Flagrant délit d'ivresse pour les liposomes en solution
Ou comment les neutrons aident à comprendre la production industrielle de molécules thérapeutiques
Les liposomes - ces assemblages sphériques de molécules amphiphiles appelées phospholipides - sont d'une grande importance pour les formulations cosmétiques et pharmaceutiques. Dans l'industrie, les liposomes sont généralement produits en présence d'alcools. Une compréhension détaillée des interactions liposome-alcool est donc essentielle pour l'optimisation des processus industriels.
À l'aide de différentes techniques neutroniques, une équipe de chercheurs a révélé que les membranes des liposomes se ramollissent en présence de certains alcools. Ce ramollissement a des implications importantes sur la taille des liposomes - qui, à son tour, affecte certaines de leurs propriétés, comme leur activité de ciblage pour l'acheminement de médicaments. Cette étude souligne la force unique des techniques neutroniques pour l'étude fondamentale des propriétés structurelles et dynamiques des biomolécules.
Les liposomes sont des particules sphériques creuses constituées de molécules de phospholipides amphiphiles. Depuis leur découverte dans les années 1960, les liposomes sont devenus célèbres en raison de leur capacité exceptionnelle à encapsuler des molécules biologiques pour les administrer de manière ciblée. Aujourd'hui, ils sont fréquemment utilisés dans les cosmétiques tels que les crèmes pour le visage et jouent également un rôle crucial dans les applications pharmaceutiques. La thérapie génique délivrée par les liposomes et certains traitements antiparasitaires en sont des exemples. En recherche fondamentale, les liposomes sont d'utiles modèles réduits de cellules vivantes.
Dans le cadre industriel, la première étape de la production de liposomes consiste à dissoudre les phospholipides dans un solvant organique tel que l'éthanol. Après avoir éliminé une partie du solvant, les liposomes sont produits en appliquant des forces mécaniques dans une étape connue sous le nom d'« extrusion ». Les solutions obtenues, dans lesquelles coexistent des liposomes et des molécules de solvant, sont ensuite stockées jusqu'à la fabrication du produit final.
Malgré le rôle primordial de l'alcool dans ce processus, ses interactions moléculaires avec les phospholipides n'ont pas été élucidées en détail jusqu'à maintenant. Une bonne compréhension de ces interactions étant cruciale pour l'optimisation des processus industriels à grande échelle, une équipe interdisciplinaire, comprenant deux scientifiques et un doctorant de l'ILL, a réalisé une étude systématique des liposomes en présence de différents alcools.
« Travailler à l'ILL nous a permis de combiner une variété de techniques neutroniques et de laboratoire de pointe. C'est absolument essentiel pour obtenir des informations détaillées sur les propriétés structurelles et dynamiques de nos échantillons de liposomes », explique Fernanda Alvarado-Galindo, première auteure de l'étude et doctorante à l'ILL et à la Technische Universität Berlin dans le cadre d'InnovaXN, un programme de formation doctorale financé par la Comission Européenne qui associe des infrastructures de recherche à grande échelle et des acteurs de l'industrie.
Via une première approche, l'équipe a établi que l'augmentation des concentrations d'éthanol pendant l'extrusion influence la taille des liposomes. Or, cet effet n'est pas observé si l'éthanol est ajouté une fois l'extrusion terminée. « En utilisant l'écho de spin neutronique (NSE en anglais) - une méthode unique qui permet de suivre les mouvements moléculaires sur des échelles de temps difficilement accessibles autrement - nous avons observé que l'éthanol et le butanol ramollissent les membranes des liposomes », explique Ingo Hoffmann, l'un des scientifiques de l'ILL ayant participé à l'étude. « Le ramollissement dépend du type d'alcool utilisé et n'a pas été observé avec le méthanol ou le glycérol, ce qui est une excellente nouvelle puisque ce dernier est utilisé uniquement comme modificateur de viscosité et devrait être inerte vis à vis des liposomes ».
Les informations dynamiques obtenues par NSE ont été corroborées par la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS). Les auteurs ont observé un amincissement progressif de la membrane des liposomes en présence d'éthanol et de butanol, mais pas de méthanol. Une explication possible du rôle d'outsider du méthanol pourrait être ses interactions réduites avec les composants du liposome en raison de sa petite taille. La modélisation des données SANS a fourni des informations structurelles encore plus précises : en présence d'un mélange eau-alcool, l'eau et l'alcool pénètrent tous deux dans la membrane du liposome. À mesure que la teneur en alcool augmente, les molécules d'alcool remplacent progressivement les molécules d'eau, ce qui déshydrate efficacement les membranes des liposomes.
« Dans l'ensemble, nos expériences neutroniques nous ont permis d'obtenir des informations très précises sur les interactions entre les alcools et les liposomes en solution », déclare Fernanda Alvarado-Galindo. « Ces informations sont extrêmement précieuses pour la fabrication industrielle de liposomes à des fins médicales et mettent en évidence la force unique des techniques neutroniques pour de telles études fondamentales. »
Texte d'Olga Matsarskaia
Instruments ILL : D11 - Lowest momentum transfer & lowest background small-angle neutron scattering instrument and IN15 - High Resolution Spin-echo spectrometer
Reference: Fernanda Alvarado Galindo, Joachim Venzmer, Sylvain Prévost, Ingo Hoffmann, and Michael Gradzielski.
Incorporation of short-chain alcohols into fluid bilayers and its effect on membrane dynamic properties as seen by neutron scattering.
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 702 (2024): 135014.
doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.135014
Contacts : Ingo Hoffmann, Sylvain Prévost
Partenaire Industriel : Evonik Operations GmbH, Germany