Due to their applications in drug delivery, molecular targeting, and the controlled release of active ingredients, hybrid vesicles—formed by combining lipids and polymers—have been the focus of research by chemists, physicists, and biophysicists in recent years. The primary feature of these vesicles lies in the combination of the properties of their two components.
The research conducted on these systems at the Laboratory of Organic Polymer Chemistry aims to determine the chemical and physicochemical conditions for the synthesis of such vesicles, as well as their properties. Among several structural analysis techniques, a method of choice is small-angle neutron scattering (SANS), performed at the Léon Brillouin Laboratory – LLB, which, when combined with deuterium labeling, allows for the determination of the characteristics of these nano-objects and demonstrates the hybrid nature of the vesicles.
The observed structures of mixed vesicles, composed of a copolymer (polydimethylsiloxane grafted with polyoxyethylene blocks (PDMS-g- (PEO)2) and the phospholipid DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholin), reveal the presence of nanoscale lipid domains within the membranes, resulting from phase separation between the amphiphilic polymers and the lipids. This study thus clarifies the processes for getting and modulating the structure of structured membranes, particularly for targeting applications.
Les vésicules hybrides présentent une membrane mixte de polymères biocompatibles et de phospholipides (composants naturels des membranes biologiques). Leur intérêt réside dans la combinaison des propriétés des deux composés : perméabilité, biodégradabilité et furtivité par rapport aux cellules biologiques des lipides et versatilité de fonctionnalisation chimique, résistance et élasticité des polymères. De plus leur faible taille et la nano-structuration résultant de la séparation de phase entre lipides et polymères dans la membrane leur apporte des propriétés de viscosité et déformabilité qui peuvent être ajustées [1].
Pour exploiter au mieux le potentiel de telles structures, la formulation des lipides doit être étudiée, afin qu’elle se rapproche le plus de celles des membranes des cellules biologiques. Les paramètres physiques et moléculaires qui pilotent le diagramme de phase de ces membranes hybrides doivent ensuite être maitrisés. Un des objectifs de la présente étude est de définir les conditions qui conduisent à la formation de nano-domaines enrichis (ou purs) de lipides et de polymères. On peut déjà noter qu’en plus de l’incompatibilité chimique attendue entre les chaînes des blocs polymériques et celles des lipides, leur différence de taille contribue déjà à favoriser une séparation des deux constituants. Un autre paramètre important est la tension de ligne d’interface entre domaines, qui résulte de la différence d’épaisseur entre les domaines de lipides et la membrane polymérique environnante.
Afin de minimiser cette tension de ligne, pour obtenir des nano-ojets stables, nous avons utilisé un copolymère flexible, le PDMS-g-(PEO)2 (ou polydiméthylsiloxane, greffé avec deux fragments pendants de polyoxyéthylène) de masse moléculaire Mw=3000 g/mole. Ce copolymère forme des vésicules ayant une épaisseur de membrane (~ 5 – 6 nm [2] proche de celle des liposomes (~ 3 – 4 nm). Il a été mélangé avec du DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine) dans le rapport massique polymère/lipide ~ 80/20. La petite différence de longueur de chaîne hydrophobe entre les polymères et les chaînes aliphatiques des lipides ainsi que la flexibilité du copolymère facilitent l’adaptation conformationnelle des deux composés dans la membrane. Les vésicules sont préparées par électro-formation de solutions de membranes séchées, puis extrudées 21 fois au travers de membranes poreuses calibrées, afin d’obtenir des vésicules de diamètre homogène (100 nm). Les solutions ainsi obtenues ont été analysées par diffusion de lumière statique et dynamique afin d’observer la distribution en taille des vésicules. Le rayon moyen se trouve être en bon accord avec le rayon hydrodynamique RH. Les images de cryo-microscopie en transmission (Figure 1) montrent les vésicules ainsi obtenues.
Pour obtenir plus d’informations à l’échelle moléculaire sur la structure des membranes de ces vésicules hybrides, des expériences de DNPA ont été réalisées en utilisant du DPPC avec des chaînes aliphatiques complètement deutérées (d62-DPPC). De plus, afin de séparer dans le spectre de diffusion la contribution des lipides de celle des copolymères, des mélanges de solvants D2O/H2O ont été utilisés, de façon à annuler soit le signal issu du polymère, soit le signal issu du lipide, ceci permettant d’observer la contribution isolée de chacun des composants.
Les courbes de diffusion pour les vésicules dans l’eau s’interprète aisément avec un modèle de vésicule tridimensionnel. Celles où l’on observe les lipides seuls s’interprètent de façon consistante, avec une structure en domaines sous forme de disques compacts environnés par des membranes composées de copolymères [3]. Les courbes de diffusion obtenues en annulant la contribution au signal des lipides n’ont pas pu être ajustées et de nouveaux modèles de diffusion par des vésicules perforées doivent être développés.
L’étude en température montre que pour des vésicules de 100 nm, les nano-domaines de lipides sont préservés, même à des températures où les lipides doivent être en phase fluide (à 46°C) et non plus en phase gel (à 20°C). Cette stabilité en température, liée à la taille nanométriques des vésicules est un avantage par rapport aux vésicules de grandes tailles, usuellement très instables.
Ces expériences de DNPA apportent ainsi les informations structurales nécessaires sur les vésicules obtenues à partir de polymères flexibles et de bicouches de lipides. La stabilité en température observée des vésicules hybrides nanométriques est un atout majeur en vue des applications potentielles dans le domaine du transport et du relargage ciblé de principes actifs, qui incite à poursuivre l’étude. Serons en particulier étudiées d’autres architectures de copolymères flexibles, élaborées avec plusieurs lipides et différentes fractions copolymère/lipide, afin d’explorer de la façon la plus large possible l’ensemble du diagramme de phase de ce système, attractif de par ses potentialités applicatives.
Contact CEA-IRAMIS : Annie Brûlet (LLB)
Collaboration :
- T. P. T. Dao, R. Salva, O. Sandre, J-F. Le Meins : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques, UMR 5629, F-33600, Pessac, France
- A. Brûlet : Laboratoire Léon Brillouin, UMR 12, CEA-Saclay, CEA-CNRS, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
- F. Fernandes, M. Prieto : Centro de Química-Física Molecular and Institute of Nanoscience and Nanotechnology, Universidade de Lisboa Instituto Superior Técnico, 1049-001 Lisboa, Portugal
- M. Er-Rafik, M. Schmutz : Institut Charles Sadron, UPR 22 CNRS, Université de Strasbourg, 23 rue du Loess, 67034 Strasbourg, France.
Références :
[1]” Hybrid polymer/lipid vesicles: state of the art and future perspectives”
J.-F. Le Meins, C. Schatz, S. Lecommandoux, O. Sandre, Materials Today 16 (10), 397 (2013).
[2] “Polymersome Shape Transformation at the Nanoscale”R. Salva, J.-F. Le Meins,O. Sandre, A. Brûlet, M. Schmutz, P. Guenoun, S. Lecommandoux, ACS nano 7, 9298 (2013).
[3] “Phase separation in large unilamellar hybrid polymer/lipid vesicles: a rationale to obtain lipid or polymer raft-like nanodomains “
T. P. T. Dao, F. Fernandes, M. Er-Rafik, R. Salva, M. Schmutz, A. Brûlet, M. Prieto, O. Sandre, J-F. Le Meins, ACS Macro Lett. 4 (2), 182 (2015).