• Aucun résultat trouvé

Layer-by-Layer (LbL) coatings for controlled delivery of biologicals

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "Layer-by-Layer (LbL) coatings for controlled delivery of biologicals"

Copied!
203
0
0

Texte intégral

(1)

Thesis

Reference

Layer-by-Layer (LbL) coatings for controlled delivery of biologicals

SAKR, Omar

Abstract

Layer-by-Layer technology (LbL), a technique based on the deposition of oppositely charged polyelectrolytes layer-wise on the surface of interest, has gained increasing interest in the field of drug delivery. The presented work in this thesis explores new applications for Layer-by-Layer (LbL) technology in the field of controlled protein delivery. The basic motives for these studies were the protein-friendly mild formulation conditions where only aqueous solutions are used, in contrast to organic solvents typically employed in the fabrication of many other protein formulations, thus correct protein folding and activity are preserved.

Several formulations were designed for the loading and slow release of model and therapeutic biologicals from different carriers. Special attention was paid to testing the activity of released fractions. Moreover, double chambered nanoparticles were developed to host and co-deliver a protein and a small molecule drug to the same cells.

SAKR, Omar. Layer-by-Layer (LbL) coatings for controlled delivery of biologicals. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2015, no. Sc. 4874

URN : urn:nbn:ch:unige-819128

DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:81912

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:81912

Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.

1 / 1

(2)

Layer-by-Layer (LbL) Coatings for Controlled Delivery of Biologicals

THÈSE

présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève

pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention sciences pharmaceutiques

par

Omar Shoukry Sakr

du Caire (Egypte)

Thèse N°: 4874

Genève

Atelier de reproduction Repromail 2015

Section de Sciences Pharmaceutiques 

Pharmaceutics and Biopharmaceutics 

Professeur Gerrit Borchard 

Docteur Olivier Jordan 

(3)
(4)

             

To those who lost their lives,   their families,  their freedom,  because they dared to say the truth  when others remained silent… 

   

(5)

 

   

“The formulation of the problem is often more essential than its solution. If I had an hour to solve a problem I'd spend 55 minutes thinking about the problem and 5 minutes thinking about solutions. ”

Albert Einstein

 

   

(6)

Acknowledgment

It has been truly a long journey, spanning more than five years, 2 different countries, different  working settings, environments and languages but it’s all wrapped together now, way better than  I’ve ever dreamt. I feel much in debt for a lot of people, without whom, I’d never make it to the  point of writing these lines. 

To Prof. Gerrit Borchard, words can’t thank you enough. Gerrit, you have believed in me since the  very beginning, and although I didn’t get the first PhD position I applied for in your group, but you  insisted on bringing me on board. I will forever remember that early morning phone call when you  said “Omar, I have another PhD project and you are in, unless you say no”, and since then, you have  been, not only my PhD supervisor, but my advisor, friend and elder brother. Even after my PhD and  with my new start‐up, your input as a scientific advisor was remarkably valuable and enlightening.  

To the “chemoembolization team”, the amazing Dr. Olivier Jordan and Dr. “soon to be” Katrin  Fuchs. We have been together through a lot in the last two and half years. Thank you for all the  great work we have done together, for the lengthy discussions, critical opinions, and limitless help. 

To my sincere friends in FABIO and FATEC, you are the best! We have been always there for each  other and I’m quite sure that we will keep doing so for a lifetime. Special thanks for Tayeb Jbilou for  the help with SEM imaging and more importantly French translation; you made my life way easier  in Geneva. Thanks are also extended to Yassin Dhif, my very first Master student for his great help  and translation of my French summary. 

To my elder brother Dr. Hesham Hamed, you were one reason I could make it to Geneva in the first  place. You stood beside me during this endless roller coaster and you are still there to advise, help  and support. You deserve more thanks than words can convey (ya Beih) and of course, thanks for  the tennis lessons. 

I would like also to thank the jury members, including Prof. Jörg Huwyler, Prof. Eric Allémann and  Dr. Lars Dähne for accepting to review my thesis and for their time spent in this process. 

To my dear father and mother, I’m nothing except what you have raised me to be. It all comes  down to your endless efforts, support and “Doa’a”. I was told that this might be an end to a long 

(7)

learning journey but the fact is that the journey has just started. So, bear with me and be always  beside me. 

Finally to my lovely wife Salwa, you are the big secret behind all this success and you know it. It’s  beyond words to describe your infinite dedication, sacrifice and help. To my three little princesses  and prince Hana, Nour and Salman, thank you for always brining a happy smile to my face. 

  

Omar Sakr  Geneva, Nov. 2015 

   

(8)

Table of Contents

List of Abbreviations ... ix 

Foreword ... xii 

Chapter One ...   Encapsulation of Enzymes in Layer‐by‐Layer (LbL) structures: Latest Advances and Applications ...   Abstract ... 1 

1  Introduction ... 2 

2  Catalase (CAT) ... 7 

3  α‐Chymotrypsin ... 13 

4  Cholesterol oxidase (COX) ... 14 

5  Glucose isomerase (GI) ... 17 

6  β‐glucosidase (β‐GLS) ... 19 

7  Urease ... 20 

8  Peroxidase (POD) ... 25 

9  Glucose oxidase (GOD) ... 28 

10  Sequential action of multiple encapsulated enzymes ... 37 

10.1  Peroxidase and Glucose Oxidase ... 37 

10.2  Glucoamylase and Glucose Oxidase ... 39 

10.3  Glucose sensitive multilayers based on sequential actions of multiple enzymes ... 43 

11  Challenges and future perspectives ... 47 

12  Conclusions ... 48 

13  References ... 49 

Chapter Two ...   Delivery of siRNA‐Based Therapeutics ...   Abstract ... 59 

(9)

1  Introduction ... 60 

2  Background ... 61 

3  Atelocollagen ... 64 

4  Gelatin ... 66 

٥  Cyclodextrins (CDs) ... 70 

6  Dextran ... 76 

7  Chitosan ... 79 

8  Conclusions and outlook ... 86 

9  References ... 90 

Chapter Three ...   Sustained Protein Release from Hydrogel Microparticles Using Layer‐by‐Layer (LbL) Technology   Abstract ... 103 

1  Introduction ... 104 

2  Materials and Methods ... 106 

2.1  Materials ... 106 

2.2  Methods ... 107 

2.2.1  Loading of lysozyme on DC BeadTM ... 107 

2.2.2  Optical and fluorescence imaging ... 107 

2.2.3  Coating loaded beads with polyelectrolyte multilayer films ... 107 

2.2.4  Zeta potential measurements... 109 

2.2.5  Scanning electron microscopy (SEM) ... 109 

2.2.6  In vitro drug release studies ... 109 

2.2.7  Biological activity ... 110 

2.2.8  Statistical analysis ... 111 

3  Results and Discussion ... 111 

3.1  Loading of lysozyme on DC BeadTM ... 111 

(10)

3.2  Fluorescence imaging ... 111 

3.3  Coating of loaded beads with polyelectrolyte multilayer films ... 112 

3.4  In vitro release studies ... 115 

3.5  Biological activity ... 118 

4  Conclusions ... 119 

5  Acknowledgements ... 120 

6  References ... 121 

Chapter Four ...   Arming Embolic Beads with Anti‐VEGF Antibodies and Controlling their Release Using LbL  Technology ...   Abstract ... 125 

1  Introduction ... Error! Bookmark not defined. 

2  Materials and Methods ... Error! Bookmark not defined. 

2.1  Materials ... Error! Bookmark not defined. 

2.2  Methods ... Error! Bookmark not defined. 

2.2.1  Loading kinetics of BEV on DC BeadTM ... Error! Bookmark not defined. 

2.2.2  Coating with polyelectrolyte multilayer films ... Error! Bookmark not defined. 

2.2.3  Zeta potential measurements... Error! Bookmark not defined. 

2.2.4  Scanning electron microscopy (SEM) ... Error! Bookmark not defined. 

2.2.5  In vitro drug release studies ... Error! Bookmark not defined. 

2.2.6  Biological activity ... Error! Bookmark not defined. 

2.2.7  Statistical analysis ... Error! Bookmark not defined. 

3  Results and Discussion ... Error! Bookmark not defined. 

3.1  Loading kinetics and LbL coating ... Error! Bookmark not defined. 

3.2  Zeta potential measurements ... Error! Bookmark not defined. 

3.3  Morphological examination ... Error! Bookmark not defined. 

(11)

3.4  In vitro release studies ... Error! Bookmark not defined. 

3.5  Biological activity of BEV eluted from the beads ... Error! Bookmark not defined. 

4  Conclusions ... Error! Bookmark not defined. 

5  Acknowledgements ... Error! Bookmark not defined. 

6  References ... Error! Bookmark not defined. 

Chapter Five ...  

Novel  Layer‐by‐Layer  Deposition  Technique  for  the  Preparation  of  Double‐Chambered  Nanoparticle Formulations ...  

Abstract ... 151 

1  Introduction ... 152 

2  Materials and Methods ... 153 

2.1  Materials ... 153 

2.2  Methods ... 154 

2.2.1  Fabrication of Fluorescein‐Loaded PLGA nanoparticles by Nanoprecipitation ... 154 

2.2.2  LbL deposition over PLGA nanoparticles: New vs conventional protocols ... 154 

2.2.3  Monitoring of Layer Deposition via Zeta Potential Measurements ... 155 

2.2.4  Qualitative Cellular Uptake Study Using Confocal Fluorescence Imaging ... 155 

3  Results and Discussion ... 156 

3.1  Fabrication of Fluorescein‐Loaded PLGA nanoparticles by Nanoprecipitation ... 156 

3.2  LbL deposition over PLGA cores: New vs conventional protocols ... 156 

3.3  Cellular Uptake Studies ... 157 

4  Conclusions ... 160 

5  References ... 161 

Final Conclusions and Outlook ... 125 

Résumé ... 167 

 

(12)

List of Abbreviations

AD: adamantane  Alg: Alginate 

BCA kit: Bicinchoninic Acid kit  Bev: Bevacizumab 

CAT: Catalase 

cCMG: cationic cholesterol‐modified gelatin 

CDP: Cyclodextrin containing Polycations or Cyclodextrin based Polymers  CDs: Cyclodextrins 

CE: Cholesterol esterase 

CGM: cationized gelatin microspheres  COX: Cholesterol oxidase 

DD: degree of deacetylation  DEBs: Drug‐eluting beads   dsRNA: double stranded RNA 

EPR: Enhanced permeability and retention  GA: Glucoamylase 

GI: Glucose isomerase  GOD: Glucose oxidase 

HCC: Hepatocellular carcinoma  HSP: Heat Shock Protein 

HUVEC: Human umbilical vein endothelial cells 

(13)

i.v.: intravenous 

IBD: inflammatory bowel disease  IFN: Interferon 

IL: Interleukin  LbL: Layer by Layer  Lys: Lysozyme 

MF: Melamine formaldehyde  Mw: Molecular weight 

mRNA: messenger Ribonucleic Acid  NGs: Nanogels 

NHDF: Normal human dermal fibroblasts 

NiMOS: Nanoparticles‐in‐Microspheres Oral System  PAH: Poly allylamine hydrochloride 

PBS: Phosphate buffered saline  PBAE: poly β amino esters 

PCI: photochemical internalization 

PDADMAC/PDDA: Poly diallyl dimethyl ammonium chloride  PDI: Polydispersity index 

pDNA: plasmid DNA 

PECs: Polyelectrolyte complexes  PEG: Polyethylene glycol 

PEI: Polyethylenimine 

(14)

PEs: Polyelectrolytes  pI: Isoelectric point 

PLGA: Poly lactic glycolic acid  PLL: Poly‐L‐lysine 

POD: Peroxidase 

PS particles: Polystyrene particles  PSS: Polystyrene sulfonate 

QCM: Quartz crystal microbalance  RISC: RNA‐Induced Silencing Complex  RNAi: Ribonucleic Acids interference  s.c.: Subcutaneous 

siRNA: Small Interference RNA  

TACE: Transarterial chemoembolization  TF: Transferrin 

UV: Ultraviolet 

VEGF: Vascular endothelial growth factor  Vis: Visible light. 

β‐GLS: β‐glucosidase   

   

   

(15)

Foreword

The increasing development of therapeutic proteins by pharmaceutical industry has highlighted  several challenges that should be addressed carefully when deciding on a suitable formulation or  delivery carrier. Among these challenges, primary obstacles are short protein biological half‐life,  adverse immunogenic side effects, poor loading efficiency of the delivery carrier with only sub‐

therapeutic doses, lack of long‐term stability, and uncontrolled drug release profile. Furthermore,  since most of these therapeutic proteins are intended to treat chronic diseases, patients are  prescribed  multiple  injections  for  long  time  periods,  which  often  compromises  the  patient  compliance and increase health care costs. Therefore, sustained release formulations are much  needed. One promising approach to solve some of these problems would be the local release of  proteins from injectable carriers that are able to control the release kinetics of their payload. Many  delivery systems have been investigated during the past few decades, and various microstructures  such as liposomes, microgels, polymer micelles and nano/micropolymeric particles have been  suggested as sustained release protein formulations.  

Within this context, work presented in this thesis generally aimed to explore the versatility and  potential of Layer‐by‐Layer technology (LbL) as a coating technique to achieve controlled release  profile of therapeutic proteins loaded on different micro and nano‐carriers. Special attention was  always given to maintaining maximum possible protein activity. 

Since its introduction in 1992 by Decher et al., coating of flat surfaces as well as micro‐ and  nanoparticles by Layer‐by‐Layer (LbL) technology has become an active area of research and is  currently considered a hot topic with many potential applications, especially in drug encapsulation,  sustained release dosage forms, protein delivery, and biosensors. Typically, this technique is based  on the use of polyelectrolytes of opposite charges assembled layer‐wise on the surface of interest. 

Thereby,  building  up  a  layered  system of  tunable  characteristics,  in  terms  of  composition,  nanometer range thickness, surface charge, permeability, and elasticity.  

More particularly relevant to protein encapsulation, LbL deposition has the advantage of utilizing  mild conditions (e.g., aqueous solutions), which are more favorable to preserve fragile protein  folding and activity in contrast to organic solvents typically employed in the fabrication of other  protein encapsulation systems. Interestingly, it has been shown that retained water present in LbL 

(16)

films, in spite of the drying procedures applied, is important for the preservation of activity of  biomolecules. 

The first chapter of this thesis gives more details about LbL technology and reviews different  approaches and LbL designs applied to immobilize and/or encapsulate various enzymes. One aim  was to show the flexibility and the potential of this technique in obtaining different designs and  architectures fulfilling a wide range of needs and uses. Another important aim was to shed light on  the techniques usually applied to characterize LbL structures and to monitor the process of layer  deposition. Methods for testing enzyme activity and stability were of high interest. Moreover, a  special part was dedicated to LbL structures encapsulating two or more active proteins where the  function depends on the sequential actions of encapsulated enzymes.  

In the second chapter, siRNA was chosen as a protein of high therapeutic potential and the use of  biopolymers as vectors for its delivery was reviewed. This chapter illustrates many problems related  to protein delivery in general and siRNA in specific and moves on to discuss ideal properties of a  promising siRNA delivery system, followed by a comprehensive up‐to‐date list of biopolymers used  for the delivery of siRNA, highlighting their source, composition, physicochemical properties as  related to the current subject. Special attention was paid to the ability of mentioned polymers to  protect siRNA fragments, prolong their systemic circulation, and enhance siRNA cellular uptake in  vivo. 

Work presented in the third chapter explores the potential of Layer‐by‐Layer technology (LbL) as a  coating technique to achieve sustained release profile of a model protein (Lysozyme) loaded on  microparticulate carriers. The adopted strategy is based on building alternating multilayers of  cationic degradable polymers made of poly  β‐amino esters (PBAEs) and chondroitin sulfate as a  biocompatible  negative  polyelectrolyte.  Loading  distribution  was  monitored  by  fluorescence  imaging, and followed by depositing a series of LbL coatings of different thicknesses. Release of Lys  from these formulations was studied and activity of released fraction was determined. 

In the fourth chapter, this basic work was taken one step further. Bevacizumab, the anti‐ vascular  endothelial growth factor (VEGF) antibody was loaded on embolic beads (DC BeadTM) using  different strategies. This was followed by applying an LbL coating film to slow the release of protein  content, and also minimize the burst release phase usually encountered with protein formulations,  while maintaining maximum possible activity. Loading kinetics were studied, the deposition of 

(17)

polyelectrolyte layers was followed and proven by zeta potential measurements and the coating  was visualized using SEM imaging. Finally, the activity of BEV released from DC beads was tested  using a 2D MTT assay and fibrin bead assay; a 3D anti‐angiogenic test developed in‐house. 

The fifth chapter tackles a different challenge and brings on a different way of thinking. As many  combination therapies suggest the use of a protein and a small molecule drug together, as  exemplified by the use of siRNA molecules in combination with anticancer drugs to treat different  resistant tumours, co‐delivery of both APIs might be very challenging because of the different  kinetics of both, leading to distinctive physiological fates and non‐uniform distribution. Therefore,  one strategy toward a more effective co‐delivery may be the careful design of a nano‐delivery  system that is able to efficiently encapsulate and co‐localize both cargo species in the target cells. 

Hereby, the preparation of a novel double chambered, nanoparticulate system was described,  applying a simple and less time‐consuming LbL fabrication method using concentration tubes. Small  poly lactide‐co‐glycolide (PLGA) nanoparticles loaded with fluorescein base as a model small  hydrophobic molecule, represents the “internal chamber” while the “external chamber” was  formed  of alternating polyelectrolyte layers  containing  lysozyme as  a model  protein. These  nanocarriers were taken up  by MDCK cells  in  vitro, where a  co‐localization of  both model  compounds was shown by confocal imaging. 

In conclusion, results shown in chapter three and four illustrate the versatility of LbL technology  and the flexibility of using different building blocks. Moreover, the ability of LbL films to successfully  coat loaded hydrogel beads and to sustain the release of its protein drug cargo maintaining an  acceptable degree of bioactivity was shown for different proteins. This approach might be very  appealing for physicians and patients undergoing treatment by chemoembolization as the efficient  local delivery would save patients the need to get high doses of systemic protein injections. In  chapter five, successful co‐localization of 2 different species of APIs into the same cell was shown  and the designed nanocarrier system might serve as a handy tool for many applications that  requires concomitant treatment with a protein drug and a small‐molecule drug.   

   

(18)
(19)

     

Chapter One

 

Encapsulation of Enzymes in Layer‐by‐Layer (LbL) structures: Latest Advances and Applications

Omar. S. Sakr1,2 and Gerrit Borchard2

 

1Capsulution Pharma AG, Volmerstrasse 7b, D‐12489 Berlin, Germany 

2School of Pharmaceutical Sciences, University of Geneva, University of Lausanne, quai Ernest  Ansermet 30, CH‐1211 Geneva 4, Switzerland 

    Review Article 

Published in: 

Biomacromolecules 2013, 14: 2117−2135 

   

(20)

Abstract

Layer‐by‐Layer (LbL) technology has become an active area of research and is currently considered  a  hot  topic  with  many  potential  applications,  especially  in  the  pharmaceutical  and  biopharmaceutical  fields.  This  review  is  providing  an  overview  of  current  approaches  and  applications of LbL designs used to immobilize and/or encapsulate various enzymes. One aim was  to show the versatility and the potential of this technique in obtaining different designs and  architectures fulfilling a wide range of needs and applications. Another important aim was to shed  light on the techniques commonly used to characterize LbL structures and to monitor the process of  layer deposition. Special attention was given to LbL structures encapsulating multiple enzymes  where the function depends on the sequential activities of encapsulated enzymes. 

 

Key words: 

Layer by Layer (LbL) – Enzymes – Encapsulation –Sequential action ‐ Protein delivery – Biosensors 

 

Graphical abstract 

 

   

(21)

1 Introduction

Since its introduction in 1992 by Decher et al. [1], coating of flat surfaces as well as micro‐ and  nanoparticles by Layer‐by‐Layer (LbL) technology has become an active area of research and is  currently considered a hot topic with many potential applications, especially in drug encapsulation,  sustained release dosage forms, protein delivery, and biosensors [2, 3]. 

LbL deposition is an established method for the fabrication of multicomposite ultrathin films on  solid surfaces [1, 4, 5]. Typically, this technique is based on the use of polyelectrolytes of opposite  charges assembled layer‐wise on the surface of interest, thereby building up a layered system of  tunable characteristics (Figure 1), in terms of composition, nanometer range thickness, surface  charge, permeability, and elasticity [2]. Using this approach, a variety of materials, including  charged and uncharged species, have been successfully assembled into nanoscale multilayered  structures. Multilayers may be formed by using LbL assembly techniques that rely on electrostatic  interactions [4], hydrogen bonding [6], coordination bonding [7], charge transfer [8], molecular  recognition [9], hydrophobic interactions [10], or a combination of these. As a result, such films  may  be  comprised  of  a  diverse  range  of  components,  including  but  not  limited  to  biomacromolecules  [11‐13],  nanoparticles  [14],  dyes  [15],  dendrimers  [16],  and  conductive  polymers [17]. 

More particularly relevant to protein encapsulation, LbL deposition has the advantage of utilizing  mild conditions (e.g., aqueous solutions), which are more favorable to preserve fragile protein  folding and activity in contrast to organic solvents typically employed in the fabrication of other  protein  encapsulation  systems  such  as  microparticles,  microcapsules,  microemulsions,  and  liposomes [18]. These, in addition, suffer from some limitations including polydispersity, core  solidification and residual organic solvents [19]. It has been proven that entrained water is present  in LbL films, in spite of the drying procedures applied, which is important for the preservation of  activity of biomolecules [20]. 

Immobilization of enzymes and active proteins is of great scientific and practical importance [21]. 

Especially  when  considering  microreactor  and  biosensor  development,  immobilization  and  encapsulation of enzymes in LbL structures can provide a means of concentrating and protecting  the  bioactive  molecules  in  a defined volume, creating  a partitioned  microenvironment with 

(22)

tuneable properties, which could therefore be used to balance the diffusion and reaction as needed  for the sensor function [22]. Moreover, encapsulation offers a great advantage to these sensitive  structures by protecting encapsulated enzymes from proteolytic enzymes and microbes [23]. 

 

Figure 1: Simplified molecular picture of the first two adsorption steps, depicting film deposition starting  with a negatively charged surface. Steps 1 and 3 represent the adsorption of a polycation and a polyanion,  respectively, and steps 2 and 4 are washing steps. 

 

LbL encapsulation of proteins and enzymes is superior to previously used techniques, where  proteins have traditionally been immobilized onto solid surfaces by physical adsorption, solvent  casting, covalent binding, and electropolymerization [24]. However, these methods often produce  irregular films at low protein density. Ordered protein multilayer films with a high protein density  have been constructed by using Langmuir‐Blodgett deposition methods [24, 25] or by exploiting  biospecific interactions[26]. Denaturation of the immobilized proteins, restricted film permeability  to substrates, and the highly specific nature of the assembly limit the wide applicability of all these  methods [27]. 

Recently, basic LbL principles [5], their use to functionalize nanoparticles [2], to control and modify  permeability and release kinetics [28‐30], to deliver biotherapeutics such as antigens and genes  [31], and to fabricate stimuli responsive capsules [32, 33], were reviewed. 

(23)

The present work is devoted to review different approaches and LbL designs applied to immobilize  and/or encapsulate various enzymes. One aim was to show the versatility and the potential of this  technique in obtaining different designs and architectures fulfilling a wide range of needs and uses  (Table  1).  Another  important  aim  was  to  shed  light  on  the  techniques  usually  applied  to  characterize LbL structures and to monitor the process of layer deposition. Methods for testing  enzyme activity and stability were of higher interest. Moreover, a special part is dedicated to LbL  structures encapsulating two or more active proteins where the function depends on the sequential  actions of encapsulated enzymes. It is noteworthy to mention that, due to the great interest LbL  encapsulation  techniques  have  gained;  considerable  research  work  is  published  on  enzyme  encapsulated in LbL structures. This review attempts to cover the different LbL designs and  structures supported with selected examples from the literature. 

   

(24)

Table 1: Summary of main LbL designs used to encapsulate enzymes reviewed in this article 

Enzyme  LbL design  Layer components(a)  Ref.

Catalase (CAT) 

Microspheres: based on sacrificial melamine  formaldehyde particles, partially decomposed  after layer deposition. 

dextran  sulfate  /  protamine 

[35]

Capsules: based on building LbL multilayers on  CAT crystals 

PSS/PAH  [37]

Mixed  design:  CAT  microcrystals  were  first  encapsulated  in  PSS/PAH,  then  films  of  alternating  layers  of  CAT  capsules  and  oppositely  charged  PEs  were  deposited  on  planar surfaces  

PSS/PAH/ 

Cat‐capsules 

[39]

Mixed  design:  CAT  microcrystals  were  first  encapsulated in PSS/PAH, then thin films of  alternating  layers  of  CAT  capsules  and  oppositely charged PEs were deposited on gold  electrodes for biosensing of H2O2.

PSS/PAH/ 

Cat‐capsules 

[40]

Coating films: CAT was first encapsulated in  small  gold  nanoparticles,  and  then  electrostatically assembled with cationic PE on  planar surfaces and colloidal particles 

PSS/PAH/ 

CAT‐AUNPs 

[41]

α‐

Chymotrypsin 

Capsules: based on building LbL multilayers on  α‐chemotrypsin crystals 

PSS/PAH  [21, 

42] 

Hollow capsules: based on sacrificial melamine  formaldehyde  particles,  decomposed  after  layer deposition. 

PSS/PAH  

alginate/protamine  [23]

[44]

Cholesterol  oxidase (COX) 

Coating films: cholesterol biosensor based on  immobilization of COX in LbL films deposited  on glass substrates. 

PSS/PEI/COX  [45]

Coating films: cholesterol biosensor based on  immobilization of COX in LbL films deposited  on glass substrates. 

COX/PAH  [20]

Coating films: cholesterol biosensors based on  immobilizing COX in LbL films deposited on  electrospun polyaniline nanofibers. 

COX/ PDDA  [46]

Glucose  isomerase (GI) 

Coating  films:  Both  on  planar  surfaces and  colloidal particles. 

GI/Bi‐cationic  pyridine salt 

[52]

β‐glucosidase  (β‐GLS) 

Coating films: on colloidal particles.  PAH/PSS/ β‐GLS  [54]

     

(25)

Urease 

Hollow capsules:based on sacrificial melamine  formaldehyde  particles,  decomposed  after  layer deposition. 

PSS/PAH  [58]

Coating films: on colloidal particles. PEI/Urease  PDDA/Urease  Urease/PSS  Fe3O4 

[60]

 

Peroxidase  (POD) 

Coating films: on colloidal particles.  PSS/POD  PSS/(POD‐PSS) 

[27]

Hollow capsules: based on sacrificial melamine  formaldehyde  particles,  decomposed  after  layer deposition. 

PSS/ PDADMAC  dextran  sulfate/ 

protamine  

[36,  70] 

Glucose  oxidase (GOD) 

Coating films: on planar quartz slides.  PSS/PEI/GOD  [73]

Coating films: on colloidal particles  PEI/GOD  

PSS/  PAH/GOD/ 

Fe3O4    NP3/ 

PDADMAC 

[27,  76] 

Hollow capsules: based on sacrificial MnCO3  particles, decomposed after layer deposition. 

Diasoresin/PSS/PAH  [22]

Coating films: Glucose biosensor based on a  pyrolytic graphite electrode with a modified  surface by LbL deposition of GOD and PEI 

GOD/PEI  [80]

Capsules:  glucose‐sensitive  multilayer  shells  made  of  GOD/  PDMAEMA,  built  on  insulin  crystals. 

GOD/PDMAEMA   

[91]

  Peroxidase 

(POD)  and  Glucose 

oxidase (GOD) 

Coating films: on planar quartz slides. 

 

PSS/POD  GOD/PEI 

[84]

Capsule in Capsule: based on coprecipitating  the 2 enzymes with CaCO3  in 2 successive  steps,  separated  by  deposition  of  a  thick  multilayer  membrane  in  between,  and  followed by dissolving the CaCO3.

PSS/PAH  [86]

Glucose 

oxidase  (GOD)  and 

Glucoamylase  (GA) 

Coating films: on planar filter surfaces.  GA/GOD/PEI/PSS  [85]

Coating  films:  maltose  sensor  based  gold  electrode  coated  with  GOD  and  GA  sandwiched  between  bipolar  quaternary  ammonium salt  

GA/  bipolar  quaternary 

ammonium  salt  /  GOD 

[88]

Catalase (CAT)  and  Glucose  oxidase (GOD) 

Capsules:  glucose‐sensitive  multilayer  shells  made  of  GOD/CAT  held  together  via  glutaraldehyde  cross‐linking, built  on  insulin  crystals. 

GOD/ CAT  [92]

  (a) not indicating the order of addition. 

   

(26)

2 Catalase (CAT)

Catalase (CAT) is a common enzyme found in nearly all aerobic organisms. It catalyzes the  decomposition of hydrogen peroxide to water and oxygen [34]. CAT was used by Balabushevich et  al.  [35]  as  a  model  protein  of  high  molecular  weight  for  encapsulation.  Polyelectrolyte  microspheres were obtained by alternating adsorption of dextran sulphate and protamine on  melamine formaldehyde (MF) particles followed by partial hydrolysis of the MF core. In fact, the  main difference between the fabrication of hollow capsules and microspheres prepared by this  method employing MF cores is the core hydrolysis step (Figure 2). While the complete hydrolysis of  the MF core produces hollow capsules, during the slow partial hydrolysis of MF core under mild  conditions, the newly formed and positively charged amino groups interact with polyanionic  structures of the first layer of the microcapsule shell resulting in the redistribution of membrane  PEs and formation of a homogeneous, weakly cross‐linked, charged gelatinous matrix inside the  microspheres [36].  

CAT was encapsulated in the microspheres by simple incubation and mixing for sufficient time. The  loaded microspheres were collected by centrifugation and washed. Finally, an additional layer of  dextran sulphate was added to protect the enzyme adsorbed at the surface of the positive  protamine layer. CAT was entrapped in microparticles at high efficiencies (70‐100%), depending on  its original concentration in the incubation medium. The specific activity observed was dependent  on the amount of protein entrapped in the microspheres. The authors reported that electrostatic  and  hydrophobic  interactions  were  responsible  for  the  interaction  of  the  protein  with  the  microspheres’ gelatinous core. Therefore, encapsulation and release of proteins from the proposed  LbL system can be controlled via adjustment of pH, ionic strength, and temperature of the  incubation medium [35]. 

   

(27)

 

Figure 2: Scheme of production of microspheres and hollow microcapsules using commercially available  melamine formaldehyde particles and alternating adsorption of polyelectrolytes.35 “Source: Biochemistry  (Mosc) 69,  (7),  2004,  763‐9,  Encapsulation  of catalase  in  polyelectrolyte  microspheres  composed  of  melamine formaldehyde, dextran sulfate, and protamine, Balabushevich, N. G.; Zimina, E. P.; Larionova, N. I,  Figure 1, © 2004 MAIK “Nauka/Interperiodica”. Reproduced with kind permission from Springer Science and  Business Media.” 

 

A different approach was adopted by Caruso et al. [37], where CAT crystals themselves were used  as templates to deposit alternating layers of PSS/PAH to form the polymer capsule encapsulating  the enzyme in the core at very high efficiency. The method takes advantage of the fact that the  enzyme is present as a crystalline suspension in water at pH 5‐6 and may therefore be treated as a  colloidal particle. It should be noted that enzyme crystal templating, however, presents several 

(28)

challenges that do not apply when templating, e.g., latex particles. First, the crystals are formed  only  under  strictly  defined  conditions.  Therefore,  suitable  conditions  that  facilitate  polymer  multilayer deposition on the crystal surface and do not destroy the enzyme crystal morphology (i.e. 

to avoid its solubilization) need to be determined. Second, the permeability of the polymer capsule  walls must be such that it permits encapsulation of the enzyme. In addition, since the primary  usefulness  of  enzymes  is  their  biological  function,  their  activity  must  be  preserved  during  encapsulation. 

Practically, CAT crystals were separated from solubilized protein by washing and centrifugation  several times with potassium acetate buffer of pH 5 at 4 °C. Chilled solutions were used to avoid  significant solubilization of the enzyme crystals. CAT crystals exhibited a positive surface charge in  water at pH 5 (+20 mV), as determined by electrophoretic mobility measurements. This positive  charge at the surface of the crystals in principle makes them suitably charged templates for the  deposition of polyelectrolyte layers of PSS and PAH. The successful deposition was proven by the  reversal  of  the  surface  charge  after  each  cycle  of  deposition,  which  is  a  characteristic  of  polyelectrolyte multilayer growth on colloidal templates [37]. 

To investigate the effect of the encapsulation process on the activity of CAT, the activity was  measured after solubilization of CAT (by changing pH) and release from the polymer capsules. A  recovered specific activity of 97% was obtained, compared with 100% for the uncoated CAT. This  shows that the polymer multilayer coating of the CAT crystals proceeded without causing any  significant loss of enzyme activity. Another important point was the ability of the capsule wall to  protect the enzyme against proteolytic activity. As shown in Figure 3, solubilized, uncoated CAT  (curves d and e) was inactivated by protease to more than 90% during an incubation time of 100  min. In contrast, no measurable loss in enzyme activity was observed for the polymer‐encapsulated  (solubilized) CAT within 100 min under the same conditions (curves b and c). These results clearly  demonstrate that a thin polymer coating of four layers (thickness of about 8 nm) is sufficient to  prevent proteolysis of polymer encapsulated CAT [37]. These findings are consistent with the  observation that proteins of molecular sizes greater than approximately 5 nm do not penetrate  polyelectrolyte multilayer films [38]. Compared to traditional LbL methods, where solubilized  charged enzyme molecules are deposited among the layers, encapsulated enzyme crystals display  an up to 50‐fold increased biocatalytic activity, thus making them attractive candidates for various  biotechnological applications [39]. 

(29)

  Figure 3: Stability of (a, d, e) solution‐solubilized catalase and (b, c) polymer‐multilayer encapsulated  (solubilized) catalase with respect to proteolysis: (a) solution‐solubilized catalase crystals, no protease  incubation (control); (b) [(PSS/PAH)2]‐coated (four layers) catalase, protease incubation; (c) [(PSS/PAH)4]‐

coated (eight layers) catalase, protease incubation; (d) and (e) repeat experiments for solubilized catalase,  protease incubation. Proteolysis of the catalase was determined by measuring the decrease in the catalase  enzyme activity [37] “Reprinted with permission from reference 37. Copyright 2000 American Chemical  Society.” 

Due to the interesting advantages of encapsulating enzyme crystals, such as high enzyme loading,  preserved bioactivity of the encapsulated enzyme, the ability of the semipermeable PE coating to  prevent the solubilized enzyme from leakage while simultaneously permitting the diffusion of small  (substrate) molecules for enzyme reaction, this idea was taken a step forward by Jin et al. [39],  where a mixed approach was adopted. CAT microcrystals were first encapsulated by the alternate  adsorption of PSS and PAH on their surface, yielding an extremely high loading of active enzyme in  the polyelectrolyte multilayer capsule. Then, multilayer films were constructed on planar surfaces  (quartz  crystal  microbalance  (QCM)  electrodes  or  quartz  slides)  by  LbL  deposition  of  the  polyelectrolyte‐coated CAT crystals and oppositely charged polyelectrolyte.  

Moreover, this mixed approach was adopted by Yu et al. [40], where LbL encapsulated CAT  microcrystals were assembled onto gold electrodes by sequential  deposition with oppositely  charged PEs, utilizing electrostatic interactions to form thin enzyme films for biosensing of H2O2. In 

(30)

addition to the aforementioned advantages of this design, the authors found that the PE layers  encapsulating  the  enzyme  effectively  increase  the  surface  charge  density  of  the  enzyme  microcrystals, rendering them suitably charged components for the construction of biofunctional  thin films. The PSS/PAH encapsulated CAT was shown to retain biological as well as electrochemical  activity. Direct electron transfer between CAT molecules and the gold electrode was achieved  without the aid of any electron mediator. As a H2O2 biosensor, films consisting of one layer of the  encapsulated  CAT  displayed  considerably  higher  (~5‐fold)  and  more  stable  electrocatalytic  responses to the reduction of H2O2 than did corresponding films made of a single layer of non‐

encapsulated CAT or solubilized CAT. An increase in either the number of “precursor” PE layers  between the gold electrodes and the CAT microcrystal layers in the film or the number of PE layers  encapsulating the CAT microcrystals was found to decrease the electrocatalytic activity of the  electrode. At low precursor PE layer numbers (~2) and encapsulating PE layers (~4), the current  response was proportional to the H2O2 concentration in the range of 3.0 x 10‐6 to 1.0 x 10‐2 M. The  overall electroactivity of the multilayer film increased for the first two layers of encapsulated CAT,  after which a plateau was observed. This was attributed to the increasing difficulty of electron  transfer  and  substrate  diffusion  limitations.  Using  immobilized  PE‐encapsulated  enzyme  microcrystals for biosensing was shown to provide a versatile method to prepare films of high  concentrations and tailored activities of enzymes. 

More recently, another novel and versatile approach for the preparation of multilayers was  introduced, where CAT was first encapsulated in small gold nanoparticles (CAT‐AuNPs), and then  electrostatically assembled with anionic and cationic PEs on colloidal silica particles [41]. CAT‐AuNPs  were synthesized directly from CAT stabilized gold suspensions and the diameter of the obtained  particles was about 9 ± 3.5 nm. Since the pI of CAT is 5.6 [37], CAT‐AuNPs were positively charged at  pH 3 and were assembled with the anionic polymer PSS. However, when the pH of the CAT‐AuNPs  solution was changed from 3 to 9, charge reversal took place and the anionic CAT‐AuNPs were bound  electrostatically to cationic PAH. As shown in Figure 4, an interesting feature of CAT‐AuNPs is that  the pH dependent electrostatic properties of CAT‐AuNPs can control the structure of the hybrid  nanocomposite,  transforming  them  from  well  dispersed  small  nanoparticles  at  pH9 (due to  repulsion forces between the similarly charged particles) to agglomerated colloidal particles with a  diameter of about 50 nm or network‐structured composites, depending on the initial concentration  of gold precursor [41]. 

(31)

 

Figure 4: Schematic and TEM images for the preparation of CAT‐AuNP with (a) dispersed, (b) colloidal and (c)  network structures [41]. "Source: S. Kim, J. Park, J. Cho, Layer‐by‐layer assembled multilayers using catalase‐

encapsulated  gold  nanoparticles.  Nanotechnology  21(37)  (2010):  375702.  (doi:10.1088/0957‐ 

4484/21/37/375702) © IOP Publishing. Reproduced by permission of IOP Publishing. All rights reserved” 

 

In addition, this structural transformation had a significant effect on the surface morphology of  CAT‐Au nanocomposite becoming rougher with fibrillary structures, especially in case of network‐

structured CAT‐AuNP. It was found that the total adsorbed amount of (PE/CAT‐AuNP network)5  multilayers was about 5.7 times higher than for (PAH/CAT)5 multilayers at the same solution  concentration. Consequently, the higher CAT adsorption led to higher catalytic activity toward  H2O2.Considering using these CAT‐AuNPs to coat an electrode surface, the rugged and fibrillary  structure of PE/CAT‐AuNP colloids and PE/CAT‐AuNP network multilayers has an increased surface 

(32)

area, and as a result, increases the area of contact between the probe molecules and the CAT as  well as the effective electron transfer rate. Therefore, this structural morphology may assist in  increasing  electrochemical  sensitivity,  which  may  be  beneficial  to  a  variety  of  biocatalytic  applications [41]. 

3 α‐Chymotrypsin

α‐Chymotrypsin, a serine proteinase found in the intestinal tract and whose activity can be easily 

monitored, has been chosen as a model enzyme for the evaluation of the feasibility and possible  applications of LbL microcapsules. 

Two main strategies were followed: in the first method [21, 42],  α‐chymotrypsin was salted out  from its acidic solution by mixing with an appropriate volume of a saturated solution of NaCl  yielding particles with typical dimensions of 0.1–0.4 mm. Being positively charged at pH 2‐3,  chymotrypsin (pI: 8.5) can be coated with a series of oppositely charged PEs such as PSS/PAH, with  intermediate washing steps to remove excess unattached polymers. Although one can easily accept  that the first layer would be the negatively charged polymer PSS, Balabushevitch et al. [42] found  the possibility of starting the deposition with the positively charged polymer PAH. This was  attributed to strong hydrophobic forces between PAH and the salted‐out protein core. 

This preparation of microencapsulated  α‐chymotrypsin retained 73% active site content after  storage for 6 days at pH 3.0 at 4°C, while free enzyme had already lost 57% active site content after  6 days.  Basic pancreatic  trypsin inhibitor  (BPTI, M.W.  6500),  one  of  the known proteinase  inhibitors[43], was used to challenge the ability of the LbL film to protect the encapsulated cargo. 

BPTI was able to suppress 85% of free enzyme activity compared to only 13% of microencapsulated  enzyme activity [42].  

In the second method, hollow polyelectrolyte capsules were fabricated prior to loading with the  model enzyme. For this purpose, small micron‐sized melamine formaldehyde (MF) particles were  chosen as sacrificial cores. MF particles were coated with alternating layers of PSS/PAH [23] or  alginate/protamine [44] at neutral pH, then the cores were dissolved by 0.1 M HCl solution and the  empty shells were washed with water to remove MF residues to finally obtain hollow capsules. To  load the enzyme  α‐chymotrypsin into the hollow capsules, a small volume of the empty capsule  suspension  was  centrifuged  and  the  supernatant  removed.  Successively,  capsules  were 

(33)

resuspended in the enzyme solution of appropriate buffers and mixed well. After sufficient  incubation of the capsules in the enzyme solution, the mixture was centrifuged and the capsules  were washed three times with water. Confocal fluorescence images of labelled ‐chymotrypsin  within capsules after mixing the protein and microcapsule suspensions indicated clearly the protein  penetration through the open walls into the hollow capsules and the successful encapsulation of  the enzyme. 

Tiourina et al. [44] used rhodamine 110  [bis‐(succinoyl‐L‐alanyl‐L‐alanyl‐L‐prolyl‐L‐phenylalanyl  amide)] to investigate the activity of the encapsulated enzyme, which was found to retain about  70% of its activity. It is important to mention that the enzymatic reaction inside the microcapsules  requires substrate diffusion through the polyelectrolyte membrane while the reaction product is  released into the surrounding medium [23]. 

In a different report [23], the author challenged the encapsulated α‐chymotrypsin with one of its  inhibitors BPTI. While the native enzyme was completely inhibited at a [BPTI]/[‐chymotrypsin] 

ratio of 1:1 after 5 min, the inhibitor did not influence the activity of the encapsulated  α‐

chymotrypsin at a [BPTI]/[‐chymotrypsin] ratio of 2:1 after 30 min and the enzyme lost only 40% 

activity at a [BPTI]/[‐chymotrypsin] ratio of 50:1 after 30 min. These results indicate that  polyelectrolyte shells possess protective properties against high molecular weight inhibitors. The  protection is mostly a result of the steric hindrance created by branched polymer molecules  because  protein‐protein  interaction  requires  multi  point  contacts,  which  were  apparently  unavailable in the mentioned cases. 

4 Cholesterol oxidase (COX)

Biosensors employing immobilized cholesterol oxidase (COX) for the detection of cholesterol may  be more advantageous in comparison to standard methods such as spectrophotometry, gas–liquid  chromatography and HPLC, owing to the simplicity and low costs involved. This is relevant to the  development of reliable methods of cholesterol detection in blood, which is a fundamental  parameter to identify disorders such as hypercholesterolemia, and to control the cholesterol level  in foodstuff for human intake [20, 45, 46].  

Ram et al. [45] reported the formation of a cholesterol biosensor electrode via immobilization of  COX in LbL films. All solutions were adjusted at pH=7.5 as COX (pI between 4.6 and 5.2) can be used 

(34)

as a polyanion. Initially, a layer of polyanion PSS was adsorbed, followed by a layer of polycation  PEI. Then, the LbL film was constructed by consecutive adsorption of polycation PEI and negatively  charged proteins (COX) and cholesterol esterase (CE). The assemblies studied can be denoted as  PSS/PEI/COX,  PSS/PEI/COX/PEI/CE,  PSS/PEI/COX‐CE/PEI.  To  monitor  native  and  esterified  cholesterol levels  both  COX and  CE  enzymes  were  employed simultaneously.  Whereas  COX  catalyzes the oxidation of cholesterol, CE catalyzes the hydrolysis of esterified cholesterol, which is  an important factor for the determination of total cholesterol, since about 70% of the cholesterol in  blood is found to be esterified cholesterol [47, 48]. 

During preliminary studies, UV spectroscopy, QCM and electrochemical investigation clearly gave  evidence for uniform enzyme immobilization on various substrates. The cell used to determine the  response current consisted of cholesterol oxidase LBL film as working electrode, a platinum wire as  counter electrode and Ag/AgCl as reference electrode in a solution of 100 mM phosphate buffer  containing 1% of Triton X‐100. Considering the decrease of the activity of cholesterol oxidase at  high concentrations of Triton X‐100 and low solubility of cholesterol at low concentrations of Triton  X‐100, 1% of Triton X‐100in the buffer solution was used in this study. Measurements indicated a  linear response to cholesterol up to concentrations of 1 mM, and further increase in cholesterol  concentration showed a slower rise of the current. The stable current data were used for the  calibration curve for actual measurements [45]. 

Moraes  et  al.  [20]  reported  another  design  of  COX  based  cholesterol  biosensors  via  the  immobilization of COX in LbL films, in alternation with layers of PAH. In preliminary studies, COX  was alternately  deposited  with  PAH onto previously  cleaned  glass  substrates  using the  LbL  technique. Before the PAH/COX film fabrication, two bilayers of PAH/polyvinyl sulfonic acid (PVS)  were deposited onto the solid substrates to reduce substrate effects. Layer growth and film  morphology were studied and the kinetic analysis of the adsorption process showed a two‐step  process. Impedance spectroscopy measurements were used to detect cholesterol in liposomes  (made from egg phosphatidyl glycerol) and natural egg yolk. Three electrodes were compared: 

bare, PAH/PVS and PAH/COX coated gold electrodes. Owing to the specific interaction with COX in  the LbL film, only gold electrodes coated with PAH/COX were able to detect cholesterol in aqueous  solutions with a significantly higher sensitivity reaching 10−6 M [20]. 

(35)

More recently, Shin et al. [46] proposed a novel architecture of cholesterol biosensors based on  immobilizing COX in LbL films deposited on electrospun polyaniline nanofibers using poly diallyl  dimethyl  ammonium  chloride  (PDDA)  as  a  counter  ion.  The  nanofibers  were  composed  of  polystyrene as a core and polyaniline as a conducting polymer. Nanofibers were produced under a  high voltage electrostatic field between a metallic nozzle of a syringe and a metallic collector. The  charged polymer solution is jetted from the metal needle to the grounded collector. At working  distance, the polymer jet elongates, solidifies, and deposits on the collector. The fibers are  deposited  in  the  form  of  a  non‐woven  fabric  onto  the  target  collector.  Such  nanofibrous  membranes have many attractive features when used as supports for enzyme immobilization. 

These include a large surface area for the attachment of enzymes, a nanofibrous morphology to  improve the mass‐transfer rate of the substrate, and a membrane‐like structure for easy recovery  from the reaction media and continuous operations in a bioreactor. The high surface area to  volume ratio makes electrospun conducting polymer nanofibers particularly interesting for sensing  applications [49, 50]. One layer of TiO2 was coated onto this nanofiber, and five alternate cycles of  PDDA and COX adsorption were carried out (Figure 5). 

   

    

Figure 5: (a) SEM of nanofibers for the blend of polyaniline and polystyrene before LbL coating (bar  represents 5 µm), (b) SEM of nanofibers that COX was immobilized via LbL coating (bar represents 5 µm). 

“Reprinted from reference 46, Copyright 2011, with permission from Elsevier.” 

 

B

(36)

A cholesterol biosensor was fabricated using a standard one‐compartment three‐electrode cell and  used for all electrochemical experiments. The sensing electrode was fabricated in 40 mL of 0.1 M  phosphate buffer solution at pH 6.3 containing 1% Triton X‐100, using the nanofiber mat onto  which COX had been immobilized as a working electrode, the reference electrode was Ag/AgCl (3 M  KCl) and the counter electrode was a platinum wire (20 cm). Measurements showed a linear  electrical response up to a concentration of 0.35 mM cholesterol. Accurate data could not be  obtained using the nanofiber mat onto which two layers of COX had been deposited, and best  results were obtained when more than five layers of COX had been deposited on the nanofiber mat  [46]. 

5 Glucose isomerase (GI)

Glucose isomerase (GI, MW of ~ 160000, pI: 4.7) converts D‐glucose to D‐fructose in a reaction that  is industrially applied to the production of high‐fructose corn syrup [51]. GI was immobilized by  Kong et al. [52], in ultrathin films both on planar surfaces and on porous p‐trimethylamine‐

polystyrene (TMPS) beads. Negative charge was induced to GI molecules by adjusting the solution  pH to above its pI. GI was deposited in alternation with bi‐cationic pyridine salt (Figure 6). The  alternating molecular deposition of glucose isomerase and bipolar pyridine salt was followed by  means of UV/VIS absorption spectra and the linear increase of the optical density of the films with  increasing number of layers proved the process of deposition. The glucose isomerase activity was  assayed following Tomas's cysteine‐carbazole method for fructose [53]. The glucose isomerase  activity was preserved in the film, and the activity increased with the number of enzyme layers. 

However, the average activity per enzyme layer decreased with the number of enzyme layers,  because the more enzyme layers are deposited, the larger is the limitation of the diffusion of the  substrate to reach the enzyme, which resulted in a great decrease of the specific activity of the  enzyme (Figure 7). 

(37)

 

Figure 6: Model for alternating deposition film of glucose isomerase and bipolar pyridine salt through  electrostatic interaction Bi‐cationic pyridine salt [52]. “Source: Macromol Rapid Commun, 15, 1994, 405‐409. 

Kong, W.; Zhang, X.; Gao, M. L.; Zhou, H.; Li, W.; Shen, J. C. Copyright [1994]. This material is reproduced  with permission of John Wiley & Sons, Inc.”. 

 

Figure 7: Relationship between activity of glucose isomerase and the number of the enzyme layers. Total  activity of enzyme in the slide (circles) average activity per enzyme layer (squares) [52] “Source: Macromol  Rapid Commun, 15, 1994, 405‐409. Kong, W.; Zhang, X.; Gao, M. L.; Zhou, H.; Li, W.; Shen, J. C. Copyright  [1994]. This material is reproduced with permission of John Wiley & Sons, Inc.”. 

(38)

6 β‐glucosidase (β‐GLS)

β‐glucosidase (β‐GLS) enzyme layers, each separated by oppositely charged polyelectrolyte PSS, 

were deposited onto polystyrene (PS) latex particles using the layer‐by‐layer adsorption technique,  as a new means to perform enzymatic glucosidation [54]. The purpose of o‐glycosyl hydrolases such  as  β‐GLS is the hydrolysis of glycosidic bonds. Reverse hydrolysis on its part is known to be an  elegant  method  to  form  glycosidic  bonds  via  enzymatic  catalysis,  yielding  stereoselective  glycosidation. This is achieved by performing the glycosidation reaction in organic solvents, thereby  keeping the water content of the system low. In this report, β‐GLS was applied to form glycosidic  bonds between carbohydrates and non‐carbohydrate, hydrophobic moieties (long chain alcohol). 

Four alternating PAH and PSS layers were deposited onto the PS particles (first layer PAH), resulting  in negatively charged particles with PSS as the outermost layer. As the pI of the enzyme is at 5.5, β‐

GLS is positively charged under the experimental conditions employed (pH 4.8). Four enzyme layers  were deposited, each separated by one PSS layer.  

Successful deposition of layers on the particles surface was proven by showing surface charge  reversal, and the growth of the PS latex particle diameter with layer deposition as followed by  single‐particle  light  scattering  (SPLS). By  recording  the light scattered  from  many  individual  particles, histograms of particle number versus scattering intensity (or SPLS intensity distributions)  were obtained. These intensity distributions were then fitted using the Rayleigh–Debye–Gans  theory [55], and refractive indices for the enzyme and polyelectrolyte layers [56], thereby providing  a quantitative measure of the layer thickness. Thicknesses were measured for particles with PSS as  the outermost layers, since these particles were found to have a higher colloidal stability. Regular  multilayer film growth occurred: linear enzyme multilayer growth was observed with an average  thickness of 3.5 ± 0.6 nm for a β‐GLS/PSS layer pair.  

Enzymatically catalyzed glucosidation reactions carried out with multilayer‐coated particles showed  distinct differences in overall yield. Quantitative determination of dodecyl glucoside in the reaction  mixtures revealed a regular increase in yield with increasing β‐GLS layer number for particles with  an outermost PSS layer. Particles with one enzyme layer yielded only traces of the product, which  could not be quantified. The increasing amount of dodecyl glucoside observed for particles with  two, three, and four β‐GLS layers indicated that enzyme in the inner layers also takes part in the 

(39)

catalytic process. This in turn suggests that the substrate can diffuse into the layers to interact with  the active sites of immobilized enzyme. 

It is worth mentioning that particles covered by enzyme as the outermost layer showed a higher  tendency to aggregate compared to those with PE as the outermost layer. The colloidal stability of  protein/polyelectrolyte coated particles is known to increase when the polyelectrolyte forms the  outer layer, the reason most probably being the electrostatic and steric stabilization of the particles  conferred by the polyelectrolyte [56]. However, catalysts with β‐GLS as the outermost layer yielded  higher amounts of dodecyl glucoside (ca. 2–5 times more) than those having the enzyme layer  coated with PSS. This may be explained by a loss of enzyme from the surface into solution (i.e. the  reaction mixture) when the enzyme is not covered by polyelectrolyte, resulting in higher amounts  of product. 

7 Urease

Urease is a metalloenzyme that catalyzes the hydrolysis of urea to yield ammonia and carbon  dioxide. It is found in a wide variety of organisms including plants, fungi and bacteria [57]. Stable  hollow polyelectrolyte capsules containing urease (Mw 480 kDa) were produced by means of the  layer‐by‐layer assembling of PAH and PSS on melamine formaldehyde microcores followed by the  core decomposition at low pH [58]. The authors introduced a new method of loading urease  enzyme into the particles depending on a finding that capsules were non‐permeable for urease in  water and became permeable in a water/ethanol mixture. As shown in Figure 8 (left), confocal  microscopy imaging illustrates that FITC‐labelled urease was excluded from the polyelectrolyte  shells. The interior of  the capsules  remained dark  and  outside the capsule  the  background  containing FITC‐urease was fluorescent. This observation indicated the closed state of the capsules. 

Figure 8 (center) shows a confocal fluorescence image of labelled urease with capsules after  addition of ethanol (1:1 water/ethanol mixture). In this case, the fluorescence signal localized in the  interior of the capsule has the same intensity as the outside background fluorescence. This  indicated the penetration of the enzyme into the capsules and requires an open state of the  capsule wall. When the capsules were transferred back into water, the polyion shells became  closed, and the urease was captured inside, as illustrated in Figure 8 (right). The interior of the  capsule is bright and constant over time, and there is no fluorescence signal from the solution. 

Thus, urease filled the capsules. The images did not change with time, indicating that urease is 

Références

Documents relatifs

It is known that the number of earthquakes decreases when their magnitudes increase, and the choice of a low bound of 4.8 for the magnitude of earthquakes is the result of a

2 - Voir, Batiffol (H) et Lagarde (P), op.. ود يﺮﺋاﺰﳉا نﻮﻧﺎﻘﻟا ﰲ ﱯﻨﺟﻷا نﻮﻧﺎﻘﻟا ﻖﻴﺒﻄﺗ ﰲ ﻲﺿﺎﻘﻟا ر نرﺎﻘﳌا و ﻲﺗﻟا ﺔﺟﯾﺗﻧﻟا سﻣﯾ نوﻧﺎﻘﻟا وﺣﻧ شﻐﻟﺎﺑ ﻊﻓدﻟا رﺛأ نﺎﻛ اذإ

Figure 6 gives an example of a PLI-based sensitivity analysis on our NDT test case (see section 2.1) which aims to estimate POD curves and the associated sensitivity indices to its

1 "ةيعامتجلاا ةلادعلل يملاسلإا لثملا دجوي و عقتاو ي لاعي وه و هروات يف لماش و هفادهأ يف و ةيعامتجلاا لئاسملا ربكأ نم ةلاسم ج ةملأا اهتفرع

د ﺪﻟﺎﺨﺑ نﻮﻋﺮﻓ ﻲﻟﺎﻌﻟا ﻢﻴﻠﻌﺘﻟا ذﺎﺘﺳأ سﺎــﺒﻌﻠﺑ يﺪﻴـﺳ ﺔﻌﻣﺎﺟ ارﺮﻘﻣو ﺎﻓﺮﺸﻣ د.. ،ﻆﻔﳊا ﻚﻟذ بﺎﺒﺳأ ﺎﳍ ﺄّﻴﻫ نأ ﺔﻴﺑﺮﻌﻟا ﺔﻐّﻠﻟ ﱃﺎﻌﺗو ﻪﻧﺎﺤﺒﺳ ﻪﺘﻳﺎﻨﻋو ﻪﻈﻔﺣ ﻦﻣو ﺾﻴﻘﻓ

Toujours dans l’optique d’utiliser les composés ioniques comme traceurs de radionucléides en raison de la plus grande facilité à les mesurer, nous avons rassemblé dans le

IFP started to work in this thematic three years ago and proposed a methodology based on the ageing of bi-layer FBE/adhesive coatings as stand alone systems to provide

“Real time analysis” of the ion density measured by the satellite DEMETER in relation with the seismic activity..