Abstract:
Bacterial contamination represents a major challenge in the food and medical fields. The limitations of current antibacterial approaches, including the emergence of resistance, are driving the search for new antibacterial compounds.
This doctoral work explores the biological properties of polyionenes as cationic antibacterial polymers. The first objective was to design new polyionene structures by modifying their chemical composition. To this end, two parameters were investigated: 1/ the addition of polarizable amide functions and rigid aromatic rings, and 2/ variations in the length and nature of the hydrophobic segments of the polyionenes. The second objective concerned grafting these polyionenes onto nanoparticles in order to expand their applications. Whether grafted or free in solution, the biological properties of these polymers were then measured, first against bacteria and then mammalian cells.
Several synthesis protocols of the various monomers were developed, as well as for the associated polymers, in order to obtain original polyionene structures. The direct synthesis of gold nanoparticles in the presence of functionalized polyionenes enabled the production of covalently grafted nanoparticles with a high grafting density. It was shown that the molar mass of the polyionene influences the size and grafting density of the gold nanoparticles.
The new polyionenes and the grafted nanoparticles were evaluated for their antibacterial properties against Staphylococcus aureus and Escherichia coli, as well as their biocompatibility with murine fibroblasts (L929). One type of polymer obtained showed selectivity toward Escherichia coli, while another was more effective against Staphylococcus aureus. A third was effective against both strains, with no apparent selectivity. The grafted nanoparticles retained the antibacterial activity of the free polymer at equivalent mass concentration. Biocompatibility studies showed that polymers with short hydrophobic segments are less cytotoxic against the mammalian cells. Among the synthesized polyionenes, some architectures were more effective than the reference polyionene, with greater antibacterial properties and lower cytotoxicity toward mammalian cells.
Finally, a multi-scale study explored the mode of action of the polyionene on the bacterial membrane. It was demonstrated that the polyionene induces detachment of the membrane from the cytoplasm, leading to osmotic lysis. A proteomic analysis revealed under-expression of oxidative stress proteins, suggesting that the polyionene prevents the bacterium from counteracting this stress, leading to its death. These results pave the way for new antibacterial strategies using modified polyionenes grafted onto nanoparticles.
Keywords: Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Nanoparticles, Grafting, Antibacterial, Polymers.
Synthèse, greffage et études in vitro de nouveaux polyionènes : vers une compréhension du mécanisme antibactérien
Résumé :
La contamination bactérienne représente un enjeu majeur dans les domaines agroalimentaires et médicaux. Les limites des approches antibactériennes actuelles, dont l’émergence de résistance, motivent la recherche de nouveaux composés antibactériens.
Ce travail de doctorat explore les propriétés biologiques des polyionènes en tant que polymères cationiques antibactériens. Le premier objectif a été de concevoir de nouvelles structures de polyionènes en modifiant leur composition chimique. Pour ce faire, deux paramètres ont été investigués : 1/ l’ajout de fonctions amides polarisables et des cycles aromatiques rigides, et 2/ la variation de la longueur et la nature des segments hydrophobes des polyionènes. Le second objectif concerne le greffage de ces polyionènes sur des nanoparticules afin d’étendre leurs applications. Qu’ils soient greffés ou libres en solution, les propriétés biologiques de ces polymères ont été ensuite mesurées, envers des bactéries puis des cellules de mammifère.
Plusieurs protocoles de synthèse des différents monomères ont été développés, ainsi que des polymères associés afin d’obtenir des structures de polyionènes originales. La synthèse directe de nanoparticules d’or en présence de polyionènes fonctionnalisés a permis d’obtenir des nanoparticules greffées de manière covalente avec une densité de greffage élevée. Il a été montré que la masse molaire du polyionène influence la taille et la densité du greffage des nanoparticules d’or.
Les nouveaux polyionènes et les nanoparticules greffées ont été évalués pour leurs propriétés antibactériennes contre Staphylococcus aureus et Escherichia coli, ainsi que leur biocompatibilité avec des fibroblastes murins (L929). Un type de polymères obtenus a montré une sélectivité envers Escherichia coli, tandis qu’un autre est plus efficace contre Staphylococcus aureus. Un troisième est efficace envers les deux souches, sans sélectivité apparente. Les nanoparticules greffées ont conservé l’activité antibactérienne du polymère libre, à concentration massique égale. Les études de biocompatibilité ont montré que les polymères avec petits segments hydrophobes sont moins cytotoxiques. Parmi les polyionènes synthétisés, certaines architectures se sont révélées plus performantes que le polyionène de référence, à savoir de plus grandes propriétés antibactériennes et une moins grande cytotoxicité envers les cellules de mammifère.
Enfin, une étude multi-échelles a exploré le mode d’action du polyionène sur la membrane bactérienne. Il a été démontré que le polyionène induit un détachement de la membrane du cytoplasme, entraînant une lyse osmotique. Une analyse protéomique a révélé une sous-expression des protéines de stress oxydatif, suggérant que le polyionène empêche la bactérie de lutter contre ce stress, entraînant sa mort. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles stratégies antibactériennes exploitant les polyionènes modifiés et greffés sur nanoparticules.
Mots clés : Polymères, Antibactérien, Greffage, Nanoparticules, Escherichia coli, Staphylococcus aureus