Atomic force microscopy to elucidate lipid membranes enhanced by engineered liposomes

Abstract

The research in this thesis aimed to study and generate an engineered formulation that can fuse with cell membranes and carry drugs or other compounds into cells. HeLa cells were chosen as the target cells and prior to their use, a model membrane mimicking the lipid membrane of HeLa cells was developed.

Starting from the basic components and using a bottom-up approach, different phospholipids were studied and compared to identify the construction blocks of liposomes and assess the effects of cholesterol on these phospholipids. After selecting the desired composition, a membrane model mimicking the HeLa cell membrane was developed to test its fusion with the engineered liposomes and to understand the fusion process before starting in vitro assays with living HeLa cells. In the in vitro assays, the engineered liposomes were able to fuse with the cell membrane as well as carry and liberate a model drug (methotrexate) into the cells, demonstrating that the engineered liposomes can work efficiently as nanocarriers.

Across the entire thesis, one technique was constantly used, atomic force microscopy (AFM). This technique enables the study of the smallest samples, such as lipid monolayers, as well as larger samples, like HeLa cells. AFM can also be used to obtain the physicochemical properties of samples using the force spectroscopy mode, allowing the analysis of samples and providing insight into the nanomechanics of the samples studied. Several techniques were used in this thesis, including the application of a Langmuir-Blodgett trough to study the physicochemical properties of lipids, fluorescence resonance energy transfer (FRET) to determine the fusion of the engineered liposomes, visualization techniques like AFM and confocal microscopy, as well as viability assays to test the toxicity of the engineered liposomes to HeLa cells.

Finally, we demonstrated the ability of the engineered liposomes to fuse with cells, acting as nanocarriers based on their physicochemical properties. The ability of the membrane model to mimic the HeLa cell lipid membrane was also validated.

Aquesta tesi té com a objectiu l'estudi i el disseny d'una formulació capaç de fusionar i transportar fàrmacs o altres molècules a les cèl·lules. Per a l'estudi, les cèl·lules objectiu seleccionades han estat cèl·lules HeLa i abans del seu ús, s'ha desenvolupat un model de membrana que imita la membrana lipídica de les cèl·lules HeLa.

Partint dels components bàsics, des d'un punt de vista del desenvolupament “bottom-up”, s'han estudiat i comparat diferents fosfolípids per trobar els blocs de construcció adequats per als liposomes, també s'han estudiat els efectes del colesterol sobre aquests fosfolípids. Després de seleccionar la composició desitjada, s'ha desenvolupat una formulació que imita en composició la membrana cel·lular de les cèl·lules HeLa per provar la fusió dels liposomes dissenyats i per intentar entendre el procés de fusió abans d'iniciar els assajos in vitro amb cèl·lules HeLa. Pel que fa als assajos in vitro, els liposomes han demostrat ser capaços de fusionar-se a la membrana, així com transportar i alliberar un fàrmac model (metotrexat) a les cèl·lules, demostrant que els liposomes dissenyats en aquesta tesi són capaços de funcionar de manera eficient com a “nanocarriers”.

Al llarg d’aquesta tesi, una tècnica ha estat constantment present, la microscòpia de força atòmica (AFM), ja que ofereix la possibilitat de realitzar estudis des de les mostres més petites, com l'estudi de monocapes lipídiques, fins a mostres més grans com les cèl·lules HeLa. Aquesta tècnica també permet fer observacions fisicoquímiques de qualsevol d'aquestes mostres mitjançant el mode d'espectroscòpia de força que permet sondejar les mostres i obtenir informació sobre la nanomecànica de les mostres estudiades.

Amb aquesta finalitat s'han utilitzat diverses tècniques, tant les que han ajudat a estudiar les propietats fisicoquímiques dels lípids, com el de Langmuir-Blodgett, com altres per determinar els efectes de fusió dels liposomes com la transferència d'energia per ressonància fluorescent (FRET) o tècniques de visualització com l’AFM o microscòpia confocal i fins i tot tècniques de viabilitat per provar la viabilitat de la formulació a les cèl·lules HeLa. Finalment, hem desenvolupat i demostrat les capacitats dels liposomes per fusionar-se amb les cèl·lules, podent, en funció de les seves propietats fisicoquímiques, actuar com a “nanocarriers”. El model de membrana que imita les cèl·lules HeLa s'ha validat corroborant la capacitat per imitar la membrana lipídica de les cèl·lules HeLa reals.