Inclusion complexes of amylose : morphogenesis, crystal structure and release of bioactive molecules
Complexes d'inclusion de l'amylose : morphogenèse, structure cristalline et relargage de molécules bioactives
Résumé
Amylose, a mostly linear homopolymer of α(1,4)-linked glucosyl units extracted from native starch, has the remarkable property to form "V-amylose" crystalline complexes with a variety of small organic molecules. We have tested the ability of 120 compounds to induce the crystallization of amylose from dilute aqueous solutions. The morphology and structure of the resulting lamellar crystals were characterized by transmission electron microscopy as well as electron and X ray diffraction. The data revealed that the structures of the complexes could be classified into 10 families, 5 of which were described for the first time. In addition, 13C solid-state nuclear magnetic resonance spectra clearly showed that the helicity of V-amylose was correlated with the resonance of carbon C1 that was shifted downfield with increasing number of glucosyl units per turn. Tentative geometrical models were proposed for all allomorphs and the structure of V1-butanol was analyzed in more details by combining conformational and packing energy calculations with classical crystalline polymer structure refinement. All allomorphs contained 6-, 7- or 8-fold amylose single helices and the guest molecules could be located inside these helices, in-between, or both. Each allomorph could be obtained with different complexing agents and the helical conformation was found to depend on the size of the complexing agent. In addition, a given ligand could induce the formation of several allomorphs, suggesting that the polymorphism of V-amylose crystals is a more general characteristic than what was previously reported. The propensity for polymorphism is not only related to the nature of the complexing agent but also to the crystallization conditions. The degree of polymerization of amylose, its concentration and that of the complexing agent, the temperature of mixing and crystallization, and the solvent composition have a significant impact on the formation and crystal structure of V-amylose. In addition, crystalline complexes prepared with ibuprofen were used as a model to evaluate the potential of V-amylose as a delivery system of bioactive molecules. Different fractions of ibuprofen, likely correlated with the different locations of the guest in the crystal, were selectively released by varying the pH of the dissolution medium. Since the release mainly occurred at high pH, these inclusion complexes appear to be potentially interesting for intestinal targeting and would thus improve the therapeutic effect of ibuprofen.
L'amylose est un homopolymère quasi-linéaire d'unités glucosyles liées en α(1,4) qui, extrait de l'amidon natif, possède la propriété remarquable de former des complexes cristallins avec une grande variété de petites molécules organiques. Ces complexes sont regroupés sous le terme générique d'amylose V. Nous avons testé la capacité de 120 composés à induire la cristallisation de l'amylose à partir de solutions aqueuses diluées. La morphologie et la structure des cristaux lamellaires formés ont été caractérisés par microscopie électronique en transmission ainsi que par diffraction des électrons et des rayons X. Les données révèlent que les structures de ces complexes peuvent être classées en 10 familles dont 5 sont décrites pour la première fois. Des spectres de résonnance magnétique nucléaire du solide du 13C montrent clairement que l'hélicité de l'amylose V est corrélée à la résonnance du carbone C1 qui se déplace vers les champs faibles lorsque le nombre d'unités glucosyles par tour augmente. Des modèles géométriques préliminaires ont été proposés pour tous les allomorphes, la structure de cristaux de V1-butanol ayant été analysée en détail en combinant des calculs de conformation et d'énergie d'empilement avec un affinement de structure de polymère cristallin classique. Tous les allomorphes contiennent des simples hélices d'amylose d'ordre 6, 7 ou 8 et les molécules invitées peuvent être localisées dans ces hélices, entre elles ou les deux. Chaque type d'allomorphe peut être obtenu avec différents complexants et la conformation de l'hélice d'amylose dépend de la taille du complexant. De plus, un ligand donné est susceptible d'induire la formation de plusieurs allomorphes. Le polymorphisme cristallin de l'amylose serait donc une caractéristique plus générale que ce qui avait été rapporté auparavant. La propension au polymorphisme dépend non seulement de la nature du complexant mais aussi des conditions de cristallisation. Le degré de polymérisation de l'amylose, sa concentration et celle du complexant, la température de mélange ou de cristallisation et la composition du solvant ont un impact significatif sur la formation de cristaux et la structure de l'amylose V. Par ailleurs, nous avons utilisé des complexes avec l'ibuprofène comme modèle afin d'évaluer le potentiel de l'amylose V comme système de délivrance de principes actifs. Différentes fractions d'ibuprofène, probablement corrélées aux positions possibles de la molécule dans le cristal, sont sélectivement relarguées en variant le pH du milieu de dissolution. Puisque le relargage intervient principalement à pH élevé, ces complexes d'inclusion sont donc potentiellement intéressants pour cibler une libération intestinale et pourraient donc améliorer l'effet thérapeutiques de l'ibuprofène.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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