Nanoparticules d'hémine en forme de têtard et de sphère obtenues par dialyse : une augmentation de 308 fois de la solubilité pour la biodisponibilité du fer

Résumé

L'hémine, une source de fer hautement biodisponible, est limitée par sa solubilité aqueuse négligeable. Nous rapportons une approche simple basée sur la dialyse qui produit deux morphologies distinctes de nanoparticules d'hémine — en forme de têtard (tête ≈ 200 nm, queue 100 nm) et sphérique (50–100 nm). Les deux formes présentent une solubilité dramatiquement améliorée, les particules sphériques atteignant une augmentation de 308 fois à 25 °C par rapport à l'hémine libre. Les nanoparticules restent stables dans un pH acide, à haute température et en force ionique, et elles affichent une forte absorption dans le proche infrarouge, les positionnant comme candidats prometteurs pour l'enrichissement alimentaire, l'administration biomédicale et les thérapies photothermiques.

Introduction

La carence en fer touche près de 20 % de la population mondiale, entraînant anémie et réduction de la qualité de vie. Bien que le fer non-hémique d'origine végétale soit facilement disponible, son absorption est souvent sous-optimale. L'hémine — dérivée de l'hémoglobine et de la myoglobine — offre une absorption supérieure (50–87 %) mais souffre d'hydrophobicité et de mauvaise solubilité, entravant son utilisation pratique. Les stratégies conventionnelles telles que la complexation protéique, la co-cristallisation avec l'arginine et l'inclusion dans les cyclodextrines ont amélioré la solubilité mais impliquent des procédures complexes, limitant l'évolutivité.

La nanotechnologie offre une voie convaincante pour améliorer les propriétés physicochimiques des bioactifs hydrophobes sans altérer les attributs sensoriels. Les nanoparticules peuvent augmenter la solubilité apparente, améliorer la biodisponibilité et permettre une administration ciblée. Ici, nous développons une méthode de dialyse simple pour produire des nanoparticules chimiquement distinctes, évaluons leur morphologie, leur stabilité physicochimique et leur solubilité, et mettons en évidence leurs applications potentielles.

Matériaux et Méthodes

Matériaux

L'hémine et les membranes de dialyse de 8–12 kDa provenaient de Beijing Solarbio. L'acétone (≥ 99,5 %) a été obtenue de Kant Chemical. Tous les autres réactifs étaient de grade analytique.

Préparation des nanoparticules d'hémine

L'hémine (0,1 ou 0,5 mg mL⁻¹) a été dissoute dans de l'acétone acidifiée avec 0,1 mL d'HCl. La solution a été dialysée contre de l'eau déionisée, avec changement quotidien d'eau, jusqu'à ce que la lyophilisation produise les nanoparticules. Les paramètres variés comprenaient les rapports hémine/eau (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), la température (4 °C ou 25 °C) et la durée de dialyse (1–5 jours).

Microscopie électronique à transmission (MET)

Les images ont été capturées sur un MET Hitachi 7700 à 80 kV. Les échantillons ont été déposés sur des grilles revêtues de carbone et lyophilisés.

Diffusion dynamique de la lumière (DDL)

La taille, le potentiel zêta et l'IPG ont été mesurés avec un Malvern Zetasizer Nano (dilution 0,05 % dans l'eau MilliQ, 25 °C).

Spectroscopie UV-Vis

Les spectres d'absorption (200–800 nm) ont été enregistrés sur un spectrophotomètre TU-1810. Les concentrations ont été déterminées à 640 nm.

Essai de solubilité

Des solutions sursaturées d'hémine libre et de nanoparticules ont été agitées à 25, 37, 60 et 80 °C (500 tr/min, 30 min). Les surnageants ont été centrifugés, dilués et analysés par UV-Vis.

Tests de stabilité

Les suspensions de nanoparticules (0,5 mg mL⁻¹) ont été exposées à un pH de 2 à 11, des températures de 25 à 80 °C et du NaCl (0–500 mM). La taille, le potentiel zêta, l'IPG et la turbidité ont été surveillés pendant une nuit à 25 °C.

FTIR, Fluorescence et DRX

Les spectres FTIR (400–4000 cm⁻¹) ont été collectés avec un Jasco Tensor 27. La fluorescence (excitation 402 nm, émission 300–600 nm) a été mesurée sur un Hitachi F-7000. Les diagrammes DRX (2θ 4–40°) ont été obtenus avec un Bruker AXS D8 ADVANCE.

Résultats et Discussion

Formation et morphologie

À 0,5 mg mL⁻¹ d'hémine, des nanoparticules sphériques (50–100 nm) sont apparues à un rapport hémine/eau de 1:10 après 3 jours de dialyse. Des rapports plus élevés (1:50) ont produit des agrégats en forme de tige. En revanche, 0,1 mg mL⁻¹ d'hémine a donné des particules en forme de têtard (tête ≈ 200 nm, queue 100 nm) sous des conditions identiques. La MET a confirmé des structures monodisperses ; la DDL a montré des diamètres hydrodynamiques de 218 ± 6 nm (sphères) et 300 ± 8 nm (têtards). Les potentiels zêta étaient de -21 mV (sphères) et -11 mV (têtards), indiquant une bonne stabilité colloïdale. Les valeurs d'IPG (0,35–0,40) reflétaient des distributions de taille étroites.

Propriétés optiques

Les spectres UV-Vis ont révélé un décalage de la bande de Soret de 344 nm (hémine libre) à 265 nm (nanoparticules), signifiant une conjugaison π-π améliorée. Les deux formes de nanoparticules présentaient une forte absorption dans le proche infrarouge (≈ 660–770 nm), avantageuse pour les applications photothermiques et photoacoustiques. Le pic d'émission de fluorescence à 500 nm était plus élevé que celui de l'hémine libre, probablement dû à l'augmentation de la solubilité.

Amélioration de la solubilité

La solubilité de l'hémine libre à 25 °C était de 0,009 mg mL⁻¹. Les nanoparticules sphériques ont atteint 1,33 mg mL⁻¹, soit une augmentation de 308 fois. Les particules en forme de têtard se solubilisaient à 1,00 mg mL⁻¹. La solubilité augmentait avec la température pour tous les échantillons, confirmant une dissolution activée thermiquement.

Confirmation structurale

Les spectres FTIR montraient des bandes N-H/O-H élargies (3470 cm⁻¹) dans les nanoparticules, indiquant des liaisons hydrogène plus fortes. Les diagrammes DRX des sphères conservaient les pics cristallins de l'hémine libre, tandis que les têtards montraient une cristallinité réduite (35,7 % vs 56,7 % pour l'hémine libre), suggérant une amorphisation partielle.

Stabilité

Les nanoparticules restaient stables en pH acide (≤ 7) avec des changements minimes de taille et d'IPG. En pH alcalin (≥ 9), l'agrégation augmentait (> 400 nm). L'exposition thermique jusqu'à 80 °C provoquait une légère croissance de taille mais préservait l'intégrité colloïdale. Une force ionique élevée (≥ 250 mM NaCl) entraînait une déstabilisation de la dispersion.

Conclusions

Nous avons conçu avec succès des nanoparticules d'hémine en forme de têtard et de sphère via une méthode de dialyse simple, atteignant une amélioration de 308 fois de la solubilité à 25 °C. Les particules démontrent une excellente stabilité acide et thermique et une forte absorption dans le proche infrarouge, les positionnant comme plateformes polyvalentes pour l'enrichissement en fer, l'administration de médicaments et les thérapies photothermiques. Les recherches futures se concentreront sur le chargement de thérapeutiques et l'optimisation des réponses optothermiques.