Exploring the Phenomena of Compound Aggregation and Nano-entities for Drug Discovery

Shahout, Fatma (2022). Exploring the Phenomena of Compound Aggregation and Nano-entities for Drug Discovery Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 165 p.

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Résumé

This thesis explores the world of nano-entities. Nano-entities is a name given by our laboratory to describe the natural phenomenon that drugs can self-assemble in a multitude of particle sizes when placed in an aqueous environment. Surprisingly, this phenomenon remains relatively unexplored despite the widespread impact it has throughout the drug discovery and development processes. Given this, I became very interested in nano-entities and launched detailed investigations as described herein. These investigations indeed found that drugs can adopt some amazing free-state behaviors –which have been historically overlooked by the pharmaceutical industry. Perhaps one reason that nano-entities has been overlooked is the widely held assumption that compounds can only exist as lone molecules or as precipitates when placed into aqueous solution. However, recent studies are shedding light onto a non-negligible phenomenon where compounds can naturally adopt into a multi-state equilibrium. The principle states of this equilibrium can be classified as, (1) soluble-lone molecules, (2) soluble nano-entities, and (3) solid precipitates. Here, we focus on the nano-entity state. We and others noticed that many small-molecules can adopt a wide range of aggregate sizes and type, but to date, the size and types of these self-associated particles remain largely unexplored. This is due in part to the fact that each compound has its own fingerprints which are highly dependent on its environment such as, buffer, pH, etc. Also, our limited knowledge of these nano-entities is more complicated by the fact that there are only a few detection techniques to explore the existence of nano-entities and reveal their full range of sizes. As a result, the detection of nano-entities remains elusive.

In my thesis, I wish to welcome you to this small world of drug self-assemblies. I prepared a detailed introduction along with the “hypothesis and objectives” for my investigations. I then provide three chapters which show how we observed these fascinating entities using specialized techniques that include Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Transmission Electron Microscopy (TEM), Dynamic Light scattering (DLS) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) assays. I also show that nano-entities can enter and accumulate within cells. The fourth chapter describes my discovery that nano-entities can be recognized by anti-bodies and induce an immune response. This is very interesting because it would be perhaps be first time that we correlate this drug property with drug side-effects. Given that “Knowledge is Power”, these findings may be used as tools to better observe and understand the phenomenon then perhaps identify potential solutions.

La thèse explore le monde fascinant des nano-entités, nom donné par notre laboratoire décrivant le phénomène naturel selon lequel les médicaments peuvent réaliser en s’auto-assemblant en une multitude de particules de tailles différentes lorsqu’ils sont placés dans un environnement aqueux. Il est surprenant de constater que ce phénomène reste relativement peu exploré malgré l’impact grandissant qu’il a sur la découverte et le développement des médicaments. C’est pourquoi j’ai commencé à m’intéresser de près aux nanoparticules. Ces recherches ont révélé que les molécules peuvent adopter de surprenants comportements à l’état libre quand elles sont placées en solution. Cela peut être expliqué par cette hypothèse largement répandue, que les composés ne peuvent se solubiliser qu’en solution aqueuse, sous forme de molécules seules ou des précipités. Cependant, des études récentes mettent en lumière un phénomène non négligeable dans lesquels les composés peuvent adopter naturellement un équilibre entre plusieurs états. Ces principaux états sont classés comme suit : (1) des molécules solubles et uniques, (2) des nano-entités auto-assemblées solubles, et (3) des précipités. Ici, nous nous concentrons sur l’état des nano-entités. Nous avons remarqué, avec d’autres laboratoires, que plusieurs médicaments sous formes de petites molécules peuvent s’assembler pour former différents agrégats, dont les tailles et les types restent toujours peu caractérisés. Cela est dû en partie à la singularité de chaque composé dépendant fortement de leur environnement (tampon, pH, température, etc). De plus, les connaissances sur ces nano-entités sont limitées puisqu’il n’existe que quelques techniques de détection, nous permettant de déterminer leur existence, leur type et de caractériser leurs tailles, rendant le suivi des nano-entités insaisissable.

Dans ma thèse, je souhaiterais donc vous inviter à découvrir ce petit monde des médicaments auto-assemblés. J’ai préparé une introduction détaillée suivie d’une partie « hypothèse et objectifs » décrivant mes investigations. Ces parties sont suivies de trois chapitres dans lesquels sont montrés comment mon laboratoire et moi avons observés ces fascinantes entités utilisant des techniques spécialisées incluant la dilution par RMN, la RMN-T2-CPMG, les essais de détergence par RMN, MET, DLS, CLSM. Je montre également que ces nano-entités peuvent pénétrer et s’accumuler dans les cellules. Le quatrième chapitre décrit ma découverte de nano-entités pouvant être reconnues par des anticorps, induisant une réponse immunitaire. Cette découverte nous permettrait alors d’établir une corrélation entre cette propriété des nano-entités et les effets secondaires des médicaments. Sachant que « la connaissance est le pouvoir », ces résultats pourront être utilisés comme outils afin d’observer et comprendre ces phénomènes et peut-être identifier des solutions potentielles.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Laplante, Steven
Mots-clés libres:	Nano-entities; self-assemble; Drugs; equilibrium; Tumbling-molecules; Aggregates; Nano-entités; auto-assemblage; Médicaments; équilibre; Tumbling-molécules; Agrégats
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	02 juill. 2024 13:49
Dernière modification:	02 juill. 2024 13:49
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15745

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