Vliv karbosilanových dendritických amfifilních nanočástic na neutrální a negativně nabité lipidové modelové membrány

Bc. Eliška ZEMANOVÁ

Master's thesis

The influence of carbosilane dendritic amphiphilic nanoparticles on neutral and negatively charged lipid model membranes

Abstract:

Amfifilní dendrony jsou relativně nové a slibné struktury, které mohou najít mnoho využití v oblasti molekulární biologie a nanomedicíny. Myšlenka jejich syntézy souvisela s konstrukcí platforem pro systémy podávání léků nebo vektorů pro značení vezikul přirozených buněk - exozomů. Tato diplomová práce je věnována dvěma amfifilním strukturám AE1.59 a AE1.80, které byly syntetizovány jako vektory pro modifikaci exosomů. U každé nové nanočástice, která byla vytvořena s myšlenkou využití v biomedicínské aplikaci, je potřeba důkladné biofyzikální charakterizace a zkoumání jejího vlivu na biologické systémy. V literatuře bylo prokázáno, že vliv nanočástic na biologické systémy souvisel s mnoha faktory, jako je chemické složení, velikost částice, povrchový náboj a hydrofobnost struktury. Studium biologických membrán není jednoduché, především z hlediska jejich složité architektury, a proto byly místo nich široce používány lipidové modelové membrány. Lipidové modelové membrány se skládají pouze z lipidů, které slouží v biologických systémech jako matrice pro proteiny, a proto si zachovávají vlastnosti a strukturu přirozených membrán. Cílem této práce bylo studovat vliv amfifilních struktur AE1.59 a AE1.80 na vybrané neutrální a záporně nabité lipidové modelové membrány. Interakce byla zkoumána v několika vybraných koncentracích amfifilních struktur. Ke splnění cíle byla použita řada biofyzikálních metod jako: dynamický rozptyl světla (velikost) a elektroforetický rozptyl světla (Zeta potenciál), diferenciální skenovací kalorimetrie (termodynamické vlastnosti), fluorescenční anizotropie (fluidita membrán), transmisní elektronový mikroskop (zobrazení struktury). Výsledky získané během výzkumu ukázaly, že síla interakcí amfifilních dendronů s liposomy souvisí s povrchovým nábojem liposomů. Mechanismus interakcí mezi amfifilními dendrony a lipidovými modelovými membránami měl několik kroků. Inicializace interakce souvisela především s interakcí amfifilních dendronů s povrchy liposomů a destabilizací velkých struktur amfifilních dendronů. Destabilizace agregátů amfifilních dendronů byla významnější u liposomů s vyšším záporným nábojem. S rostoucími koncentracemi amfifilních dendronů v roztoku docházelo k interakcím i v hydrofobní části dvojvrstvy a další zvyšování koncentrace nanočástic mělo za následek tvorbu shluků ve struktuře lipidové dvojvrstvy. V závěru lze vyvodit, že vzhledem k vysoké afinitě amfifilních dendronů k lipidovým dvojvrstvám se jedná o slibné platformy pro funkcionalizaci povrchu exozomů nebo lipidových vehikul s malými molekulami, velkými biomakromolekulami nebo polymery.

Abstract:

Amphiphilic dendrons are relatively novel and promising structures which can find many uses in a field of molecular biology and nanomedicine. The idea of their synthesis was related with platforms construction for drug delivery systems or vectors for labeling natural cells vesicles - exosomes. This master thesis is devoted to two amphiphilic structures AE1.59 and AE1.80 which were synthesized as a vectors for exosomes modification. Every new nanoparticle, which was created with the idea of biomedical application usage, needs deeply biophysical characterization and investigation of its influence on biological systems. In the literature it has been shown that the influence of nanoparticles on a biological systems was related with many factors like the chemical structure, size, surface charge and hydrophobicity of the interior. The complex architecture of biological membranes makes them not easy to investigate and therefore the lipid model membranes were widely used in place of them. Lipid model membranes consist only of lipids which are the matrix for proteins in biological systems and that is why they keep properties and structure of natural membranes. The aim of this work was to study the effect of amphiphilic structures AE1.59 and AE1.80 on selected neutral and negatively charged lipid model membranes. The interaction was investigated in several selected concentrations of amphiphilic structures. To meet the goal, a number of biophysical methods were used like: dynamic light scattering (size) and electrophoretic light scattering (Zeta potential), differential scanning calorimetry (thermodynamic properties), fluorescence anisotropy (membrane fluidity), transmission electron microscope (structure observation). The results obtained during the investigation showed that the strength of interactions of amphiphilic dendrons with liposomes was related with surface charge of liposomes. There were several steps in a mechanism of interactions between amphiphilic dendrons and lipid model membranes. The initialization of interaction was mainly related with amphiphilic dendrons - liposomes surface interaction and destabilization of large amphiphilic dendrons structures. The destabilization of amphiphilic dendrons aggregates was more significant for liposomes with higher negative charge. With increasing concentrations of amphiphilic dendrons in a solution the interactions were taking place also in the hydrophobic part of bilayer and further increasing nanoparticles concentration resulted in a cluster formation in a lipid bilayer structure. Due to high affinity of amphiphilic dendrons to lipid bilayers the conclusion can be drawn that they are promising platforms for functionalization the surface of exosomes or lipid vehicles with small molecules, large biomacromolecules or polymers.

Keywords

amfifilní struktury, modelové membrány, liposomy, fluidita membrán, Zeta potenciál

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 10. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Dominika Zofia Wróbel, Dr.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Master programme / field:
Biology / Biology