Biomimetic membranes for the characterization of new therapeutic agents : application to Alzheimer's disease
Membranes biomimétiques pour la caractérisation de nouveaux agents thérapeutiques : application à la maladie d'Alzheimer
Résumé
The study of molecular interactions at the level of biological membranes is a key issue for the screening and the development of new drugs. Alzheimer's disease (AD) is the most common form of senile dementia in the world and is the leading socio-economic problem in health care. The appearance and progression of this neurodegenerative disease are associated with the aggregation of the amyloid-β peptide (Aβ). A therapeutic strategy against AD consists in the development of molecules able to interfere with specific steps of Aβ aggregation. To identify such compounds, experimental methods are required to monitor and characterize the Aβ peptide during its fibrillation process. These methods must be simple enough to remain compatible with drug discovery. In this PhD project, we have proposed to combine experimental methods to allow a multiparametric characterization of potential Aβ1-42 fibrillation modulators, by integrating liposomes of defined composition as biomimetic neuronal membranes. It is indeed established that neuronal lipids are an important factor in the formation of amyloid fibers and their toxicity. The liposomes were formulated by the lipid film rehydration method, and their physicochemical properties characterized by NMR, DLS, ζ potential. The experimental determination of the compounds partition coefficient could be carried out by spectrophotometry, including in an original way, by fluorescence, these liposomes, in miniaturized tests. Kinetic studies of Aβ1-42 peptide aggregation were performed in the presence of liposomes.The ThT fluorescence was monitored to follow the Aβ peptide fibrillation pathway, used in its wild form or with an oligomeric mutant, oG37C. A fluorophore leakage analysis from liposomes, supported by DLS measurements, was performed to evaluate the impact of peptide/membranes interactions to predict any destabilization effects. The toxic fibers formed by Aβ being mainly organized in β-sheets, the data were correlated with the analysis of the peptide secondary structure by ATR-FTIR spectroscopy. After the implementation of this approach on different model molecules and a hit of potential interest in the AD treatment, all of this work has resulted in a multiparametric test allowing the molecules/Aβ/membranes interactome characterization and the discrimination of Aβ1-42 peptide aggregation modulators. This approach may be advantageously transposed to other amyloid diseases.
L’étude des interactions moléculaires au niveau des membranes biologiques est un enjeu capital pour le développement et le screening de nouvelles molécules médicamenteuses. La MA est la forme de démence sénile la plus répandue dans le monde et représente le principal problème socioéconomique en matière de soins de santé. L'apparition et la progression de cette maladie neurodégénérative sont associées à l'agrégation du peptide Aβ.Une stratégie thérapeutique contre la MA consiste à développer des molécules capables d'interférer à des étapes spécifiques de l’agrégation du peptide. Pour les identifier, des méthodes expérimentales sont nécessaires pour suivre et caractériser le peptide Aβ au cours de son processus de fibrillation. Ces méthodes doivent être suffisamment simples pour rester compatibles avec une démarche de drug discovery. Dans le présent travail de thèse, nous avons proposé de combiner des méthodes expérimentales pour permettre une caractérisation multiparamétrique de modulateurs potentiels de la fibrillation du peptide Aβ1-42, en y intégrant des liposomes de composition définie, comme membranes neuronales biomimétiques. Il est en effet établi que les lipides neuronaux sont un facteur important dans la formation des fibres amyloïdes et leur toxicité. Les liposomes ont été formulés par la méthode de réhydratation de film lipidique, et leurs propriétés physico-chimiques caractérisées par RMN, DLS, potentiel ζ.La détermination expérimentale du coefficient de partage de composés d’intérêt a pu être réalisée par spectrophotométrie, y compris de façon originale, par fluorescence, en utilisant ces liposomes, dans des tests miniaturisés. Des études cinétiques de l’agrégation du peptide Aβ1-42 ont été effectuées en présence de liposomes. La fluorescence de la ThT a été mesurée pour suivre la voie de la fibrillation du peptide Aβ, utilisé dans sa forme sauvage ou celle d’un mutant oligomérique, l’oG37C. Une analyse de fuite d’un fluorophore à partir des liposomes, appuyée par des mesures en DLS, a été réalisée afin d'évaluer l'impact des interactions entre le peptide et les membranes pour prévoir tout effet de déstabilisation. Les fibres toxiques formées par Aβ étant principalement organisées en feuillets β, les données ont été corrélées à l'analyse de la structure secondaire du peptide par spectroscopie ATR-FTIR. Après avoir mis en œuvre cette approche sur différentes molécules modèles et un hit d’intérêt potentiel dans le traitement de la MA, l’ensemble de ce travail a abouti à un test multiparamétrique permettant la caractérisation de l’interactome molécules/Aβ/membranes et la discrimination de modulateurs de l'agrégation du peptide Aβ1-42. Cette approche pourra être avantageusement transposée à d'autres maladies amyloïdes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|