverte de PS-PEG était réduite. Enfin, les expériences de filtration ont révélé la même tendance à l'adsorption de l'HSA en mode dynamique, même si la perméabilité de la membrane était réduite par l'augmentation de la taille des brosses de copolymères déposées sur la surface. Globalement, cette étude nous a permis de comprendre le comportement de certaines protéines sanguines abondantes au contact de certains groupes fonctionnels que ce soit en solution ou à l'interface d'une membrane modifiée.

The selective separation of blood proteins and cells is of a major importance to address some target diseases and for several medical applications such as wound healing. The challenge is to provide the most efficient and cost-effective technology that can ensure that. Among many other technologies, membranes processes have been revealed as promising techniques. However, their nonspecific interactions with proteins make them prone to biofouling, which in turn limits their application in biomedical fields. Therefore, the aim of this work is to design tailored membrane for blood proteins screening via surface modification. This latter is performed by coating onto the membrane surface some functional groups such as polystyrene-poly acrylic acid (PS-PAA) and polystyrene-poly ethylene glycol (PS-PEG) copolymers, either to promote a specific interaction with target proteins or to reduce their non-specific interaction. First, the potential interactions that could take place between PAA, PEG brushes and some abundant proteins in plasma such as human serum albumin (HSA) and ƴ-globulin (IgG) have been investigated in solution using Small Angle X-ray Scattering (SAXS) combined to chromatography. Thus, PAA has been found to form complexes with HSA in some specific physicochemical conditions of pH and ionic strength. This HSA-PAA binding has then been revealed to be reversible depending on the pH and the ionic strength of the medium and its stoichiometry was shown to be related to the PAA size. Whereas IgG did not exhibit the same behaviour as HSA towards PAA, it was found to be partially aggregated in our conditions. PEG did not display any interaction with both proteins. After that, Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) mapping showed that surface modification of the membranes by copolymers coating was successful, although the distribution of copolymer was heterogeneous over the membrane surface. The static adsorption of HSA onto membranes coated with PS-PAA was found to be also correlated to the pH and ionic strength as it was in solution, while that of IgG was not. Then, the adsorption of HSA onto a membrane coated with PS-PEG has been shown to be mitigated. Eventually, filtration experiments disclosed the same trend of HSA adsorption in dynamic mode even though the membrane permeability was reduced by the increase of the size of the copolymers brushes deposited onto the surface. Overall, this study enabled us to understand the behaviour of some abundant blood proteins in contact of some functional groups either in solution or at the interface of a modified membrane.