Macromolecular drug delivery systems, or nanocarriers, designed to improve the bioavailability of therapeutic and diagnostic agents, are promising tools for the site-specific delivery of drugs to the central nervous system (CNS). In particular, nanocarriers exhibit inherent activity that can be used to modulate glial cell responses to stimuli in the CNS microenvironment. However, we have a very poor understanding of how nanocarriers exert these effects. In particular, how their size, shape, and surface chemistry play a role. The main objective of this work was to define how nanocarriers regulate glial cell responses.In these studies, we first examined how a nanogel nanocarrier can promote chaperone-like functions to prevent glial cell responses to a pathological insult. Utilizing oligomeric forms of the 42 amino acid beta-amyloid peptide (Abeta1-42), which plays a central role in Alzheimer's disease, we show that nanogels readily bind to oligomers and prevent their induction of toxicity in both microglial and primary astroglial cell cultures. Moreover, we show that nanogels with a positive surface charge are more cytotoxic and less effective at inhibiting Abeta1-42-mediated toxicity than their neutral counterparts. These results underline the importance of characterizing nanocarrier properties to predict the influence they will exert on glial cell function. Given the central role that microglia play in neuroinflammation, we sought to elucidate the relationship between nanocarrier design and the consequent microglial inflammatory response. We focused our studies on nanocarrier shape, the responses to which are not well characterized. Gold nanoparticles are ideal nanocarriers for such studies because their shape can be easily tuned to generate nanospheres, nanorods, and nanourchins. Using transgenic mice expressing luciferase driven by the toll-like receptor 2 (TLR-2) promoter, a model of microglia activation, we observed an increased bioluminescent signal in the olfactory bulb (OB) following intranasal injection with gold nanorods and nanourchins, but not nanospheres. TLR-2 induction in the OB correlated with the recruitment of Iba1-positive microglia. Confirmatory studies in microglial cultures revealed differential pro-inflammatory cytokine release profiles that were dependent on nanoparticle shape. Our findings provide new guiding principles for the design of nanocarriers to manipulate microglial inflammatory phenotype. Uncontrolled neuroinflammation can exacerbate CNS disorders, such as neurodegenerative disease and glioblastoma multiforme (GBM). Celastrol is a novel drug with known therapeutic activity against neuroinflammation and glioma survival; however its use is limited due to instability and low solubility. We employed models of both, pro-inflammatory microglia and GBM, to promote celastrol's anti-inflammatory and anti-cancer effects, respectively, using nanocarriers.In an in vitro model of neuroinflammation where lipopolysaccharide (LPS) treatment polarizes microglia to a pro-inflammatory state, we first investigated celastrol's ability to inhibit the phenotypic switch. Celastrol blocked LPS-induced pro-inflammatory mediator release from polarized microglia, reducing tumor necrosis factor alpha (TNFalpha), interleukin-6 (IL-6), and nitric oxide production, but caused unwanted cytotoxicity within the same concentration range. By incorporating celastrol into anti-inflammatory poly(amidoamine) (PAMAM) dendritic nanocarriers, we successfully blocked the drug's cytotoxic effects without compromising its anti-inflammatory activity, thereby broadening celastrol's therapeutic index. Unexpectedly, we also uncovered inherent mitogen-activated protein kinase (MAPK) inhibitory activity for naked PAMAM dendrimers in microglia, an affect for which there was no prior knowledge. Preliminary studies of celastrol's anti-cancer action in glioblastoma cells uncovered proteostatic resistance mechanisms that promote gl[abbreviated] / Les systèmes macromoléculaires de délivrance médicamenteuse, ou les nanovecteurs, visent à améliorer la biodisponibilité des agents thérapeutiques et diagnostiques et sont des outils prometteurs pour le traitement des maladies du système nerveux central (SNC). En particulier, les nanovecteurs présentent une activité intrinsèque qui peut être utilisé pour moduler les réponses des cellules gliales aux stimulis du micro-environnement du SNC. Cependant, nos connaissances sur la façon dont ces nanovecteurs exercent leur effets sont limités; en particulier, nous connaissons peu sur le rôle par rapport à leur grandeur, leur morphologie et la chimie de surface. L'objectif principal de cette thèse était de définir comment les nanovecteurs régulent les réponses des cellules gliales.Nous avons d'abord examiné comment les nanovecteurs nanogel peuvent promouvoir les fonctions des chaperons moléculaires pour éviter la cytotoxicité des cellules gliales lors d'une insulte pathologique. Utilisant les formes oligomériques du peptide β-amyloïde (Aβ1-42) jouant un rôle central dans la maladie d' Alzheimer, nous montrons que les nanogels se lient facilement aux oligomères, en prevenant la toxicité dans les deux cultures de cellules microgliales et astroglials primaire. Entre autre, nous montrons que les nanogels avec une charge de surface positive sont plus cytotoxiques et moins efficaces pour inhiber la toxicité de Aβ1-42- par comparaison à leurs homologues neutres. Ces résultats soulignent l'importance de la caractérisation des nanovecteurs pour prédire l'influence qu'ils exercent sur la fonction des cellules gliales. Nous avons cherché à élucider la relation entre la conception des nanovecteurs et la réponse inflammatoire des cellules gliales. Nous étions particulièrement intéressés par un trait qui n'est pas très bien caractérisé: sa morphologie. Les nanoparticules d'or (nanosphères, nanobâtonnets, nanourchins) sont des nanovecteurs idéales pour une telle étude en raison de leur construction modifiable. En utilisant des souris transgéniques qui expriment la luciférase entraînée par le récepteur Toll-like 2 (TLR-2), nous avons observé un signal bioluminescente dans le bulbe olfactif après injection intra-nasale avec des nanorods et des nanourchins, mais pas avec les nanosphères, qui corrélait avec une augmentation de microglies positifs pour Iba-1. Des études portants sur les cultures microgliales ont révélé des profils de libération de cytokines pro-inflammatoires différentielles qui étaient dépendants de la morphologie de nanoparticules, mais indépendants de la chimie de surface. Nos résultats fournissent de nouvelles directives pour la construction de nanovecteurs afin de manipuler le phénotype inflammatoire microgliale.La neuro-inflammation non contrôlée pourrait aggraver les troubles du SNC, tels que les maladies neurodégénératives et le glioblastome multiforme (GBM). Celastrol est un nouveau médicament ayant une activité thérapeutique connue contre la neuro-inflammation et le survie des gliomes, mais l'utilisation est limitée en raison de l'instabilité et de la faible solubilité. Nous avons cherché à élucider ses effets contre l'activité aberrante des cellules gliales en utilisant des nanovecteurs.Dans un modèle in vitro de la neuro-inflammation où le traitement avec lipopolysaccharide (LPS) polarise les cellules microgliales dans un état pro-inflammatoire, nous avons étudié la capacité de celastrol à inhiber le changement de son phénotype. Celastrol a bloqué la libération de médiateurs pro-inflammatoires induit par LPS dans les cellules microgliales polarisées, ce qui réduit la production d'oxyde nitrique, de facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα), et de l'interleukine-6 (IL-6), mais a provoqué une cytotoxicité indésirable à la même concentration. En intégrant celastrol dans les polymères anti-inflammatoire (amidoamine) (PAMAM) nanovecteurs dendritiques, nous avons réussi à bloquer ses effets cytotoxiques sans compromettre[couper]
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121198 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Boridy, Sebastien |
| Contributors | Dusica Maysinger (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Pharmacology & Therapeutics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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