Conception de vecteurs biomimétiques pour le transport de drogues et de protéines

par Giang Ngo (Giang)

Projet de thèse en Biologie Santé

Sous la direction de Joël Chopineau et de Jean-Marie Devoisselle.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de MACS - Matériaux Avancés pour la Catalyse et la Santé (equipe de recherche) depuis le 01-03-2017 .


  • Résumé

    La plupart des processus biologiques dans les systèmes vivants impliquent l'adsorption moléculaire et le transport aux membranes biologiques. Les biomombranes définissent la limite des cellules, des noyaux cellulaires et des organites dans le cytosol. La structure de base des membranes biologiques est celle des lipides typiques associés aux protéines fonctionnelles telles que les récepteurs, les canaux ioniques, les glycoprotéines (1). Leur structure centrale est une bicouche lipidique qui contrôle l'échange de protéines, d'ions et de métabolites entre l'environnement intracellulaire et l'environnement extracellulaire. La complexité des membranes biologiques et leurs interactions avec les réseaux intra et extracellulaires rendent leur investigation directe difficile. L'étude directe des interactions membranaires nécessite la création d'un modèle fiable qui imite la structure de la membrane cellulaire. Pour résoudre ce problème, de nombreux modèles de membranes biomimétiques ont été développés à l'aide de supports solides. Ces modèles sont une membrane lipidique à support solide; Des membranes à amortissement polymère, une membrane lipidique bicouche hybride et une membrane lipidique bicouche attachée (tBLM). Pour étudier, dans des conditions contrôlées, les événements biologiques survenant à l'interface membrane cellulaire, l'équipe du Prof Joel CHPINEAU a récemment développé des dispositifs biomimétiques basés sur des biomembranes supportées. L'un constitue une plate-forme de détection pour la liaison de protéine sur une bicouche sphérique supportée par de la silice (Small 2012). Connues comme une forme mésoporeuse de silice, les nanoparticules de silice mésoporeuse (MsNP), avec de nouvelles avancées dans le contrôle morphologique et la fonctionnalisation de surface ainsi que leur stabilité chimique, ont renforcé l'intérêt de la recherche pour le système hautement intégré. Avec le volume de pores élevé (~ 1 cm 3.g-1) et la grande surface (~ 1000 m2.g-1) et la capacité de fonctionnalisation facilement, MsNP est devenu des matériaux intelligents à encapsuler et à intégrer à l'intérieur et sur le Surface des nanosphères de silice. Aujourd'hui, MsNP a de nombreuses applications en médecine, en biocapteurs, en stockage d'énergie thermique et en imagerie. En 2012, l'équipe du Prof. Joel CHOPINEAU a développé une voie synthétique simple de synthèse des sphères de silice d'or (Au-MsNP) de taille dans la gamme colloïdale par une méthode en une étape dans les conditions basiques (pH = 12) permettant l'isolement des monodispersés Nanosphères fonctionnalisées. Les particules de Au-MsNP obtenues ont alors été revêtues de bicouches de phospholipides pour concevoir une plate-forme biofonctionnelle avancée ayant des propriétés plasmiques essentielles pour une biosensation améliorée ou des applications de délivrance de médicament attendues. Le dispositif de particules Au-MsNP conçu a permis de détecter des événements de liaison récepteur-analyte qui se produisent à une distance d'au moins 10 nm de sa surface, en supposant une taille de 5 nm pour la bicouche lipidique revêtue et la protéine avidine. La deuxième plate-forme est une bicouche biomimétique attachée qui met en évidence et surveille la translocation de la toxine bactérienne (PNAS 2013). Pour caractériser son processus de translocation d'origine à travers la membrane plasmique, l'équipe du Prof. Joel CHOPINEAU a conçu un test in vitro basé sur un modèle de membrane biomimétique dans lequel un tBLM est assemblé sur une surface amine-or (surface de biocapteur SPR) dérivée de calmoduline (CaM) . TBLM sont des structures biomimétiques artificielles qui peuvent immobiliser les protéines membranaires sans dénaturation et sont donc prometteuses pour la réalisation des réseaux de protéines membranaires. Les bicouches attachées sont constituées d'une bicouche espacée de la surface par l'utilisation de molécules ou de couches intercalaires entre le substrat et la bicouche (revue 2007). La bicouche assemblée forme une frontière continue et imperméable aux protéines qui isole complètement le CaM immobilisé (côté trans) du milieu au-dessus (côté cis). La liaison de la toxine bactérienne au tBLM peut être surveillée par spectroscopie SPR, alors que sa liaison au CaM immobilisé et protégé sert de reporter hautement sensible de la translocation de la toxine à travers la bicouche.

  • Titre traduit

    Biomimetic vectors designed for drugs and proteins transport


  • Résumé

    Most of the biological processes in living systems involve molecular adsorption and transport at biological membranes. Biomembranes define the boundary of cells, cell nuclei and organelles in the cytosol. The basic structure of Biological membranes is that of typical lipids associated with functional proteins such as receptors, ion channels, glycoproteins (1). Their central structure is a lipid bilayer that controls the exchange of proteins, ions and metabolites between the intracellular and the extracellular environment. The complexity of biological membranes and their interactions with intra and extracellular networks make their direct investigation become difficult. The direct study of membrane interactions requires creation of reliable model which mimic the cell membrane structure. To address this problem, numerous biomimetic membranes models have been developed using solid supports. These models are solid-supported lipid membrane; polymer-cushioned membranes, hybrid bilayer lipid membrane and tethered bilayer lipid membrane (tBLM). To study, in controlled conditions, the biological events occurring at the cell membrane interface, Prof Joel CHPINEAU's team recently develop biomimetic devices based on supported biomembranes. One constitutes a sensing platform for protein binding on a spherical silica supported bilayer (Small 2012). As known as a mesoporous form of silica, mesoporous silica nanoparticles (MsNP), with new advances in morphology control and surface functionalization along with their chemical stability, have strengthened the research interest for highly integrated system. With the high pore volume (~1 cm 3.g-1) and large surface area (~1000 m2.g-1) and the ability of functionalization easily, MsNP had become smart materials to be encapsulated and integrated both inside and on the surface of silica nanospheres. Today, MsNP have many applications in medicine, biosensors, thermal energy storage and imaging. In 2012, Prof. Joel CHOPINEAU's team had developed a simple synthetic route to synthesis gold silica spheres (Au-MsNP) of size in the colloidal range by one-step method under the basic conditions (pH = 12) which enable the isolation of monodispersed functionalised nanospheres. The obtained Au-MsNP particles then were coated with phospholipid bilayers in order to design an advanced biofunctional platform with plasmonic properties crucial for improved biosensing or expected drug delivery applications. the designed Au-MsNP particle device has allowed to detect a receptor-analyte binding events that occur to a distance of at least 10 nm from its surface, assuming 5 nm size for the coated lipid bilayer and avidin protein. The second platform is a biomimetic tethered bilayer that evidenced and monitored the translocation of bacterial toxin (PNAS 2013). To characterize its original translocation process across the plasma membrane, Prof. Joel CHOPINEAU's team designed an in vitro assay based on a biomimetic membrane model in which a tBLM is assembled on an amine-gold surface (SPR biosensor surface) derivatized with calmodulin (CaM). tBLM are artificial biomimetic structures that can immobilize membrane proteins without denaturing and are thus promising for realization of membrane protein arrays. Tethered bilayers consist of a bilayer spaced out from the surface by the use of spacer molecules or layers which intercalate between the substrate and the bilayer (review 2007). The assembled bilayer forms a continuous and protein-impermeable boundary that fully insulates the immobilized CaM (trans side) from the medium above (cis side). The binding of bacterial toxin to the tBLM can be monitored by SPR spectroscopy, whereas its binding to the shielded, immobilized CaM serves as a highly sensitive reporter of toxin translocation across the bilayer.