Using NMR for the structural and kinetic characterization of peptide-liposome complexes to support formulation design

L’encapsulation de principes actifs (PA) dans des liposomes est utilisée dans de nombreux domaines tels que les industries pharmaceutiques et cosmétiques. Les liposomes sont des systèmes d’administration de médicaments utilisés pour leur relargage contrôlé des PA. Pour augmenter l’efficacité de peptides comme PA, nous cherchons à optimiser des liposomes en jouant à la fois sur leur composition et la structure des peptides. Les paramètres à améliorer sont leurs interactions, l’efficacité d’encapsulation et la cinétique de relargage. Pour atteindre cet objectif, j’ai évalué l’intérêt de la spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) pour caractériser les peptides, les liposomes et leurs comportements pendant le relargage. Les peptides utilisés dans cette étude sont dérivés de l’apeline, qui a un intérêt pour la régulation homéostatique du système cardiovasculaire. Les structures des liposomes et des peptides ainsi que leurs interactions ont été étudiées par RMN ¹H et ³¹P et par cryo-EM. J’ai montré que les méthodes de diffusion par RMN, en s’appuyant sur la taille apparente des molécules, permettent de différencier les compartiments internes et externes des liposomes et de suivre les cinétiques in situ en temps réel de relargage de peptide, sans perturber le processus. Les cinétiques de relargage ont aussi été quantifiées par intégration spectrale de spectres RMN ¹H. J’ai aussi montré que la méthode de préparation des liposomes avait un impact sur leur structure, leur cinétique de relargage et leurs interactions avec des peptides. L’addition d’une chaîne lipidique augmente les interactions avec les liposomes, mais la longueur et le type de chaîne induisent peu de différences. Les outils de RMN mis en place pourront être étendus à d’autres PA et systèmes d’administration pour des applications pharmaceutiques et cosmétiquesThe encapsulation of active ingredients (AI) in liposomes is used in several domains such as pharmaceutical and cosmetic industries. Liposomes are drug delivery systems (DDS) used for a controlled release of AIs. To increase the efficiency of peptide drugs, I aim at designing optimized peptide/liposomes formulation by playing both on their composition and peptide structure. Potential parameters to be improved are their interactions, encapsulation efficiency and release kinetics. To reach this goal, I explored the potentiality of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy to characterize peptides, liposomes and their behavior during release. The AIs used in this study are apelin-derived peptides that are of interest for homeostasis regulation of the cardiovascular system. Liposome and peptide structures as well as their interactions were characterized by ¹H and ³¹P NMR and cryo-EM. I showed that diffusion NMR methods that report on the apparent size of molecules can discriminate between the inner and the outer space of liposomes and for release quantification in-situ and in real-time without perturbing the process. Moreover, ¹H NMR spectra were used to monitor and quantify peptide release kinetics by spectral integration. I showed that the preparation method of liposomes drastically impacts their structure, release kinetics and interactions with peptides. Addition of a lipid chain increases the interaction with the liposomes, but the type and length of the chain induce only few differences. This approach could certainly be extended to other AIs and DDSs used for pharmaceutical and cosmetic applications