Application of Langmuir’s trough and the isothermal titration calorimetry to study the effect of polycations on lipid membranes

Polikationy są szczególnymi polimerami zważywszy na istotną rolę oddziaływań tych polimerów z błonami biologicznymi. Bliższe zrozumienie natury tych zależności może mieć kluczowe znaczenie podczas projektowania przyszłych polikationów, które mogą być wykorzystane w zastosowaniach biomedycznych i biofizycznych, m.in w celu stworzenia nośników zdolnych do dostarczania substancji leczniczych w określone miejsca. Obecność czwartorzędowych grup amoniowych w strukturze polikationów może wpływać na oddziaływanie tych polimerów z membranami lipidowymi. Jednym z przykładów takich polikationów są polietyloiminy, które w postaci rozgałęzionej (bPEI) oraz jej metylowanej pochodnej (bPEI-met) zostały użyte podczas badań w niniejszej pracy, w celu określenia ich wpływu na ujemnie naładowane błony lipidowe. Jako uproszczony model błony biologicznej w przeprowadzonych eksperymentach wybrano liposomy składające się z mieszaniny lipidów: zwitterjonowej 1-palmitoilo-2-oleoilo-sn-glicero-3-fosfocholiny (POPC) i ujemnie naładowanej soli sodowej 1-palmitoilo-2-oleilo-sn-glicero-3-fosfo-L-seryny (POPS) w stosunku wagowym 8:2. Na ich podstawie sprawdzono wpływ wybranych polikationów na membrany lipidowe za pomocą techniki charakteryzowania monowarstw z wykorzystaniem wagi Langmuira. Metoda izotemicznej kalorymetri miareczkowej (ITC) była używana do określenia parametrów termodynamicznych procesów zachodzących między polikationami bPEI i bPEI-met a liposomami POPC/POPS. Dodatkowo użyto technikę dynamicznego rozpraszania światła (DLS) oraz pomiar potencjału zeta w celu potwierdzenia adsobcji polimerów na powierzchni pęcherzyków i sprawdzenia ich potencjalnej agregacji. Przeprowadzone badania mogą pomóc w lepszym zrozumieniu oddziaływań pomiędzy polikationami i ujemnie naładowanymi membranami lipidowymi oraz potwierdziły przydatność użytych technik w przyszłych badaniach nad tymi oddziaływaniami.

Polycations are special polymers, considering the important role of the interactions of these polymers with biological membranes. A more accurate understanding of the nature of these interactions may be important in the design of polycations that can be used in biomedical and biophysical applications, including the preparation of carriers capable of delivering therapeutic substances to specific sites. The presence of quaternary ammonium groups in the polycation structure may affect the interaction of these polymers with lipid membranes. An example of polycations are polyethylenimines (PEIs), which in the branched form (bPEI) and its methylated derivative (bPEI-met) were used in this work to determine their effect on negatively charged lipid membranes. As a simplified model of the biological membrane, liposomes consisting of a mixture of lipids: zwitterionic 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine (POPC) and negatively charged sodium salt of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoserine (POPS) in a weight ratio of 8:2 were used. Based on them, the effect of the polycations on lipid membranes was investigated using using Langmuir’s trough to characterize a lipid monolayer, thus determining, among others, the influence of polymers on the lipid membrane. The isothermal titration calorimetry (ITC) method was used to determine the thermodynamic parameters of processes occurring between bPEI and bPEI-met polycations and the POPC / POPS liposomes. In addition, a dynamic light scattering (DLS) technique and zeta potential measurements were used to confirm the adsorption of the polymers on the surface of vesicles and to check their potential aggregation. The research can help to better understand the interactions between polycations and negatively charged lipid membranes and confirmed the usefulness of the techniques in future research on these interactions.