L'objectif de cette étude est de développer une méthodologie permettant de déterminer et de mettre en \oe{}uvre les conditions opératoires optimales du procédé fed-batch de copolymérisation en émulsion du styrène et de l'acrylate de butyle en présence d'un agent de transfert de chaîne (CTA). Elle vise particulièrement à optimiser la production et les caractéristiques physico-chimiques de particules de latex à propriétés d'usage ciblées. Après une étude expérimentale de l'impact des différents facteurs, le modèle mathématique du procédé a été développé traduisant l'effet particulier de l'agent de transfert de chaîne sur la cinétique de polymérisation et mettant l'accent sur une les bilans de population. Une approche basée sur l'analyse de l'estimabilité des paramètres a ensuite permis de sélectionner 21 paramètres parmi les 49 paramètres du modèle mathématique dont les valeurs ont été identifiées grâce à un algorithme génétique. Le modèle mathématique validé en modes batch et fed-batch a ensuite été exploité pour l'optimisation multicritère du procédé orientée vers la maximisation de la production de particules de latex possédant une morphologie de type coeur-écorce avec un profil de température de transition vitreuse prédéfini. L'ensemble des solutions du front de Pareto a été obtenu grâce à un algorithme évolutionnaire développé et testé à cet effet. La meilleure alternative obtenue grâce à un outil d'aide à la décision a été implémentée expérimentalement et comparée avec succès aux prédictions du modèle mathématique / The objective of this study is to develop a methodology in order to determine and implement the optimal operating conditions of the emulsion fed-batch copolymerization process of styrene and butyl acrylate in the presence of a chain transfer agent. It particularly aims to optimize the production and the physico-chemical characteristics of latex particles with targeted end-use properties. After an experimental study, the process model has been developed taking into account the particular effect of the chain transfer agent on the polymerization kinetic and highlights the population balance. Thanks to an estimability analysis approach, 21 parameters among the 49 parameters of the model have been selected whose values have been identified by using a genetic algorithm. The mathematical model validated in both batch and fed-batch modes was then exploited for the multicriteria optimization of the process oriented towards the maximization of the production of latex particles having a core-shell type morphology with a given glass transition temperature profile. The Pareto's front solutions were obtained thanks to an evolutionary algorithm developed and tested for this purpose. The best alternative obtained by a decision-making aid tool was finally experimentally implemented and successfully compared with the predictions of the mathematical model

La synthèse de macroalcoxyamines hydrosolubles à partir d’acide méthacrylique et d’un faible pourcentage de styrène sulfonate de sodium a été étudiée en solution aqueuse. Ces macroalcoxyamines ont été utilisées comme macroamorceurs pour la polymérisation en émulsion sanstensioactif du méthacrylate de méthyle et du méthacrylate de n-butyle avec un faible pourcentage destyrène. Les copolymères diblocs amphiphiles produits s’auto-assemblent in situ et conduisent, en fonction de leur taux d’hydrophilie, à l’obtention de nano-objets présentant des morphologies variées(sphères, fibres, vésicules). La plus intéressante est la morphologie fibrillaire car les suspensions correspondantes présentent des propriétés rhéofluidifiantes à basse concentration et possèdent un comportement viscoélastique à haute concentration. La synthèse de ces latex a été étudiée et développée dans des conditions monotopes les plus proches possibles d’une production industrielle. / Water-soluble, SG1-based macroalkoxyamines composed of methacrylic acid with a low percentage of sodium 4-styrene sulfonate were synthesized in aqueous solution. These macroalkoxyamines were used as macroinitiators in the surfactant-free emulsion polymerization ofmethyl methacrylate or n-butyl methacrylate with a low percentage of styrene. The polymerization induced self-assembly of the so-formed amphiphilic block copolymers leads to nanoobjects with various morphologies (spheres, fibers, vesicles), depending on their hydrophilic/hydrophobic balance. The most interesting morphology is the nanofiber type of organization as the suspensions presentshear-thinning properties at low concentration and viscoelastic behavior at high concentration. The synthesis of these latexes was investigated and developed in one-pot conditions in order to allow further production at the industrial scale.

Ces travaux décrivent la synthèse de nanoparticules stabilisées par des polyélectrolytes d’originesynthétique (poly(acide (méth)acrylique)) ou naturelle (alginate) par polymérisation radicalairecontrôlée (PRC) de type RAFT en émulsion. Ce procédé est basé sur l’utilisation d’un polymèrehydrophile obtenu par RAFT (macroRAFT) qui est réactivé dans l’eau pour la polymérisation d’unmonomère hydrophobe. Des copolymères à blocs amphiphiles sont ainsi générés et s’auto-assemblent in situ pour former des nanoparticules. Dans un premier temps, nous avons cherché à conduire l’ensemble du procédé en milieu aqueux. Des études ont ainsi été menées sur la polymérisation RAFTdans l’eau de l’acide acrylique et de l’acide méthacrylique. Des homopolymères bien définis ont été obtenus sur une large gamme de conditions, puis ont été utilisés comme macroRAFTs pour la polymérisation en émulsion de monomères hydrophobes. Des nanoparticules stables constituées de copolymères à blocs amphiphiles bien définis ont été produites. Il a été montré que le contrôle de la polymérisation et la nucléation dépendaient fortement du pH, mais qu’une bonne stabilité colloïdale était néanmoins observée dans tous les cas. Ce procédé "one-pot " a ensuite été extrapolé à la synthèse de particules stabilisées par des copolymères hydrophiles de N-acryloylmorpholine (NAM) et de macromonomères d’alginate. Des nano-objets aux morphologies variées ont été obtenus. Afin de mieux appréhender la formation de ces morphologies, un système modèle employant un copolymère hydrophile de NAM et de macromonomère de polyNAM obtenu par polymérisation RAFT a été étudiépour la polymérisation en émulsion du styrène. / This work describes the synthesis of nanoparticles stabilized by polyelectrolytes from synthetic(poly((meth)acrylic acid)) or natural (alginate) source by controlled free radical polymerization (CRP),namely RAFT, in emulsion. This process is based on the use of a hydrophilic polymer prepared by RAFT (i.e. macroRAFT) which is reactivated in water for the polymerization of a hydrophobic monomer. The formation of amphiphilic block copolymers which self-assemble in situ leads to the formation of nanoparticles. Firstly, we tried to perform the whole process in water. The RAFT polymerization of acrylic acid and methacrylic acid was studied in this context. Well-defined homopolymers were obtained under a large range of conditions, and further used as macroRAFTs in emulsion polymerization of hydrophobic monomers. Stable nanoparticles composed of well-defined amphiphilic block copolymers were produced. It was shown that the control of the polymerization and the nucleation were strongly dependent on the pH. Nevertheless, a good colloidal stability wasobserved in all cases. This “one-pot” process was then extrapolated to the synthesis of particles stabilized by hydrophilic copolymers of N-acryloylmorpholine (NAM) and alginate macromonomer. Nano-objects with various morphologies were obtained. In order to better understand the formation of these morphologies, a model system using a hydrophilic copolymer of NAM and a polyNAM macromonomer obtained by RAFT polymerization was studied in styrene emulsion polymerization.

L’objectif principal de ce travail de thèse est de synthétiser par polymérisation RAFT en milieux homogène et hétérogène des copolymères à blocs amphiphiles de structure bien contrôlée. Un procédé simplifié, « ont pot » a donc été développé pour synthétiser ces copolymères et les auto-assembler en particules dans l’eau. Cette méthode dite de « l’auto-assemblage induit par la polymérisation » (PISA) permet de synthétiser en quantité des copolymères à blocs amphiphiles en milieux aqueux sans aucune étape de purification intermédiaire. Dans ce procédé, deux étapes successives sont effectuées dans le même réacteur. La 1ère étape a pour but de synthétiser des agents RAFT macromoléculaires hydrophiles (macroRAFTs) par polymérisation en solution dans l’eau. Ces macroRAFTs fonctionnalisés par un groupement trithiocarbonate sont ensuite utilisés dans le même réacteur comme agents de contrôle etprécurseurs de stabilisants pour la polymérisation en émulsion du monomère hydrophobe directement dans l’eau. Lors de cette 2nde étape, des copolymères à blocs amphiphiles sont formés et s’auto-assemblent sous forme de particules aux morphologies variées (sphères, filaments et vésicules). Nous avons alors étudiés les différents paramètres (pH, température de polymérisation en émulsion, nature des monomères hydrophobe et hydrophile, taux de solide, masses molaires des blocs hydrophobe et hydrophile, etc)gouvernant la formation de morphologies spécifiques. Un objectif supplémentaire a été l’étude du comportement viscoélastique linéaire des suspensions de ces nano-fibres polymère à une température inférieure (25°C) ou supérieure (130°C) à la température de transition vitreuse (Tg) du coeur polystyrène des nano-fibres. A T < Tg, les nano-fibres sont parfaitement rigides et obéissent à une dynamique brownienne de bâtonnets. En effet, les lois d’échelles déduites du comportement viscoélastique de ces suspensions obéissent aux lois prédites par Doi-Edwards. En revanche, ces nano-fibres sont flexibles pour T > Tg et ont une dynamique Brownienne de chaînes polymères en solution. / The aim of this work was synthesis of well-defined amphiphilic block copolymers in homogenous and heterogenous media using RAFT polymerization (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) and to study their self-assemblies in water. A one-pot process in water was developed for the synthesis of amphiphilic block copolymers that simultaneously to their growth self-assembled into nano-particles. This method called “polymerization-induced self-assembly” (PISA) allows the synthesis of large quantities of amphiphilic block copolymers in aqueous media without any intermediate purification step. During this process, two successive polymerization steps are performed in the same reactor. The first step consists in the synthesis of the hydrophilic macromolecular RAFT agents (macroRAFT agents) possessing a trithiocarbonate reactive group via RAFT in water. Without purification, these macroRAFT agents are reactivated for the polymerization of a hydrophobic monomer in the same reactor via RAFT emulsion polymerization. The resulting amphiphilic block copolymers self-assembled into nano-objects with various morphologies (spherical micelles, nanofibers and vesicles). Different parameters (pH, temperature, natureof hydrophilic and hydrophobic monomers, solids contents, molar masse of hydrophilic and hydrophobic blocks, etc) control these morphologies. Besides, the viscoelastic properties of polymeric nanofibers suspensions were studied as a function of the temperature. Below the Tg of polystyrene core at 25°C, the scaling law from viscoelastic behavior of these nanofiber suspensions the Doi−Edwards theory on the Brownian dynamics of rigid rods. Above Tg at 130°C, the nanofibers are flexible and it observed that their dynamics obey the power laws for polymer chains in solution.

La micro-tomodensitométrie à rayons X (dite micro-CT, CT = Computed Tomography), est une technique d’imagerie de haute résolution qui consiste d’une part à mesurer l’absorption des rayons X par les tissus, et d’autre part de reconstruire les images et les structures anatomiques en 3 dimensions par traitement informatique. L’agent de contraste est une substance capable d’améliorer la visibilité des structures d’un organe ou d’un liquide organique in vivo. Ce travail de thèse a eu pour objectif le développement d’agents de contraste iodés sous formes de nano-émulsions pour des applications précliniques en imagerie biomédicale. Nous nous sommes proposés d’étudier d’une part des nano-émulsions iodées afin d’avoir une longue rémanence vasculaire in vivo, une meilleure biocompatibilité et d’autre part de mettre au point une synthèse et une formulation plus simples que celles des agents de contraste nanoparticulaires commercialisés. Trois différentes huiles iodées ont été synthétisées et utilisées comme partie contrastante dans les nano-émulsions. Enfin, les nano-émulsions de l’α-tocophérol iodé nous ont permis d’atteindre l’objectif de cette thèse. Ces nano-émulsions iodées ont montré une très bonne biocompatibilité et combinent à la fois les propriétés d’un agent de contraste à longue rémanence vasculaire et un agent de contraste spécifique du foie. / The X-ray microtomography (called mico-CT, CT = Computed Tomography) is a high-resolution X-ray tomography, uses X-rays to create cross-sections of a 3D-object that later can be used to recreate a virtual model without destroying the original model. The contrast agent is a substance used to enhance the contrast of structures or fluids within the body in medical imaging. The purposes of the thesis were the development of iodine-containing nano-emulsion based contrast for preclinical applications in biomedical imaging. We proposed to study blood pool contrast agents based on iodine-containing nano-emulsions and to develop simpler procedure for the preparation of these iodine-containing nano-emulsions. Three different iodinated oils were synthesized and used as the contrasting part in the nano-emulsions. Finally, nano-emulsions of iodinated α-tocopherol have been enabled us to achieve the purpose of the thesis. These iodinated nano-emulsions demonstrated very good biocompatibility and showed prolonged and significant contrast enhancement in both bloodstream and liver tissues.

Depuis le 11 juillet 2013, date d’application du Règlement cosmétique (CE) No 1223/2009, les metteurs sur le marché sont dans l’obligation de mentionner sur leurs produits la Date de Durabilité Minimale (DDM), ou si celle-ci excède 30 mois, la Période Après Ouverture (PAO). L’estimation de ces dates n’est pas encadrée réglementairement. Cosmetics Europe, l’Agence nationale de sécurité du médicament et des produits de santé, le Comité scientifique pour la sécurité du consommateur ou encore la Commission Européenne proposent des lignes directrices, mais les conditions d’étude pour la détermination de la DDM et de la PAO restent encore à l’appréciation de la personne responsable de la commercialisation du produit. L’objectif de ce travail était d’étudier les conditions nécessaires à la mise en place d’un protocole de mesure de la stabilité d’émulsions cosmétiques, permettant de déterminer la DDM du produit de manière fiable et rapide. Pour cela, une approche expérimentale sur une émulsion représentative de l’industrie cosmétique a été menée. L’évolution des paramètres organoleptiques, physico-chimiques et microbiologiques a été évaluée, en accéléré (température augmentée) et en temps réel. Une approche statistique a montré que les propriétés sensorielles évoluent différemment en fonction de la température et du matériau dans lequel l’émulsion est stockée. L’établissement d’un modèle de correspondance entre le vieillissement en conditions réelles et en conditions accélérées a pu être proposé pour certains paramètres physico-chimiques. Les études de microbiologie se sont tout d’abord concentrées sur la validation d’une méthode commerciale, alternative au dénombrement des germes aérobies totaux encadré par la norme ISO 21149, pour une application dans le domaine cosmétique. Après validation, la méthode a été utilisée comme un outil simple, rapide et économique pour le suivi de la stabilité microbiologique de l’émulsion de référence. La dégradation des conservateurs et de l’antioxydant présents dans la formule de référence a été suivie par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS). Ce suivi a permis de mettre en évidence l’effet probable de la lumière sur la dégradation des actifs de l’émulsion. A ces tests ont été associés une stratégie analytique visant à étudier la photostabilité de l’émulsion. Les études ont porté sur deux molécules : l’acide déhydroacétique et l’alpha-tocophérol. La stratégie a permis de caractériser les mécanismes impliqués dans les réactions de photodégradation. La chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse multi-étapes (GC-MSn) et la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution en tandem (LC-HR-MS/MS) ont été utilisées pour la séparation et l'identification structurale des photoproduits. La détection des photoproduits majoritaires dans l’émulsion de référence, après irradiation UV-visible, montre la possible formation des photoproduits dans une matrice complexe de type émulsion huile/eau. Les résultats des tests de toxicité, in silico et/ou in vitro, ont démontré l’importance de prendre en compte la formation éventuelle de photoproduits dans l’évaluation de la sécurité d’un produit cosmétique. / According to Cosmetic Regulation 1223/2009, implemented in July 2013, the manufacturer must mention the Date of Minimum Durability (DMD), or if DMD exceeds 30 months, the Period After Opening (PAO) on the product packaging. At the present time, no text regulates the procedures applicable to the validation of a DMD or a PAO. Some guidelines are published by Cosmetics Europe, the National Agency for the safety of medicines and health products, the Scientific Committee for consumer safety, or the European Commission; but the evaluation remains at the discretion of the person responsible for marketing the product. In this context, this work proposes recommendations to establish a stability protocol in order to quickly determine the DMD. Experimental approaches on an emulsion representative of the major category in the cosmetics industry have been established. Organoleptic, physicochemical and microbiological stabilities were evaluated. The emulsion stability has been tested in accelerated conditions and in real time. A statistical approach has been proposed to evaluate the product shelf life according to its organoleptic properties. The sensory properties of the cosmetic emulsion changed differently depending on the temperature and the material in which it has been stored. A mathematical correlation between the results of studies under normal and those obtained under accelerated conditions has been proposed for some parameters. A microbiological study focused on the validation of a commercially available method, alternative to total count of aerobic microorganisms, normed by the ISO 21149 for cosmetic application. Once validated, this method has been used as an economical, quick and easy tool to evaluate the microbiological stability of cosmetic emulsions. Gas chromatography coupled with mass spectrometry was used to follow the degradation of antioxidant and preservatives. To take into account the photostability of the emulsion, an analytical strategy was proposed to identify the mechanisms involved in phototransformation reactions. The study focused on two molecules: dehydroacetic acid and alpha-tocopherol. Both gas chromatography coupled with tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) and liquid chromatography coupled with ultrahigh resolution mass spectrometry (LC-UHR-MS) were used for the separation and the structural identification of photoproducts. The main photoproducts were detected in the reference emulsion after UV-visible irradiation, thus showing the possible formation of photoproducts in a complex oil/water emulsion. Both in silico and in vitro toxicity tests highlighted the need for taking into account the potential formation of photoproducts in the safety evaluation of a cosmetic product.

La préparation de formulations à libération contrôlée est le domaine des sciences pharmaceutiques qui vise à modifier l’environnement immédiat des principes actifs pour en améliorer l’efficacité et l’innocuité. Cet objectif peut être atteint en modifiant la cinétique de circulation dans le sang ou la distribution dans l’organisme. Le but de ce projet de recherche était d’étudier le profil pharmacocinétique (PK) de différentes formulations liposomales. L’analyse PK, généralement employée pour représenter et prédire les concentrations plasmatiques des médicaments et de leurs métabolites, a été utilisée ici pour caractériser in vivo des formulations sensibles au pH servant à modifier la distribution intracellulaire de principes actifs ainsi que des liposomes destinés au traitement des intoxications médicamenteuses. Dans un premier temps, la PK d’un copolymère sensible au pH, à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique (MAA) a été étudiée. Ce dernier, le p(NIPAM-co-MAA) est utilisé dans notre laboratoire pour la fabrication de liposomes sensibles au pH. L’étude de PK conduite sur les profils de concentrations sanguines de différents polymères a défini les caractéristiques influençant la circulation des macromolécules dans l’organisme. La taille des molécules, leur point de trouble ainsi que la présence d’un segment hydrophobe à l’extrémité des chaînes se sont avérés déterminants. Le seuil de filtration glomérulaire du polymère a été évalué à 32 000 g/mol. Finalement, l’analyse PK a permis de s’assurer que les complexes formés par la fixation du polymère à la surface des liposomes restaient stables dans le sang, après injection par voie intraveineuse. Ces données ont établi qu’il était possible de synthétiser un polymère pouvant être adéquatement éliminé par filtration rénale et que les liposomes sensibles au pH préparés avec celui-ci demeuraient intacts dans l’organisme. En second lieu, l’analyse PK a été utilisée dans le développement de liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pour le traitement des intoxications médicamenteuses. Une formulation a été développée et optimisée in vitro pour capturer un médicament modèle, le diltiazem (DTZ). La formulation liposomale s’est avérée 40 fois plus performante que les émulsions lipidiques utilisées en clinique. L’analyse PK des liposomes a permis de confirmer la stabilité de la formulation in vivo et d’analyser l’influence des liposomes sur la circulation plasmatique du DTZ et de son principal métabolite, le desacétyldiltiazem (DAD). Il a été démontré que les liposomes étaient capables de capturer et de séquestrer le principe actif dans la circulation sanguine lorsque celui-ci était administré, par la voie intraveineuse. L’injection des liposomes 2 minutes avant l’administration du DTZ augmentait significativement l’aire sous la courbe du DTZ et du DAD tout en diminuant leur clairance plasmatique et leur volume de distribution. L’effet de ces modifications PK sur l’activité pharmacologique du médicament a ensuite été évalué. Les liposomes ont diminué l’effet hypotenseur du principe actif administré en bolus ou en perfusion sur une période d’une heure. Au cours de ces travaux, l’analyse PK a servi à établir la preuve de concept que des liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pouvaient modifier la PK d’un médicament cardiovasculaire et en diminuer l’activité pharmacologique. Ces résultats serviront de base pour le développement de la formulation destinée au traitement des intoxications médicamenteuses. Ce travail souligne la pertinence d’utiliser l’analyse PK dans la mise au point de vecteurs pharmaceutiques destinés à des applications variées. À ce stade de développement, l’aspect prédictif de l’analyse n’a pas été exploité, mais le côté descriptif a permis de comparer adéquatement diverses formulations et de tirer des conclusions pertinentes quant à leur devenir dans l’organisme. / Drug delivery is the field of pharmaceutical sciences which focuses on altering the immediate environment of drug molecules to improve their efficacy and safety. Drug delivery systems can potentiate the effect of active principles or alleviate their side effects by modifying their circulation profiles and/or biodistribution. The objective of this research project was to investigate the role of pharmacokinetic (PK) analysis in the development of novel drug delivery systems. PK analysis is generally applied to describe and predict the blood concentration profiles of low molecular weight drugs and their metabolites. Nevertheless, it is herein used to characterize the circulation of 2 liposomal formulations: pH-sensitive liposomes designed to alter the intracellular distribution of drugs and liposomes with transmembrane pH gradient for drug detoxification. The first series of experiments were designed to study the circulation kinetics of a pH-sensitive polymer prepared with N-isopropylacrylamide (NIPAM) and methacrylic acid (MAA). The copolymer p(NIPAM-co-MAA) is used in our laboratory to prepare serum-stable, PEGylated, pH-sensitive liposomes. The circulation profiles of polymers with different characteristics were characterized. The parameters which impacted the fate of the macromolecules were the length of the polymer chain, its cloud point and the presence of a hydrophobic anchor at one extremity of the molecule. The glomerular filtration cut-off of the polymer was determined to be around 32,000 g/mol. PK analysis allowed to conclude that the complexes prepared by anchoring the polymer on the surface of the liposomes remained stable in the bloodstream. This data established that pH-sensitive vesicular formulations could be produced using a polymer which could be excreted through renal filtration. It also confirmed that the formulation remained intact in the bloodstream. The second part of this work involved the development of liposomes with a transmembrane pH gradient designed to treat cardiovascular drug intoxications. Liposomes were designed and optimized in vitro to capture a model cardiovascular drug, diltiazem (DTZ). In vitro, the liposome uptake capacity was 40-fold higher than the lipid emulsion used in the clinic. PK analysis was used to verify the stability of the formulation in vivo, and to assess the impact of the liposomes on the plasma concentration of DTZ and its principal active metabolite, deacetyl-diltiazem (DAD). It was shown that the vesicles were able to capture and sequester DTZ and DAD. Injection of liposomes 2 min prior to administration of DTZ significantly increased the area under the plasma-concentration vs. time curve of both DTZ and DAD, while lowering their clearance and volume of distribution. The impact of the changes in PK on the pharmacological effect of the drug was also investigated. Liposomes tempered the hypotensive effect of the drug when the latter was administered via an intravenous bolus or a 1-h perfusion. Throughout this work, PK analysis proved to be an efficient tool to study the ability of transmembrane pH gradient liposomes to alter the blood circulation profiles of a cardiovascular drug, and to reduce its pharmacological effect. This proof of concept establishes firm ground for the further development of this colloidal formulation to treat drug intoxications. This work pointed out the relevance of PK analysis for the development of multi-purpose, colloidal drug delivery systems. At this stage, the predictive nature of the analysis was not exploited, but its descriptive properties allowed objective comparison of the circulation profiles of distinct systems and pertinent conclusions concerning their fate in vivo.

La préparation de formulations à libération contrôlée est le domaine des sciences pharmaceutiques qui vise à modifier l’environnement immédiat des principes actifs pour en améliorer l’efficacité et l’innocuité. Cet objectif peut être atteint en modifiant la cinétique de circulation dans le sang ou la distribution dans l’organisme. Le but de ce projet de recherche était d’étudier le profil pharmacocinétique (PK) de différentes formulations liposomales. L’analyse PK, généralement employée pour représenter et prédire les concentrations plasmatiques des médicaments et de leurs métabolites, a été utilisée ici pour caractériser in vivo des formulations sensibles au pH servant à modifier la distribution intracellulaire de principes actifs ainsi que des liposomes destinés au traitement des intoxications médicamenteuses. Dans un premier temps, la PK d’un copolymère sensible au pH, à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique (MAA) a été étudiée. Ce dernier, le p(NIPAM-co-MAA) est utilisé dans notre laboratoire pour la fabrication de liposomes sensibles au pH. L’étude de PK conduite sur les profils de concentrations sanguines de différents polymères a défini les caractéristiques influençant la circulation des macromolécules dans l’organisme. La taille des molécules, leur point de trouble ainsi que la présence d’un segment hydrophobe à l’extrémité des chaînes se sont avérés déterminants. Le seuil de filtration glomérulaire du polymère a été évalué à 32 000 g/mol. Finalement, l’analyse PK a permis de s’assurer que les complexes formés par la fixation du polymère à la surface des liposomes restaient stables dans le sang, après injection par voie intraveineuse. Ces données ont établi qu’il était possible de synthétiser un polymère pouvant être adéquatement éliminé par filtration rénale et que les liposomes sensibles au pH préparés avec celui-ci demeuraient intacts dans l’organisme. En second lieu, l’analyse PK a été utilisée dans le développement de liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pour le traitement des intoxications médicamenteuses. Une formulation a été développée et optimisée in vitro pour capturer un médicament modèle, le diltiazem (DTZ). La formulation liposomale s’est avérée 40 fois plus performante que les émulsions lipidiques utilisées en clinique. L’analyse PK des liposomes a permis de confirmer la stabilité de la formulation in vivo et d’analyser l’influence des liposomes sur la circulation plasmatique du DTZ et de son principal métabolite, le desacétyldiltiazem (DAD). Il a été démontré que les liposomes étaient capables de capturer et de séquestrer le principe actif dans la circulation sanguine lorsque celui-ci était administré, par la voie intraveineuse. L’injection des liposomes 2 minutes avant l’administration du DTZ augmentait significativement l’aire sous la courbe du DTZ et du DAD tout en diminuant leur clairance plasmatique et leur volume de distribution. L’effet de ces modifications PK sur l’activité pharmacologique du médicament a ensuite été évalué. Les liposomes ont diminué l’effet hypotenseur du principe actif administré en bolus ou en perfusion sur une période d’une heure. Au cours de ces travaux, l’analyse PK a servi à établir la preuve de concept que des liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pouvaient modifier la PK d’un médicament cardiovasculaire et en diminuer l’activité pharmacologique. Ces résultats serviront de base pour le développement de la formulation destinée au traitement des intoxications médicamenteuses. Ce travail souligne la pertinence d’utiliser l’analyse PK dans la mise au point de vecteurs pharmaceutiques destinés à des applications variées. À ce stade de développement, l’aspect prédictif de l’analyse n’a pas été exploité, mais le côté descriptif a permis de comparer adéquatement diverses formulations et de tirer des conclusions pertinentes quant à leur devenir dans l’organisme. / Drug delivery is the field of pharmaceutical sciences which focuses on altering the immediate environment of drug molecules to improve their efficacy and safety. Drug delivery systems can potentiate the effect of active principles or alleviate their side effects by modifying their circulation profiles and/or biodistribution. The objective of this research project was to investigate the role of pharmacokinetic (PK) analysis in the development of novel drug delivery systems. PK analysis is generally applied to describe and predict the blood concentration profiles of low molecular weight drugs and their metabolites. Nevertheless, it is herein used to characterize the circulation of 2 liposomal formulations: pH-sensitive liposomes designed to alter the intracellular distribution of drugs and liposomes with transmembrane pH gradient for drug detoxification. The first series of experiments were designed to study the circulation kinetics of a pH-sensitive polymer prepared with N-isopropylacrylamide (NIPAM) and methacrylic acid (MAA). The copolymer p(NIPAM-co-MAA) is used in our laboratory to prepare serum-stable, PEGylated, pH-sensitive liposomes. The circulation profiles of polymers with different characteristics were characterized. The parameters which impacted the fate of the macromolecules were the length of the polymer chain, its cloud point and the presence of a hydrophobic anchor at one extremity of the molecule. The glomerular filtration cut-off of the polymer was determined to be around 32,000 g/mol. PK analysis allowed to conclude that the complexes prepared by anchoring the polymer on the surface of the liposomes remained stable in the bloodstream. This data established that pH-sensitive vesicular formulations could be produced using a polymer which could be excreted through renal filtration. It also confirmed that the formulation remained intact in the bloodstream. The second part of this work involved the development of liposomes with a transmembrane pH gradient designed to treat cardiovascular drug intoxications. Liposomes were designed and optimized in vitro to capture a model cardiovascular drug, diltiazem (DTZ). In vitro, the liposome uptake capacity was 40-fold higher than the lipid emulsion used in the clinic. PK analysis was used to verify the stability of the formulation in vivo, and to assess the impact of the liposomes on the plasma concentration of DTZ and its principal active metabolite, deacetyl-diltiazem (DAD). It was shown that the vesicles were able to capture and sequester DTZ and DAD. Injection of liposomes 2 min prior to administration of DTZ significantly increased the area under the plasma-concentration vs. time curve of both DTZ and DAD, while lowering their clearance and volume of distribution. The impact of the changes in PK on the pharmacological effect of the drug was also investigated. Liposomes tempered the hypotensive effect of the drug when the latter was administered via an intravenous bolus or a 1-h perfusion. Throughout this work, PK analysis proved to be an efficient tool to study the ability of transmembrane pH gradient liposomes to alter the blood circulation profiles of a cardiovascular drug, and to reduce its pharmacological effect. This proof of concept establishes firm ground for the further development of this colloidal formulation to treat drug intoxications. This work pointed out the relevance of PK analysis for the development of multi-purpose, colloidal drug delivery systems. At this stage, the predictive nature of the analysis was not exploited, but its descriptive properties allowed objective comparison of the circulation profiles of distinct systems and pertinent conclusions concerning their fate in vivo.

Les micelles de caséines, composées de caséines, minéraux et eau, sont en équilibres dynamiques, elles échangent en permanence de leur matière avec leur environnement. Les micelles de caséines possèdent d’intéressantes fonctionnalités pour la fabrication de produits laitiers, telles que leur capacité à stabiliser des émulsions et à former des gels sous l’action de la présure. Des changements environnementaux, variations de pH, additions de sels ou d’agents chélatants, affectent les équilibres des micelles et induisent des modifications de leurs compositions et propriétés colloïdales. Ces changements modifient également leurs propriétés fonctionnelles, bien que cet aspect soit peu décri. Le but de ce projet était de comprendre les relations liant l’environnement, l’équilibre minéral, les propriétés colloïdales et fonctionnelles des micelles de caséines. L’impact de cinq facteurs (pH, Na3Cit, NaCl, CaCl2, MgCl2) modifiant les micelles fut étudié en focalisant sur leurs propriétés émulsifL’acidification et l’addition de Na3Cit ont causé les modifications minérales les plus importantes en solubilisant le phosphate de calcium micellaire. Le premier conduisit au « gonflement » des micelles alors que l’agent chélatant causa leur dissociation en petits agrégats. L’ajout de NaCl n’eut aucun impact sur le contenu minéral des micelles mais provoqua aussi la libération d’agrégats, révélée par cryo microscopie électronique et diffusion de rayons-X aux petits angles. Le rôle du phosphate de calcium sur les fonctionnalités fut confirmé et l’étude révéla l’importance de contrôler la libé / Caseins micelles, composed of caseins, minerals and water, are under dynamic equilibria, they constantly exchange materials with their surrounding environments. In addition, casein micelles possess valuable functionalities in regards to the formation of dairy products, such as the ability to stabilize emulsions or to form rennet gels. Environmental changes, such as variations in pH, additions of salts or chelating agents, affect the casein micelles equilibria and lead to modifications in their compositional and colloidal properties. Such changes also modify their functional properties, although this aspect is poorly described in the literature. This project aimed to understand the relationships that link the environmental modifications, the mineral balance, the colloidal and functional properties of the casein micelles. The impact of five modifying factors (pH, Na3Cit, NaCl, CaCl2, MgCl2) of the casein micelles were studied and the focus was placed on emulsion and rennet coagulation fuThe former only induce the swelling of casein micelles while the latter led to their disruption into smaller aggregates. NaCl had no impact on the micellar mineral content but also caused the release of small aggregates, as revealed by electronic microscopy and small angle X-ray scattering analyses. The decisive role of micellar calcium phosphate on the functionalities was confirmed and this study highlighted the importance of monitoring the release of small aggregates, as they strongly affected emulsions stability and gels firmness. CaCl2 and MgCl2 additions slightly increased the mineral c

Les agents d’imagerie aux rayons X sont essentiels en combinaison avec la tomodensitométrie pour améliorer le contraste de manière à permettre la visualisation complète des vaisseaux sanguins et de fournir l'information structurelle et fonctionnelle de lésions permettant la détection d'une tumeur. Ces outils fondamentaux permettent également de faire la distinction entre les cellules et les agents pathogènes sains. Les agents de contraste aux rayons X commercialisés sont limités dans leur succès dans le cas du Fenestra® VC par le temps court de circulation dans le sang et celui qui est lié à l'élimination rénale rapide du corps comme dans le cas du Xenetix® (Iobitriol). Nous avons développé des agents de contraste à base d’α-tocophérol (vitamine E), de Cholécalciférol (vitamine D3), d'huile de ricin, de Capmul® MCMC8 et d’acide oléique qui sont tous dénués de toxicité, qui contiennent de l’iode sous forme de nano-émulsion et qui sont destinés à l’imagerie préclinique en μ-CT. Ces nano-émulsions formulées ont été préparées par la technique d’émulsification spontanée de basse énergie avec une légère modification pour chaque composé iodé. Ces formulations ont montré de nouvelles caractéristiques spécifiques les rendant prometteuses dans des expérimentations in vivo avec une augmentation du rapport de la toxicité et de celui des interventions thérapeutiques visées. Nous avons étudié l'effet de la taille et de la composition chimique des systèmes nanoparticulaires sur leur biodistribution, leur pharmacocinétique et leur toxicité. Ces études ont permis de mettre en évidence l’importance de la constitution chimique des agents iodés utilisés avec par exemple la vectorisation du foie dans le cas de la vitamine E et une accumulation passive dans la rate pour les formulations à base d'huile de ricin, faisant la preuve-de-concept de l'effet EPR. D'autre part, des formulations identiques ayant deux tailles de gouttelettes différentes et contenant du cholécalciférol indiquent qu’il n’y a pas de réels impacts sur la pharmacocinétique et la biodistribution mais présentaient une augmentation importante de la toxicité. Une autre étude a consisté a étudié l’effet des charges de surface des systèmes nanoparticulaires sur leur biodistribution, c’est pourquoi la nano-émulsion a été sélectionnée pour réaliser cette étude en présence d’un polymère amphiphile tel que le poly (anhydride-alt-1-octadecene maléique) (PMAO). Les résultats in vitro et les évaluations in vivo étaient tout à fait cohérents sachant que les systèmes nanoparticulaires neutres présentent moins de toxicité comparée à celles qui sont chargés négativement qui ont été capturés de manière plus importante dans les cellules causant un stress cellulaire et delà affectent la toxicité. Selon les résultats, elles présentent des biodistributions et des pharmacocinétiques différentes. Dans ce contexte, pour la première fois, nous avons pu fonctionnaliser les nanogouttes des nanoémulsions en fixant des ligands par des liaisons covalentes. Nous avons conçu des nanogouttes enrobées avec un enrobage de silice terminé par des groupements aminés et ainsi réalisé la formation de liaisons amides avec le greffage d’un colorant modèle (colorant bleu coumarine). La quantification des groupements aminés a été réalisée à l'aide de techniques spectroscopiques et microscopiques ainsi que la détermination de l'efficacité du greffage déterminé à 41%. [...] Un de nos objectifs réalisés était de concevoir des systèmes nanoparticulaires polymères multifonctionnels qui peuvent encapsuler des principes actifs hydrophobes modèles et des agents de contraste pour l’imagerie à rayons X, de sorte à construire des dispositifs théranostiques. Pour conclure, de nouveaux agents de contraste et des systèmes de délivrance ont été synthétisés ayant des caractéristiques physico-chimiques exceptionnelles et acceptables pour être utilisées in vivo avec une grande efficacité et une faible toxicité. / X-ray imaging agents are essential in combination with X-ray computed tomography to improve contrast enhancement aiming at providing complete visualization of blood vessels and giving structural and functional information on lesions allowing the detection of a tumor. As well as it is fundamental tool to discriminate between healthy cells and pathogens. We successfully limit the problems presented in commercial Xray contrast agents like poor contrasting in Fenestra® VC associated with short blood circulation time and to avoid rapid renal elimination from the body as found in Xenetix (Iobitriol). We developed nontoxic and blood pool iodine-containing nano-emulsion contrast agents serving in preclinical X-ray μ-CT imaging such as, α- Tocopherol (vitamin E), Cholecalciferol (vitamin D3), Castor oil, Capmul MCMC8 oil and oleic acid. Those formulated nanoemulsions were prepared by low energy spontaneous emulsification technic with slight modification for each platform. They showed new specific features rendering them promising agents in in vivo experiments as improving the balance between the efficacy and the toxicity of targeted therapeutic interventions. We investigate the effect of size and the chemical composition of the nanoparticles on their biodistribution, pharmacokinetics and toxicity. They demonstrated that the chemical structures of the droplet’s cores have significant role in targeting for example vitamin E was mainly accumulated in liver and castor oil formulation was passively accumulated in spleen explaining the proof-of-concept of EPR effect. On the other hand, two different platform sizes of Cholecalciferol molecule revealing that no real impact on the pharmacokinetics and biodistribution but presented remarkable effect on the toxicity. Of particular interest is studying the effect of the surface charge of nanoparticles on their biodistribution, this is why oleic acid nano-emulsion was selected to proceed this study by presence of amphiphilepolymer poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) (PMAO). The in vitro results and in vivo evaluations were completely coherent approving that the neutral charged NPs are less toxic compared to the negatively charged ones that were highly uptaked in the cells causing stress to the cells and thereby affecting the toxicity. As a result they are different in biodistribution and pharmacokinetics. In this context, for the first time, we were able to functionalize the nano-emulsion droplets with ligand molecules by covalent bonds. Likewise we designed nano-droplets and coated by silica shell ended by amino groups and then followed by formation of amide bonds with grafting to dye ligand model (coumarin blue dye). The quantification of amino groups was performed by using spectroscopic and microscopic techniques, with a grafting efficiency as high as 41%. This process improves the targeting properties of such chemotherapeutic agents to the location of interest following active targeting mechanism (ligand receptorstrategy). One of our achieved objectives was to engineer multifunctional polymer-based NPs encapsulating hydrophobic drug model as DDs and iron oxide NPs as a theranostic model. To conclude, novel contrast agents and delivering systems were synthesized with outstanding physicochemical characteristics and suitable for in vivo medium with high efficacy and low toxicity.