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Module 1: Adsorption des protéines

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Bonjour, tout le monde. Bienvenue à une autre conférence sur le génie et les principes de la prestation de médicaments. Alors, faisons un bref résumé de ce que nous avons appris dans la dernière classe.
(Référez-vous à l'heure de la diapositive: 00:38)

Donc, dans la dernière classe, nous avons parlé de diverses propriétés des particules ; nous avons parlé de la taille et de la forme avant cela, puis nous avons poursuivi la discussion et discuté plus avant de la charge. Donc, nous avons dit que les particules généralement chargées positivement sont meilleures pour l'absorption des cellules, mais si nous voulons des applications plus longues et in vivo, nous voulons des particules neutres ou légèrement chargées négativement.
Et quelles en sont les raisons? Bien sûr, la membrane cellulaire elle-même est légèrement chargée négativement. Donc, il y a une interaction électrostatique et c'est pourquoi elle se rapprochera des cellules pour qu'elle le capte alors que, en circulation, vous avez plusieurs protéines sériques qui sont également chargées négativement. Donc, parce que ces protéines sériques s'adsorberont sur vos particules et ne les laisseront pas couler plus longtemps parce qu'elles pourraient être reconnues par une autre cellule.

Puis nous avons parlé d'élasticité et en général ce que nous avons dit, l'élasticité que le faible module est bon pour la circulation à faible module. Nous avons donné plusieurs exemples de la façon de rendre ces faibles particules de module un peu plus tentant d'imiter la BRC, puis la raison pour laquelle nous disons que ces faibles modules est bon, c'est parce que la rate va effacer toute particule rigide si elle est assez grande. S'ils sont au-dessus de 200, 250 nanomètres, alors rate sera capable de les effacer. Mais, s'ils ont un faible module, ils peuvent se presser à travers ces trouées et leurs vaisseaux, et ensuite ils peuvent continuer à circuler plus longtemps.
Puis nous avons parlé de particules de métal. Dans ce cas, nous avons parlé à la fois de la synthèse et des applications. Donc, les applications que nous parlons principalement de l'imagerie ou de l'agent de contraste, nous avons aussi parlé de traitement thermique photo et ensuite vous pouvez même conjuguer les médicaments à la surface. Donc, essentiellement la livraison de médicaments peut aussi être faite et puis finalement, nous avons parlé d'une autre sorte de côté de la façon dont vous pouvez utiliser les particules à la fois la randonnée en attelage de particules. Donc, vous pouvez le conjuguer à celui de RBC ou vous pouvez le conjuguer à d'autres cellules immunitaires comme les lymphocytes T et les lymphocytes B, et parce que le corps ne sera pas capable de les reconnaître et qu'ils peuvent circuler ou atteindre l'endroit où se développent ces cellules particulières.
Donc, ce genre de discussion conclut notre importante discussion sur les particules pour ce cours. Nous allons y revenir dans les classes futures et pour différents types d'applications, mais ce n'était qu'un concept de base que je voulais vous donner sur les particules. Maintenant, nous allons dans l'ingénierie tissulaire et apprenons comment différents aspects de ces polymères et ces médicaments peuvent être utilisés pour une meilleure distribution de médicaments pour une bonne ingénierie tissulaire et ces deux choses vont de la main et de la main dans-tous les tissus en application nécessitent une sorte de médicament pour une meilleure efficacité et une meilleure rétention du tissu, une meilleure guérison du tissu.
Alors, parlons de certains concepts de l'ingénierie tissulaire, mais avant de le faire, nous allons parler d'adsorption des protéines qui fait à nouveau partie intégrante de l'ingénierie tissulaire. Donc, c'est ce à quoi cette classe va être. Ça va être une question d'adsorption des protéines.

(Heure de la diapositive: 05:02)

Donc, avant de parler d'adsorption, parlons de ce qui est la surface et de ce qui est une interface? Donc, toute région ultrapériphérique d'un matériau si, disons, si j'ai ce matériel.
Ainsi, tout matériel aura une région en vrac et une région de surface. Donc, quand je dis surface, la surface est une région qui va être légèrement différente de l'ensemble parce qu'elle va être exposée à un environnement différent de celui du gros-comme si je prends un volume en vrac ici, toutes les faces de ce volume en vrac sont exposées à un environnement très similaire. Mais, au fur et à mesure que vous vous approchez de la surface, ce n'est pas vrai.
Donc, c'est ainsi que vous pouvez faire la distinction entre une surface et une masse que la région ultrapériphérique du matériau sera chimiquement ou énergétiquement différente du reste de l'ensemble juste parce qu'elle est à la limite. Donc, l'interface, ceci pourrait être de l'eau à l'extérieur, ceci pourrait être de l'air à l'extérieur ou ceci pourrait être un autre milieu à l'extérieur mais, la surface sera légèrement différente de l'ensemble.
Alors, qu'est-ce que l'adsorption? Donc, l'adsorption n'est rien, mais elle est formellement définie comme une partition d'une espèce chimique entre une phase en vrac et une interface. Alors, disons maintenant que j'ai ce solide et laissez-nous dire un peu d'air ou de liquide ici. Alors, comment cet air ou ce liquide ou toute molécule dans cet air ou les cloisons liquides entre l'air et le solide à cette interface?
Donc, pour la plupart des raisons, disons que nous parlons d'une couche très mince ici. Ainsi, l'air dans les environs sera assez uniforme. Le solide en dessous de la surface sera assez uniforme, mais à l'interface, l'air peut être assis ou attaché à l'interface solide et cela créera une sorte de différence dans le gradient de l'air qu'il pourrait être plus élevé ou il serait plus bas que l'extérieur, mais cela changera et donc, cette adsorption physique ou cette répartition physique d'une espèce chimique entre le gros et l'interface est appelée "adsorption".
(Référez-vous à la diapositive: 07:23)

Donc, il ne doit pas être confondu avec les absorptions se rappeler que la seule différence est ce mot ici que vous avez d et ici l'absorption est b. L'absorption est donc un phénomène global.
Donc, quand je dis l'adsorption, c'est la surface, alors que l'absorption est un phénomène en vrac. Et ces deux phénomènes sont en fait pertinents pour les biomatériaux et ces deux phénomènes seront largement utilisés au fur et à mesure que nous allons et nous allons donner un exemple rapidement.
Alors, disons quand j'ai un réseau de polymères à liens secs. Donc, disons un hydrogel par exemple, donc, je vous ai dit qu'il y a un hydrogel qui aura un certain réseau et où vous avez une très forte tendance à absorber l'eau. Donc, ce qui signifie essentiellement que c'est l'eau qui va se rendre sur ce réseau et qui va provoquer un gonflement de ce réseau. Donc, c'est l'absorption de l'eau.
Alors que, par exemple, les protéines s'adsorberont sur la surface biomatériale. Disons que si j'ai un matériau solide dans lequel l'eau ne peut passer et que l'eau extérieure a des protéines, les protéines auront tendance à s'agréger à la surface et nous en virons à la raison pour laquelle elles le font, mais c'est la propriété de la seule surface. Donc, c'est pour ça qu'on appelle ça l'adsorption.
(Référez-vous à la diapositive: 08:53)

Alors, parlons d'un agent de surface, ce qui sera important dans cette discussion.
Donc, les surfactants sont habituellement des composés qui sont amphiphiles, nous avons parlé essentiellement de surfactants et nous avons parlé des micelles ; essentiellement, rien, mais ils ont un groupe polaire et une queue hydrophobe.
Certains des exemples courants de tensioactifs sont les détergents et les savons et ce qu'ils sont sont essentiellement des queues hydrophobes avec des groupes de têtes hydrophiles comme on le montre ici et ils ont une certaine solubilité dans un solvant aqueux, mais si vous augmentez la quantité qui est présente dans, disons, eau, ils vont commencer à précipiter et former la structure de cette micelle. C'est pourquoi, c'est pourquoi ces savons et détergents sont très bons pour nettoyer la saleté de vos vêtements. Disons si vous avez un chiffon et qui nous a laissé dire quelques saletés que la saleté peut être hydrophobe ou hydrophile.
Donc, si vous n'utilisez que de l'eau ou des molécules qui sont hydrophiles, il sera seulement possible de dissoudre tout type de contaminant qui est hydrophile, mais les impuretés hydrophobes ou la poussière resteront collées à vos vêtements. Mais si vous avez un détergent qui est à la fois hydrophile et hydrophobe, alors il ira et solubilisera les deux parties de la saleté et c'est pourquoi ils nettoieront les vêtements beaucoup mieux que l'individu.

Composants. Donc, c'est essentiellement un tensioactif que vous utilisez dans vos machines à laver au moment du lavage de vos vêtements et de tous.
(Référez-vous à la diapositive: 10:40)

Donc, maintenant, nous avons ce concept clair. Parlons des protéines même, puisque nous allons parler principalement d'adsorption des protéines. Donc, les protéines à nouveau composées d'acides aminés, ce ne sont rien, mais des poly-acides aminés. Donc, comme vous pouvez le voir ici, plusieurs acides aminés sont conjugués l'un à l'autre. Ils ont un N-terminal qui signifie essentiellement la protéine finale qui aura une amine primaire à la fin et une terminaison C qui est la protéine finale qui aura un -COOH à la fin. Et donc, c'est une structure primaire qui est pratiquement ouverte.
Vous pouvez avoir une structure secondaire qui signifie que ces protéines ou ces acides aminés s'aligneront sur une sorte de structure complexe qui pourrait ne pas être linéaire, il pourrait s'agir de feuilles bêta, il pourrait s'agir d'une hélice alpha et celles-ci peuvent ensuite s'aligner davantage sur la structure tertiaire et quaternaire qui devient de plus en plus complexe.
Nous savons donc que tous les acides aminés sont non polaires, polaires et anioniques. Il y a toutes sortes d'acides aminés aussi bien qu'ils sont des chaînes neutres, et donc toutes ces propriétés sont présentes dans les protéines. Donc, les protéines ont des zones non polaires, elles ont des zones polaires, elles ont des chaînes ioniques et leurs chaînes neutres. Donc, un non-polaire n'est essentiellement rien, mais un peu apparait ici, et leurs structures peuvent aussi être primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires.

Et encore une fois toutes ces configurations peuvent avoir plusieurs configurations en fonction de l'environnement la protéine est la structure quaternaire peut avoir des combinaisons infinies de structure. Tout ceci ajoute à la complexité de ces protéines.
(Référez-vous à l'heure de la diapositive: 12:16)

Donc, quand on dit qu'il va parler de repliement des protéines, on dit que pour la protéine soluble dans l'eau, le pliage est essentiellement conduit par ce qui est le milieu dans le milieu. Donc, si c'est de l'eau, elle veut minimiser l'interaction hydrophobe avec l'eau. Donc, ce qui va se passer, c'est de dire que j'ai cette protéine. Une protéine longue, dans ce cas je dessine une seule chaîne, qui l'étend. Disons que c'est ma protéine là où il s'agit du domaine hydrophobe et ce sont tous des domaines hydrophiles. Donc, c'est hydrophobe, c'est hydrophobe, c'est hydrophobe et toutes ces hydrophiles sont hydrophiles.
Donc, si je mets cette protéine dans l'eau ce qui arrivera, c'est que l'eau va aimer interagir avec le domaine hydrophile. Donc, ça va aller et commencer à interagir avec elle commencera à s'accumuler près et le domaine hydrophile, mais alors ce domaine vert ne veut pas interagir avec l'eau du tout juste parce que c'est hydrophobe. Donc, ça n'aime pas vraiment l'eau. Donc, ce qui va se passer c'est que ce corps vert va commencer à s'auto-assembler.
Donc, finalement ce qui va se passer, c'est que vous aurez la structure où tous les domaines verts auront tendance à interagir les uns avec les autres parce qu'ils n'ont pas vraiment d'autre chose à interagir, alors que tous les domaines rouges qui sont des domaines hydrophiles auront tendance à être loin des domaines verts ainsi que commencer à interagir avec l'eau. Donc, je veux dire que c'est l'un des cas les plus simples de repliement des protéines que je viens de décrire ici. Le repliement des protéines est beaucoup plus complexe parce que, comme je l'ai dit, ils ont toutes sortes d'espèces non polaires, polaires, chargées de toutes sortes de portions et de liaisons hydrogène présentes.

Donc, tout cela jouera un rôle et se traduira par une structure qui est très complexe, c'est typiquement une structure quaternaire pour toute grosse protéine et donc, c'est ce qui définit le repliement des protéines. Bien sûr, c'est le repliement des protéines dans l'eau, mais si vous changez l'environnement dans le milieu, alors la structure changera de droite. Je veux dire si le même pliage devait se produire en nous disant un solvant organique. Disons que l'hexane-maintenant l'hexane veut interagir avec ces domaines hydrophobes, mais ne veut pas interagir avec les domaines hydrophiles.
Donc, ce qui se passera essentiellement, c'est que toutes les régions rouges s'effondreront à l'intérieur, puis les régions vertes seront sur l'extérieur pour s'assurer qu'elles blindent tous les domaines rouges qui sont hydrophiles et non de l'hexane. Donc, maintenant vous pouvez voir que la structure est complètement modifiée. Donc, en fonction de l'environnement dans lequel le repliement des protéines va se produire, vous verrez ces effets là où la structure des protéines changera. Donc, il est assez dynamique et il est en fait très très sensible à une faible perturbation même de l'environnement local.
Vous pouvez changer la quantité de sel dans le liquide et cela changera la structure protéique. Vous pouvez changer l'emplacement de la protéine d'une partie du corps à l'autre et cela changera légèrement les structures protéiques tout cela est très sensible à son environnement.

(Référez-vous à l'heure de la diapositive: 16:36)

Donc, comme je l'ai dit, ils essaient de minimiser les interactions hydrophobes. Les domaines hydrophobes sont repliés dans un noyau éloigné de l'eau et ils veulent maximiser les interactions hydrophiles-tous les résidus polaires et chargés sont à l'extérieur.
(Référez-vous à l'heure de la diapositive: 16:48)

Donc, à cause de cela maintenant, ce que nous disons essentiellement, c'est que les protéines sont toutes deux contenant un domaine hydrophile et hydrophobe et donc qu'elles sont des surfactants faibles.
Ils n'ont pas de domaines hydrophiles et hydrophobes puissants, mais ils ont une petite petite hydrophobicité et hydrophilicité dans leurs acides aminés individuels et donc, ils sont de faibles agents de surface et, à cause de cela, il y a une différence relative dans l'hydrophobicité, mais pas une très grande différence. Ainsi, ils peuvent facilement changer la structure et s'adapter à n'importe quelle surface ou à n'importe quel environnement où ils sont placés.
(Reportez-vous à l'heure de la diapositive: 17:34)

Ainsi, la plupart des fluides corporels qui contiennent plusieurs protéines se traduiront par l'adsorption de protéines sur toute substance étrangère que le corps voit. Donc, nous avons plusieurs types de protéines. Par exemple, un sang contient près de 400 protéines différentes à des concentrations différentes qui transitant par notre circulation sanguine. Et donc, ce qui va se passer, c'est que si je me laisse dire mettre un implant par exemple-un stylo dans mon corps, et ce qui va se passer, c'est qu'il s'agit d'un implant. Aux fins de cette diapositive en particulier, disons que cet implant est non poreux, rien ne peut pénétrer dans-c'est un stylo solide. Donc, ce qui va se passer, c'est que nous allons d'abord interagir avec l'eau. Donc, l'eau est partout. Donc, l'eau sera en contact avec cet implant. Maintenant, cette eau qui, dans ce cas, est du sérum contient plusieurs protéines qui sont repliées dans une certaine structure.
Alors, disons que cet implant est hydrophobe peut-être nous disons un implant PLGA alors ce qui va se passer est que lorsque cette protéine vient en contact vient en contact avec la surface ces domaines externes sont des droits hydrophiles. Donc, ils veulent rester dans l'eau, ils ne veulent pas vraiment interagir avec la surface et la surface ne veut pas interagir avec eux. Donc, ce qui va se passer, c'est que la protéine s'ouvre et se repliera de façon à ce que les domaines hydrophobes soient plus que le contact avec la surface. Donc, cette protéine va rouvrir de sorte que toutes ces régions sont hydrophiles et toutes les régions directement en contact sont hydrophobes.
Donc, tout cela et à cause de ces interactions hydrophobes-hydrophobes, il y a une liaison forte qui est formée ou le nombre de petites liaisons faibles, mais il y a tellement d'entre elles que l'ensemble de l'interaction est très forte, donc, cette protéine absorbe très fortement sur ces surfaces. Et une fois ces protéines adsorbées, les cellules qui sont en quantité beaucoup plus faible que les protéines vont commencer à détecter la surface et la plupart de ces cellules commencent à voir ces protéines qui sont absorbées. Donc, la plupart du temps, la médiation de l'attachement de la cellule à l'implant se fait par l'intermédiaire de ces protéines qui adsorbent soit le sérum, soit un autre fluide corporel où l'implant est mis en place.
Donc, la conséquence est que la couche protéique adsorbée médie la réponse biologique. Donc, si je dis que la cellule est l'unité principale qui gouverne la réponse que nous allons obtenir, alors les protéines qui s'adsorbent sur elle déterminent comment les cellules vont venir et s'y attachent, quel genre de signaux les cellules vont obtenir et donc définissent essentiellement le type de réponse biologique que le corps donnera à un certain biomatériau.
(Référez-vous à la diapositive: 20:35)

Et comme je l'ai dit, les protéines peuvent être dénaturés par adsorption. La structure protéique n'est donc pas très stable. Donc, une fois que l'environnement change le chauffage, l'agent chimique et ils vont tous provoquer la dénaturation de la structure. Ainsi, lorsque les protéines adsorbées, l'interaction avec le solide, il y a un changement dans l'environnement chimique environnant et ce changement potentiel cause le changement de confirmation des protéines aussi bien que vous pouvez appeler la dénaturation, ce qui signifie essentiellement un changement juste de la structure originale. Cela ne signifie pas nécessairement qu'ils vont s'ouvrir complètement. Ils signifient simplement que, quel que soit leur état naturel, ils ont été dénaturés.
Ainsi, ils peuvent prendre soit une chaîne complètement ouverte, soit ils peuvent avoir une autre conformation qui n'est généralement pas trouvée dans la nature. Et là encore, il existe différents types de protéines selon la composition des acides aminés, certaines structures sont plus stables que les autres. Donc, l'ampleur de la réponse que vous allez obtenir sur un matériau pour différentes protéines va aussi être différente.
Certaines protéines sont donc très responsables de la dénaturation. Ils vont tout ouvrir dans la structure, tandis que certaines protéines ne sont pas vraiment responsables en termes de changement de leur structure. Donc, ils peuvent maintenir leur activité, ils peuvent maintenir la structure naturelle qui était à l'origine présente.
(Référez-vous à la diapositive: 21:56)

Alors, comment les protéines dénotent sur l'adsorption? Nous en couvrons déjà un peu, mais la dénaturation dépendra de la chimie de surface biomatériale et de la mouillabilité de l'eau. Donc, combien est hydrophile, combien est hydrophobe, quelle sorte de chimie de surface est là, quelles liaisons peuvent se former entre les protéines et la surface tout ce que nous allons le déterminer.
Ainsi, typiquement à la surface biomatériale hydrophile, riche en groupes chargés ou en acides aminés chargés, ces régions riches en acides aminés hydrophiles réagissent préférentiellement avec la surface.
Donc, si je me laisse dire deux surfaces-l'une est hydrophile et l'autre est hydrophobe et bien sûr, je le fais dans un environnement d'eau qui est hydrophile et j'ai une structure protéique qui nous laisse dire comme ça. Puis quand il est en contact avec la surface hydrophile, la structure protéique peut changer un peu, peut-être qu'elle va devenir légèrement allongée, mais plus ou moins la structure va être similaire. Alors que, lorsqu'il est en contact avec le domaine hydrophobe, il va devenir complètement à l'intérieur.
Donc, la structure va changer beaucoup plus par rapport à une surface hydrophile juste parce que, à l'origine, la protéine se trouvait dans un environnement d'eau assez hydrophile.
Donc, il n'y a pas grand chose d'un changement radical qui se produit. Cependant, cette surface hydrophile peut avoir beaucoup de groupes fonctionnels qui sont réactifs et qui peuvent causer d'autres changements. Donc, il y a toute l'ampleur et le degré de réponse que nous obterons.
(Référez-vous à la diapositive: 23:47)

Donc, typiquement il y a une faible dénaturation car il y a déjà des domaines hydrophiles présents à l'extérieur quand vous parlez d'une surface hydrophile. C'est pourquoi, en général, lorsque vous parlez d'ingénierie tissulaire ou parlez d'implants. L'importance majeure est de rendre la surface assez hydrophile afin de ne pas commencer à dénaturer de nombreuses protéines qui peuvent causer une certaine toxicité.

Au niveau du biomatériau hydrophobe dont nous avons parlé qui est riche en groupes non polaires, les acides aminés hydrophobes ont tendance à interagir de façon préférentielle avec la surface. Donc, ces domaines hydrophobes ont été initialement enterrés à l'intérieur de la structure protéique. Donc, ils devront alors sortir et cela va causer beaucoup plus de changement à la structure des protéines que de nous laisser dire une surface hydrophile.
Ainsi, dans les protéines globulaires solubles dans l'eau, les acides aminés hydrophobes sont dans le noyau protéique.
Ainsi, ils essaieront d'interagir avec la surface hydrophobe et de modifier la structure un peu.
(Référez-vous à la diapositive: 24:52)

Alors, pourquoi tout cela est-il important? Donc, nous avons déjà parlé brièvement de ça, mais si vous avez un substrat solide, la première chose qui va interagir est les protéines et elles s'adsorberont sur la surface, et quand la cellule viendra, elle ne pourra en fait pas voir la surface du substrat solide. Cette surface est cachée par cette couche de protéine.
Ainsi, les cellules ne pourront interagir qu'avec tout ce qui est présent sur la surface, c'est-à-dire dans cette protéine qui est adsorbée et qui va mener à toute réponse biologique qu'elle va se produire. Bien sûr, la protéine qui est absorbante dépend de la surface elle-même. Donc, vous pouvez dire que vous pouvez le contrôler et de toute façon, mais il est encore très important d'étudier l'adsorption des protéines.

Ainsi, la membrane cellulaire possède des protéines réceptrices, y compris des intégrines qui se lient à plusieurs de ces protéines qui se trouvent dans le sérum et qui se lient à la surface, c'est-à-dire comment elles s'y attachent, c'est-à-dire comment elles commenceront à fonctionner sur cette surface et ainsi, les cellules qui s'attachent reconnaîteront ce biomatériau à travers ces molécules d'intégrine.
Donc, dans ce cas, ce dont nous parlons, c'est de ces cellules. Lorsqu'ils se fixent à la surface, ils ont une classe spéciale de molécules appelées intégrines et la plupart des pièces d'attachement et de répartition de ces cellules sur ces surfaces se produisent lorsque ces intégrines se lient à leurs récepteurs ou à leurs ligands. Il pourrait s'agir de protéines comme la fibronectine, le collagène, la laminine et plusieurs autres.
Ainsi, lorsque ces protéines sont adsorbées sur la surface seulement, les cellules peuvent se lier à la surface avant que les cellules ne puissent s'attacher à ces surfaces et se développer. Donc, comme je l'ai dit, tout type de réponse immunitaire sera aussi conduit par ces protéines qui sont adsorbées. Donc, tout est contrôlé par l'adsorption des protéines.
Nous nous arrêterons ici et nous continuerons à nous reposer dans la prochaine classe.
Je vous remercie.