Perturbation de la membrane cellulaire par des composés cationiques : transport transmembranaire contrôlé et applications biologiques

Abstract

Les sels contenant des cations organiques sont une classe importante de composés cliniquement utilisés. Ils possèdent de nombreuses propriétés qui sont utilisées pour des applications biologiques, dont, entre autres, la possibilité de perturber les membranes cellulaires. Dans cette thèse, nous nous intéressons particulièrement au débalancement de l’homéostasie induit par l’insertion de certains sels d’imidazolium dans la membrane phospholipidique. La perturbation membranaire qui en résulte ouvre la porte au développement de certaines applications potentielles, telles que le traitement de maladies provenant des dysfonctions du transport ionique transmembranaire, ou bien comme stratégie émergente pour attaquer efficacement des microorganismes indésirables, comme les bactéries multirésistantes, fléau des temps modernes. Pour ce faire, nous avons démontré le transport transmembranaire d’anions effectué par une nouvelle classe de transporteurs mobiles organiques : des sels d’imidazolium fonctionnalisés par des groupements adamantyles. Le contrôle du processus de transport peut être réalisé par l’ajout de cyclodextrines, qui conduit à la formation d’une entité supramoléculaire incapable de perturber la membrane phospholipidique. L’ajout d’un composé invité compétitif permet de disloquer le transporteur du complexe supramoléculaire et de restaurer l’activité de transport transmembranaire. Ce système a ensuite été étudié pour une application potentielle comme stratégie d’administration de médicament contrôlable. La toxicité des sels d’imidazolium contre des bactéries Bacillus thuringiensis a été démontrée comme étant réversible, selon le même modèle que le transport transmembranaire. Nous présentons également un essai spectroscopique simple qui nous permet de quantifier la perméabilisation des membranes des bactéries Escherichia coli. Cette nouvelle approche permet le suivi de la perméabilisation de la membrane bactérienne, induite par le chlorure de benzalkonium ou par d’autres composés cationiques.

Salts containing organic cations are an important class of clinically used compounds. They possess numerous biological applications resulting from their capacity to disrupt cellular membranes. In this thesis, we are particularly interested in the disruption of homeostasis disruption induced by the insertion of imidazolium salts in phospholipid membranes. The resulting membrane disruption has potential applications, such as the treatment of diseases arising from the dysfunction of ion transport, or in an emerging strategy to target effectively the membranes of unwanted microorganisms, such as multidrug resistant bacteria, a scourge of modern times. We present the transmembrane transport of anions by a new class of organic mobile transporters: adamantyl-functionnalized imidazolium salts. The transport process can be controlled by the addition of cyclodextrins that form supramolecular entities that are unable to disrupt the phospholipid membrane. The transmembrane transport properties of the imidazolium salts can be completely restored by the addition of a competitive guest. This system had shown a potential application as a controllable drug delivery strategy, where the toxicity of imidazolium salts toward Bacillus thuringiensis bacteria has been demonstrated to be reversible, by modulating transmembrane ion transport. We also present a simple spectroscopic assay that we developed to quantify permeabilization of the bacterial envelope of Escherichia coli. The novel approach can be used to monitor the permeabilization of the bacterial membrane that is induced by benzalkonium chloride or other cationic compounds.