Phénomènes interfaciaux mis en jeu dans les interac6ons molécule- membrane

Transcription

1 Phénomènes interfaciaux mis en jeu dans les interac6ons molécule- membrane V. Rosilio Ins$tut Galien Paris- Sud, UMR CNRS Université Paris- Sud 11 Journées de Chimie X-ENS-ESPCI ParisTech-UPS de Chimie 2013

2 Challenges de la délivrance ciblée de substances aux cellules Solubilité aqueuse RE R M Transport passif (médié ou non) Transport ac3f N G Mi spécificité gemcitabine M: membrane plasmique N: noyau G: golgi RE: re6culum endoplasmique Mi: mitochondrie R: récepteur membranaire tetraphenylporphyrine (TPP) 2

3 Interac6on de la gemcitabine avec la cellule Gemcitabine Hydrosoluble Lignée cellulaire sensible Lignée cellulaire résistante hent1 Transport ac6f Pas de transport ac6f, ni passif Bildstein et al., So?

4 Le concept de la squalenoyla6on squalene squalene γ gemcitabine SQ- Gem Couvreur et al., Nano 2006 Rosilio et al., EP B1, 2011 European Inventor Award finalists,

5 Le concept de la squalenoyla6on squalene a = 8.8 nm H 1 squalene D = nm γ gemcitabine SQ- Gem Couvreur et al., Nano Le@ers 2006 Rosilio et al., EP B1, 2011 European Inventor Award finalists, 2013 DL = 50% Couvreur et al., Small

6 Porphyrines glycodendrimériques NH N N HN H H H H H H H H H HN NH NH HN H NH HH H H H H H H H H H H H H H α- mannose ou H (DP) GDP- DEG GDP- TEG Ballut et al., Chem Commun récepteur lec6nique (Concanavaline A) 6

7 Mécanismes d interac6on avec la membrane? reconnaissance moléculaire? endocytose? Diffusion passive? SQ-Gem Porphyrines 7

8 Membranes cellulaires Modèle mosaïque fluide, Singer & Nicholson, Science, 1972 R RE M N G Mi Modèle mosaïque, Engelman, Nature, 2005 Extracellulaire M: membrane plasmique N: noyau G: golgi RE: re6culum endoplasmique Mi: mitochondrie R: récepteur membranaire Intracellulaire 8

9 Modélisa6on de la membrane cellulaire Modèles bicouches et monocouches Alberts, Molecular Biology of the Cell

10 Modélisa6on de la membrane cellulaire Intérêt des monocouches dans l approche biomimé3que Curr. pin. Struct. Biol V b - - V + b V - b Air Water Monolayer π contrôle de la composi6on contrôle de la densité superficielle Bilayer Water contrôle de la pression latérale contrôle de la nature du milieu environnant 10

11 Lipides membranaires Composi6on lipidique des membranes, van Meer, Nat Rev Mol Cell Biol 2008 choline (40-50%) sérine éthanolamine (<10%) ( 20%) R- glycérol- (chaine d acide gras) 2 : glycérophospholipide ou R- sphingosine- acide gras : céramide ( 20%) 11

12 Propriétés des lipides membranaires SPC Propriétés des phospholipides Géométrie globale (CPP) Température de transi6on de phase Nature des têtes polaires Conforma6on des chaines acyl SPHINGMYELINE rganisa6on latérale non aléatoire 12

13 Propriétés des lipides membranaires Paramètre d empilement (critical packing parameter) CPP = v h a p l c a p = aire moyenne par tête l c = longueur de la chaine v h = volume chaine hydrocarbonée T, ph et I - dépendant 1 < CPP <1 2 CPP < 1 3 CPP < CPP < 1 2 CPP >1 Israelachvili, Intermolecular Forces 1992 Nagarajan, Langmuir

14 Propriétés des lipides membranaires Polymorphisme lyotrope et thermotrope Wilkinson & Nagle, BBA 1982 Barenholz & Cevc in Physical Chemistry of Biological Interfaces

15 Propriétés interfaciales des lipides membranaires

16 Isotherme π - A Changement d état au sein d une monocouche CLLAPSE! Π (mn/m)" ETAT SLIDE! ETAT LIQUIDE! LC LE ETAT GAZEUX! Aire moléculaire (Å 2 )! 16

17 Propriétés des lipides membranaires Effet de la température sur le comportement interfacial de DPPC π = Δγ 45 C T m = 41 C Wilkinson & Nagle, BBA C Bordi et al., Colloids Surf B

18 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Effet de la nature de la tête polaire sur le comportement interfacial du phospholipide (interface air/eau et air/tampon) SPC/eau SPE/eau SPS/eau Température : 22 ±1 C ph eau: 6.5 ph sol HEPES: 6.5 SPC/HEPES SPE/HEPES SPS/HEPES HEPES: 4- (2- hydroxyethyl)- 1- piperazineethane sulfonic acid 18

19 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Effet de la conforma3on des chaines acyl sur le comportement des phospholipides Comparaison de DSPC, DPC et SPC (T= 22 ±1 C) T m = 6 C T m = - 20 C T m = 55 C 19

20 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Compressibilité latérale C s des monocouches Comparaison de DSPC, SPC et DPC (T = 22 ±1 C) C 1 s = 1 = A dπ C s da DSPC SPC LC DPC LE G 20

21 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Mélanges de lipides: π 2 composants immiscibles ou miscibles π A 12 ( N 1 A 1 + N 2 A 2 ) = 0 π A 12 ( N 1 A 1 + N 2 A 2 ) = ΔA EXC π 2 π 1 π 1 N 1 =0 N 1 =1 N 1 =0 N 1 =1 A ΔG π π m = (A 12 N 1 A 1 N 2 A 2 )dπ + RT N 1 ln N 1 + N 2 ln N 2 0 π ΔG excès + A ( ) ΔG m Idéal 21

22 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Mélanges DPC- DSPC (1:1) T m (DPC)= -20 C T m (DSPC) = 55 C C s 1 = A dπ da DSPC DPC LC DSPC DPC Hac- Wydro et al., Colloids Surf. B

23 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Mélanges DPC- DSPC (1:1) π ΔG excès π = (A 12 0 N 1 A 1 N 2 A 2 )dπ G exc > 0 DPC DSPC DPC DSPC A 12 ( N 1 A 1 + N 2 A 2 ) 0 DSPC DPC Hac- Wydro et al., Colloids Surf. B

24 Interac6on molécules- membrane SQ- Gem/DPC- DSPC- CHL

25 Modélisa6on des interac6ons molécule/membrane Analyse du phénomène d adsorp3on- pénétra3on tensiomètre 1 π = γ aq γ m Comportement interfacial de la substance Ciné6que d adsorp6on Tension superficielle d équilibre 2 Comportement interfacial du modèle lipidique Stabilité de la monocouche 3 Interac6on substance- monocouche à pressions ini6ales π i Δπ = π T π i 25

26 Comportement interfacial des NP de SQ- Gem [SQ-Gem] =3.9 x 10-5 M π = γ H 2 γ 38 mn/m 28.6 mn/m 13 mn/m 40 π (mn/m) 13 mn/m 38.1 mn/m mn/m mn/m SQ-Gem NP SQ-Gem molecules Ambike et al., Langmuir Time (h)

27 Interac6on des NP avec des monocouches lipidiques [SQ-Gem] =3.9 x 10-5 M 40 π or π (mn/m) Free interface DPC-DSPC-CHL (4.5: 4.3: 1.2) DPC DPC-DSPC (1:1) π i = 30 mn/m π Time (h) DPC: dioleoylphosphatidylcholine DSPC: distearoylphosphatidylcholine Ambike et al., Langmuir

28 Comportement de SQ- Gem en mélange avec les lipides Analyse de l interaction de SQ-Gem avec chaque lipide ΔG EXC = π ΔA 0 EXC dπ Pour une monocouche contenant 20% de SQ-Gem, à 30 mn/m: G EXC (DPC) = J/mol G EXC (DSPC) = - 20 J/mol G EXC (CHL) = J/mol Interaction défavorable 28

29 rganisa6on des monocouches mixtes SQ- Gem- lipides DPC-DSPC-SQ Gem GEXC = +223 J/mol LC Interac3on défavorable LE DPC-DSPC GEXC = +75 J/mol DSPC- DPC- CHL DPC-DSPC-CHL-SQ Gem GEXC = - 47 J/mol DSPC- DPC Ambike et al., Langmuir

30 Interac6on non spécifique molécule- membrane Porphyrines/SPC- SPE- SPS- CHL NH N N HN H H H H H H H H H HN NH NH HN H NH HH H H H H H H H H H H H H H Diffusion passive?

31 Propriétés interfaciales des lipides membranaires Mélange de phospholipides (SPC, SPE, SPS) avec cholestérol M0: 0% Chol CHL: 5 wt% 11 wt% 18 wt% M3, M2, M1 Makky et al., Langmuir 2010a 31

32 Interac6on des porphyrines /monocouche M3 π i = γ aq γ m Δπ = π T π i π i = 15 mn/m π i > 28mN/m Pression maximale d insertion Makky et al., Langmuir 2010a 32

33 Interac6on des porphyrines /monocouche M3 Π e = π T = aπ i + b SPC-SPE-SPS-CHL (36/34/12/18) a GDP- TEG = 0,59 a DP = 0,69 a GDP- DEG = 0,72 Calvez, Langmuir 2011 GDP- DEG > DP > GDP- TEG 33

34 Interac6on spécifique molécule- membrane Porphyrines/SPC- SPE- SPS- CHL- Con A Reconnaissance moléculaire

35 Interac6on spécifique porphyrines- Concanavaline A QCM- D Δm = C n Δf SAUERBREY Δf (Hz) R: rinçage R R DP R GDP- DEG R GDP- TEG Time (min) Makky et al., Langmuir 2010b 35

36 QCM- D Interac6on porphyrine/bicouche- Con A Con A Si 2 Δf (Hz) GDP- DEG GDP- TEG R R Time (min) DP R R Makky et al., BBA

37 QCM- D Interac6on porphyrines/cellules Y79 Modifica6on de surface Dépôt cellulaire Poly- lysine R DP f (Hz) GDP- TEG GDP- DEG GDP- TEG GDP- TEG Temps (min) Makky et al., BBA

38 Conclusion endocytose Diffusion passive SQ-Gem/ DPC-DSPC-CHL (Diffusion passive) Reconnaissance moléculaire endocytose Porphyrines/ SPC-SPE-SPS-CHL Bildstein et al, So?

39 Remerciements SQ-Gem P. Couvreur et S. Lepêtre-Mouelhi A. Ambike et B. Stella Porphyrines glycoconjuguées P. Maillard, J.P Michel A. Makky, K. Daghildjian et S. Ballut 39