Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le diabète mellitus de type I est une maladie de plus en plus abondante. Cette dernière est caractérisée par la destruction auto-immunitaire des îlots de Langerhans incluant les cellules de type [bêta] qui produisent de l'insuline dans le pancréas endocrinien. Une option de traitement pour les patients atteints de cette maladie est notamment une greffe des îlots de Langerhans. Ce traitement est limité dû au nombre restreint de donneurs d'organes et aussi à la perte de fonctionnalité des îlots suite à la greffe. Les études effectuées tout au long de cette thèse ont pour optique d'adresser ces contraintes par le biais de la science des biomatériaux. La thèse débute avec un survol détaillé des concepts de base et des complexités associés aux interactions de type cellules et surfaces trouvées dans la littérature. II s'agit spécifiquement des interactions physiques et chimiques, des systèmes expérimentaux ainsi que des caractérisations et modifications associés aux interactions entre cellules et surfaces. La première étude de nature expérimentale examine la morphogenèse des cellules progénitrices ductales (PANC-1 cell line) vers des îlots qui produisent des agrégats semblables à des îlots (ILA). Le tout est fait sur des surfaces de carboxyméthyl dextrane (CMD) sur lesquelles le RGD est greffé via un lien covalent. L'expression des marqueurs d'lLAs (cytokeratin-19, Ki67, et E-cadherin) qui peuvent être associés à un changement de phénotype de ces cellules a été évaluée ainsi que la sécrétion et l'expression de l'insuline. La seconde étude de nature expérimentale a pour optique l'immobilisation de la fibronectine (FN) sur les mêmes surfaces de CMD mentionnées auparavant sur lesquelles des cellules ayant un phénotype [bêta] (INS-1 cell line) ont proliféré. Lors du processus d'immobilisation, plusieurs solutions ont été étudiées. L'immobilisation de la fibronectine sur des surfaces de CMD a été validée par la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X. Le mécanisme d'immobilisation a été déterminé par imagerie et mesures de force par microscopie à force atomique, la spectroscopie de dichroïsme circulaire ainsi que par la diffusion dynamique de la lumière. De plus, la croissance des cellules de type INS-1 et la sécrétion d'insuline ont été évaluées. La dernière étude de nature expérimentale visait l'étude de la coculture des cellules endothéliales et des îlots de porc dans un gel de fibrine. L'effet de la présence des cellules endothéliales sur la production d'insuline des îlots a été évalué. De plus, l'apoptose cellulaire en coculture a été évaluée et comparée aux cultures simples.

Les phosphates de calcium sont les céramiques les plus utilisées dans la régénération osseuse grâce à leur biocompatibilité et leur bonne résorption. Pourtant, leur performance peut être améliorée s'ils sont associés à des facteurs de croissance. Afin de contrôler le relargage des facteurs de croissance, l'objectif de la thèse a été de synthétiser des phosphates de calcium avec une mésoporosité contrôlée. Ce travail représente la première association des phosphates de calcium mésoporeux avec les facteurs de croissance TGF et VEGF.Pour obtenir des phosphates de calcium mésoporeux, des nouvelles techniques de réplique ont été mises en place : L'hydroxyapatite est synthétisée dans la porosité des templates siliciques ou carbonés par infiltration de précurseurs en solution aqueuse. L'élimination de la matrice s'effectue par dissolution chimique par de la soude dans le cas du template silicique et par oxydation sélective sous air dans le cas du template carboné. Six céramiques ont été choisies pour une analyse de leurs capacités d'adsorption et de relargage de protéines. Dans un premier temps, un protocole est mis en place en utilisant des protéines modèles, la BSA et le Cytochrome Cavant d'utiliser les facteurs de croissance TGF et VEGF. Ces travaux ont permis de déterminer les poudres les plus efficaces en terme d'adsorption et de relargage contrôlé de ces facteurs de croissance. / Calcium phosphates are the most frequently used ceramics for bone regeneration due to their biocompatibility and favorable resorption properties. Their performance can however be improved if they are associated to growth factors. In order to control the release of growth factors, we have inted to synthesize calcium phosphates with controlled mesoporosity. This thesis represents the first work that combines mesoporous calcium phosphates with the growth factors TGF and VEGF. To obtain hydroxyapatite with controlled mesoporosity, we propose new synthesis pathways: the hydroxyapatite is synthesized inside the porosity of silica or carbon templates by infiltration of aqueous precursor solutions. The template is eliminated by chemical etching with NaOH (silica template) or by selective oxidation (carbon template). Six ceramics have been chosen for the analysis of their protein adsorption and release properties. First, the experimental protocol is defined using the model proteins BSA and Cytochrom C. Then, the growth factors TGF and VEGF have been used. By this study, we were able to determine which samples were the most efficient in terms of protein adsorption and release.

L'objectif de cette thèse est de créer de nouvelles surfaces nanostructurées avec des revêtements bioactifs et d'étudier leurs propriétés physico-chimiques afin de développer de meilleurs modèles d'implants dentaires et d'optimiser leur ostéo-intégration. Cette fonctionnalisation a été réalisée en deux étapes ; on a commencé par la nano structuration de la surface de TiO2 par anodisation pour créer des sites réactifs sur les bords extérieurs des nanotubes qui agissent comme des points d'ancrage du revêtement bioactif et améliorent le verrouillage mécanique entre le revêtement et le substrat. Ensuite, la modification chimique est réalisée par revêtement de la surface nanostructurée avec des revêtements bioactifs de phosphate de calcium (CaP) et phosphate de calcium dopé par strontium (Sr.CaP). Ce revêtement a été réalisé par électrodéposition pulsée. La caractérisation physico-chimique par MEB, XPS et IR a montré que le dopage avec Sr favorise un composé non-apatitique similaire à DCPD ou DCPA (Dicalcium Phosphate Dihydrate ou Anhydrous), tandis que le revêtement de CaP non-dopé ressemble à un composé d'apatite amorphe ACP. L'addition de strontium s'offre le double avantage de favoriser les mécanismes de la croissance cellulaire et d'obtenir une phase inorganique avec de bio-performances meilleurs que les composés apatitiques. Nous avons également évalué les propriétés d'adsorption de ces surfaces fonctionnalisées en étudiant l'adsorption des protéines (BSA).Cette adsorption a été réalisée sur nanotubes fonctionnalisés vierges, nanotubes enrobés avec CAP et CAP dopé Sr et elle a été évalués selon le temps de déposition et la valeur du pH de la solution qui affecte la charge de la protéine et de la surface. L'évaluation cinétique et structurelle révèle diffèrent géométries d'adsorption en fonction du pH, du temps d'adsorption et aussi en fonction de la nature chimique de la surface. Ces résultats de l'adsorption et conformation de protéine forment une base de données pour comprendre et contrôler ses activités et réactions avec le vivant lorsqu'elle est utilisée dans le system des implants dentaires / The objective of this thesis is to create new nanostructured surfaces with bioactive coatings and to study theirs physicochemical properties in order to develop better dental implants designs and promote their osseointegration. This functionalization was performed in two steps; starting by the nanostructuration of TiO2 surface by anodisation to create reactive sites on the edges of titanium nanotubes which acts as points of “attachment" to bioactive coatings. The second step was the surface chemical modification by coating the nanostructured surface with bioactive coatings of calcium phosphate (CaP) and strontium doped calcium phosphate (Sr.CaP). This coating was performed by pulsed electrodeposition. The physicochemical characterization by XPS, SEM and IR showed that doping with Sr promotes a non-apatitic compound similar to DCPD or DCPA (Dicalcium Phosphate Dihydrate or Anhydrous), while undoped CaP coating looks like an amorphous apatite-like compound ACP. The addition of strontium has the double advantage of optimizing the cellular multiplication and of giving an inorganic phase with bio-performance better than apatitic compounds. We also evaluated the adsorption proprieties of these functionalized surfaces by investigating the adsorption of proteins (BSA). This adsorption was performed onto tblank nanotubes, nanotubes coated with CaP and Sr doped CaP and evaluated according to deposition time and to the pH value of the solution that affect both protein and surface charge. The kinetic and structural evaluation reveals different adsorption geometries according to pH and adsorption time and also according to the chemical nature of surface. Such results of protein adsorption and conformation may form a database to understand and control protein activities and reactions with living body when used for dental implants system

Le biofilm bactérien constitue un obstacle majeur à la cicatrisation des plaies. Par ailleurs, il est responsable de l’émergence d’une résistance et d’une tolérance accrues aux antibiotiques. Par conséquent, le développement de systèmes de délivrance contrôlée d’un agent ciblant la structure du biofilm apparaît comme une approche thérapeutique alternative indispensable et urgente pour la prise en charge des plaies chroniques. A travers cette étude, nous avons développé des systèmes membranaires pour pansements libérant une protéine, la dispersine B (DB),capable de cibler de manière sélective la matrice du biofilm, en créant un microenvironnement délétère pour le biofilm bactérien. Pour ce faire, nous nous sommes intéressés aux membranes asymétriques (MAs) à base de polyesters biodégradables tels que le poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate), le poly (butylène succinate-co-butylène adipate) (PBSA), et l’acide polylactique. En incorporant dans la solution de polymère des agents porogènes hydrophiles (APs), nous avons pu obtenir des MAs à porosité élevée, un réseau poreux interconnecté, perméables au dioxygène et à l’eau vapeur. En utilisant l’albumine de sérum bovin, nous avons pu montrer que la capacité de piégeage de la protéine et sa libération contrôlée à partir des MAs de PBSA était influencée par la structure de celles-ci et la présence d’APs résiduels. Les études in vitro ont montré une très grande efficacité anti-biofilm à la fois en inhibition et en dispersion (jusqu’à 80%). Les tests standards normalisés de cytotoxicité in vitro ont montré que les MAs de PBSA non chargées et chargées en DB répondaient aux critères de cytocompatibilité exigées pour une application de type pansement. / Bacterial biofilms are a major obstacle to the wound healing process. In addition, they are responsible for the emergence of resistance and tolerance to antibiotics. Hence, the development of controlled drug delivery systems targeting the bacterial biofilm appears as an urgent and essential alternative therapeutic approach for the effective management of chronic wound. In this work, we developed wound dressings in which a protein, dispersin B (DB), is released capable of selectively targeting the biofilm matrix, creating a deleterious microenvironment for the bacterial biofilm. To this end, we were interested in asymmetric membranes (AMs) from biodegradable polyesters such as the poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate), the poly (butylene succinate-co-butylene adipate) (PBSA) and the polylactic acid. By the incorporation of hydrophilic porogen agents (PA), we were able to obtain AMs with a high level of porosity, exhibiting a porous interconnected network and oxygen and water vapor permeability. Using bovine serum albumin as a model protein, we demonstrated that protein loading and release from the PBSA AMs were affected by the membrane structure and the presence of residual PA. In vitro studies showed highest antibiofilm efficiency both in inhibition and dispersion (up to 80%). Normalized in vitro cytotoxicity standard assays revealed that unloaded and DB-loaded PBSA membranes met cytocompatibility criteria required for wound dressing applications.

Nanomedicine is based primarily on the concept of drug formulation through nanotechnology. The main idea is based on the encapsulation of an active ingredient by a nanoparticle (NP) to allow it to accumulate in tumors, to penetrate a biological barrier or to target a biological component. However, the performance of these formulations is disappointing, and, in recent years, it has been noticed that their effectiveness has not improved in the last decade. Some recent hypotheses highlight our lack of knowledge about the interactions of nanotechnologies with living organism and more particularly the lack of techniques to quantify these interactions. We therefore explore in this thesis the development and adaptation of a new microscopy technique, dynamic differential microscopy (DDM), to study the interactions of nanotechnologies with biological matrices. Two subjects are discussed, the first on the interactions of NPs with the proteins of biological fluids and, the second one, on the capacity of NPs to diffuse in interstitial tissues. First, we reviewed quantification techniques that were allowing the measurement of protein adsorption at the surface of NPs. We then identified fundamental questions of this adsorption, namely, if it was generally structured in monolayers or in multilayers and if it was reversible or irreversible. A meta-analysis, based on these questions, could therefore guide the development of the DDM technique to measure protein adsorption and therefore answer these questions. The methodology proposed for the quantification of protein adsorption is based on the measurement of the fluorescence signal which comes from fluorescently tagged proteins adsorbed on non-fluorescent NPs. This methodology was successfully applied for the quantification of the adsorption of lysozyme, albumin and serum proteins. The technique demonstrated that all the proteins studied adsorbed in monolayers and that their adsorption was reversible. An atypical adsorption mechanism which was also hypothesized in our meta-analysis was evidenced by DDM as well. Next, we applied DDM to study the diffusion of NPs in extracellular matrices. The contribution of deformability has been a parameter studied in terms of its relation to improve their diffusion within these confined environments. The diffusion of "soft" NPs was compared to that of "hard" NPs in an agarose gel, mimicking the extracellular matrix. Soft NPs have been observed to diffuse up to 100 times faster than hard NPs of the same size. Evaluation of the hydrodynamic and electrostatic contributions determined that the soft NPs shrinks in the gel, boosting their diffusion in comparison to hard NPs. In summary, this work highlights the important contribution of analytical techniques to the field of nanotechnologies applied to pharmacy and to our understanding of their interactions with living organisms. It is clear that the contribution of these techniques to our detailed understanding of nanomedicine properties has a direct relation with their clinical translation potential. / La nanomédecine repose essentiellement sur le développement de nouvelles formulations pour délivrer les médicaments à partir de nanotechnologies. L’idée principale est que l’encapsulation d’un principe actif par une nanoparticule (NP) pourrait lui permettre de s’accumuler dans des tumeurs, de pénétrer une barrière biologique ou bien pour cibler une composante biologique. Or, les performances de ces « nano-formulations » sont décevantes et, depuis quelques années, il a été remarqué que leur efficacité ne semble pas avoir évoluée dans le temps. De récentes hypothèses mettent de l’avant notre manque de connaissances vis-à-vis les interactions des nanotechnologies avec les éléments du vivant, et plus particulièrement, le manque de techniques robustes permettant de quantifier ces interactions. Nous proposons donc dans cette thèse le développement et l’adaptation d’une nouvelle technique de microscopie, la microscopie différentielle dynamique (DDM), pour étudier les interactions entre les nanotechnologies et les matrices biologiques. Deux thématiques seront abordées, la première, les interactions des NPs avec les protéines des fluides biologiques et, la seconde, la capacité des NPs à diffuser dans des tissus interstitiels. D’abord, nous avons revus les techniques de quantification permettant la mesure de l’adsorption de protéines à la surface des NPs. Nous avons ensuite identifié les questions fondamentales en lien avec cette adsorption. Deux phénomènes sont largement débattus dans la littérature, il s’agit de la formation de multicouches et de la réversibilité de l’adsorption. Une méta-analyse a donc permis d’orienter le développement de la technique par DDM pour mesurer l’adsorption de protéines, dans le but de répondre à ces interrogations. La méthodologie proposée pour la quantification de l’adsorption de protéines à la surface des NPs repose sur la mesure du signal de fluorescence de protéines fluorescentes adsorbées à la surface des NPs non fluorescentes. Cette méthodologie a été appliqué avec succès pour la quantification de l’adsorption des protéines du sérum, du lysozyme et de l’albumine. La technique a d’ailleurs permis de montrer que toutes les protéines étudiées s’adsorbaient en monocouches et que leur adsorption était réversible. Un mécanisme d’adsorption atypique a été mis en évidence dans le cadre de nos expériences et un parallèle a pu être fait avec certaines hypothèses émises avec notre méta-analyse. Ensuite, nous avons appliqué la DDM pour l’étude de la diffusion des NPs dans des matrices extracellulaires. La déformabilité des NPs a été étudiée afin de définir plus précisément sa contribution dans la diffusion à l’intérieur de milieux confinés. La diffusion des NPs « molles » a été comparée à celle des NPs « dures » dans un gel d’agarose, mimant la matrice extracellulaire. Les NPs molles ont été en mesure de diffuser jusqu’à 100 fois plus rapidement que les NPs dures de même taille. L’évaluation des contributions hydrodynamiques et électrostatiques a permis de déterminer que la taille des NPs molles, réduisant dans le gel, leur accordant un avantage diffusif par rapport aux NPs dures. En sommes, ces travaux ont permis de mettre en évidence l’importance des techniques analytiques pour l’étude des nanotechnologies appliquées à la médecine et pour affiner notre compréhension de leurs interactions avec le vivant. Il est clair que la contribution de ces techniques à l’avancement de nos connaissances théoriques relatives aux nanotechnologies aura un impact direct sur leurs chances d’effectuer une transition vers la clinique.

Protéines sont largement utilisés dans la formulation dans le domaine pharmaceutique et de jouer un rôle important dans les fonctions biologiques. Il est bien connu que l'adsorption de protéines sur la surface solide est toujours observé pour un stockage à long terme, ce qui entraînera une réduction de la dose de substance active ou une perte de l'activité biologique. Dans certains cas, une courte période de contact avec la surface est suffisante pour modifier fortement la conformation des protéines : par exemple, l'insuline pertes 52% de son activité biologique après 5 minutes de contact avec la surface de verre, ainsi qu'une perte de 30% d’activité biologique du cétrorélix est observé après 2 heures de contact. Parmi tous les paramètres, la dénaturation des protéines est fortement liée à sa stabilité des propriétés de surface. La compréhension de l'adsorption de protéines est devenue une question cruciale dans l'industrie pharmaceutique.Pour mieux comprendre le comportement des protéines à la surface, la quantification des protéines adsorbées et sa conformation devrait être étudiée. L'objectif de notre recherche sera de comprendre les comportements des protéines sur différents surfaces de seringue pré - remplie classique.Le principal objectif de ce projet est de comprendre le comportement de plusieurs modèles de protéines comme la sérum d’albumine bovine (BSA), le lysozyme (LSZ) et la myoglobine (MGB) en contact avec des surfaces de seringues pré-remplie comme le verre et l’élastomère. Nous proposons d'utiliser la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) pour la quantification de protéine adsorbée sur une surface plane en déterminant la déplétion des protéines en solution. La réflexion totale atténuée infrarouge à transformée de fourier (FTIR-ATR) spectroscopie est utilisée de suivre les changements structurels des protéines adsorbées sur des surfaces solides. [...] / Proteins are widely used in formulation in the pharmaceutical field and play a major role in biological functions. It is well known that protein adsorption on solid surface is always observed for a long-term storage, which will result in a reduced dose of active compound or a loss of biological activity. In some cases, only short time of contact are sufficient to drastically modify the protein conformation: for instance, insulin losses 52% of its biological activity after 5 minutes contacting with glass surface, as well as a loss of 30% of cetrorelix is observed after 2 hours. Among all parameters, the time frame of the denaturation process is strongly related to the protein stability and surface properties. The understanding of protein adsorption has therefore become a crucial issue in the pharmaceutical industry.To gain a better understanding of proteins’ behavior on the surface, adsorbed protein quantification and its conformation should be studied. The objective of our research in a first will be to understand proteins’ behaviors on various surfaces which composed a classical prefilled syringe.The main goal of this PhD project is to understand the behaviors of several model proteins like bovine serum albumin (BSA), lysozyme (LSZ) and myoglobin (MGB) in contact with the surfaces of prefilled syringes such as glass and elastomer. We propose to use the high performance liquid chromatography (HPLC) to quantify the amount of protein adsorbed on a flat surface by determining the depletion of the proteins in solution. Fourier transform infrared-attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy was as well as employed to follow the structural changes of adsorbed BSA on solid surface. [...]

Dans ce travail, l'adsorption de protéines globulaires sur des surfaces modifiées a été investiguée par ellipsométrie et par réflectivité de neutrons.<p><p>L'adsorption de myoglobine deutérée sur des monocouches hydrophobes d'OTS et de PS a été étudiée par réflectivité de neutrons pour des solutions de protéines de différentes concentrations (de 1 mg/ml à 0.01 mg/ml). A basse concentration, les protéines adsorbées se dénaturent et s'étalent sur le substrat hydrophobe et l'adsorption résulte en une fine couche dense en protéines. Sur le PS, les protéines s'étalent moins, ce qui est en accord avec la moindre hydrophobicité du PS. A haute concentration, une couche supplémentaire peu dénaturée est observée au-dessus de la première couche.<p><p>La cinétique d'adsorption primaire de HSA a été étudiée par ellipsométrie sur des brosses de PEG (Mw = 35700 Da) de différentes densités de greffage. Les résultats confirment que les brosses de PEG répriment l'adsorption de protéines. En outre, l'adsorption est très rapide sur le PS, tandis que sur les brosses, l'adsorption est plus lente. Le comportement à temps long de la quantité adsorbée Γ en fonction de la densité de greffage σ est en accord semi-quantitatif avec une théorie développée par Halperin et basée sur les différentes contributions à l'énergie libre d'une protéine adsorbée. Il a également été mis en évidence un régime pour lequel le taux d'adsorption dΓ/dt décroît exponentiellement avec la quantité de protéines adsorbées Γ.<p><p>L'adsorption de protéines (lysozyme, HSA et myoglobine) a ensuite été étudiée sur des brosses de PNIPAM en fonction des paramètres de la brosse et de la température. Les brosses ont été greffées par ATRP à partir d'une monocouche d'OEG (oligo éthylène glycol) silanisé contenant du brome comme initiateur. Il a été montré que l'adsorption primaire sur la surface de greffage est inférieure à 0.1 mg/m^2 et que l'adsorption ternaire dans la brosse, en dessous et au-dessus de la LCST, ne dépasse pas 1 mg/m^2 (~ 2% de fraction volumique en protéines). La résistance à l'adsorption a été associée à la présence d'une région hydrophile superficielle qui pourrait présenter une barrière cinétique à l'adsorption des protéines dans le cœur moins polaire de la brosse.<p><p>L'ensemble de ces résultats montre que les propriétés interfaciales du substrat jouent un rôle crucial dans les processus d'adsorption des protéines. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished