Les anticorps monoclonaux (Acm) ont révolutionné la prise en charge de nombreuses maladies inflammatoires chroniques. L’administration par voie systémique des Acm ne semble pas optimale pour le traitement des maladies respiratoires. Ce travail a eu pour objectif d’étudier le comportement des anticorps après leur administration par voie pulmonaire. Le cetuximab, un anticorps anti-EGFR, a été étudié dans un modèle murin de tumeur pulmonaire bioluminescente et chez le macaque. Le G6-31, un anticorps anti-VEGF, a été étudié dans un modèle murin transgénique de tumeur pulmonaire spontanée. Les résultats montrent que les anticorps administrés par voie pulmonaire sont efficaces, persistent durablement dans le poumon et passent peu dans le compartiment sanguin. L’administration par voie pulmonaire d’Acm pourrait donc augmenter l’index thérapeutique de ces médicaments. Ces résultats ouvrent la voie pour l’administration par voie pulmonaire d’Acm dans les pathologies respiratoires en général. / Monoclonal antibodies (mAbs) modified profoundly the treatment of many chronic inflammatory diseases. Systemic administration of mAbs does not seem to be optimal for the treatment of respiratory diseases. This work aims at studying the fate of mAbs after pulmonary delivery. The lung delivery of Cetuximab, an anti-EGFR antibody, was assessed in an orthotopic mouse model of lung tumor and in macaques. G6-31, an anti-VEGF antibody, was studied in a transgenic murine model of spontaneous lung tumors. The results showed that mAbs, after pulmonary delivery, were pharmacologically effective, persisted durably into the lung and passed slowly into the bloodstream. Pulmonary delivery of mAbs might increase the therapeutic index of these drugs. Altogether, these results open the way for the pulmonary administration of mAbs in respiratory disorders

Le but de cette étude a été d’analyser l’intérêt de l’aérosolthérapie d’anticorps monoclonaux (AcM) dans le traitement du cancer broncho-pulmonaire non à petites cellules (CBNPC) en utilisant le cetuximab, un AcM anti-EGFR. L’expression du récepteur FcRn, essentiel dans la pharmacocinétique et la biodistribution des IgGs thérapeutiques a été étudiée dans le CBNPC. Nos résultats montrent que l’AcM peut résister aux contraintes physiques de la nébulisation. Les données de biodistribution et pharmacocinétique, obtenues dans un modèle animal, indiquent que l’Ac administré par aérosol, s’accumule de façon prolongée au niveau pulmonaire. De plus, les tumeurs chez la souris paraissent sensibles à l’aérosolthérapie avec l’AcM. Par ailleurs, le récepteur FcRn est moins exprimé au niveau transcriptionnel et protéique dans le tissu tumoral que dans le tissu sain adjacent à la tumeur dans le CBNPC. Cette altération de l’expression pourrait être due à l’hyperméthylation du promoteur de ce gène. / The project aims at determining whether aerosoltherapy is well suited for monoclonal antibodies (Mab), in Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC). In addition, exploration of the expression of FcRn, an IgG receptor contributing to increased half-life and biodistribution of Mab, has been studied in NSCLC. Using cetuximab, an anti-EGFR Mab, we showed that Mab resist the physical constraints of nebulization. Biodistribution and pharmacokinetic analyses, using a murine model, revealed that cetuximab is highly and durably accumulated within the lungs and slowly and weakly released into the bloodstream following airways delivery. Moreover, animal tumors seem sensitive to cetuximab aerosoltherapy. Expression analysis of FcRn at both the transcript and protein levels showed that the receptor is downregulated in NSCLC. FcRn alteration of expression in the tumor might be due to hypermethylation of the gene promoter as often found in cancer.

L’aérosolthérapie est une modalité thérapeutique complexe souvent prescrite dans les services de réanimation et de surveillance continue, les services d’urgences et les unités de soins intensifs, notamment chez les patients obstructifs, ce qui fait des bronchodilatateurs la classe médicamenteuse la plus prescrite par voie aérosolisée. Les patients de ces unités de soins aiguë nécessitent aussi fréquemment un support ventilatoire parmi lesquels le haut débit nasal humidifié se montre être une modalité prometteuse en raison de ses effets physiologiques, y compris chez les patients obstructifs. La question de l’administration d’aérosols de médicaments et notamment de bronchodilatateurs chez des patients soumis au haut débit nasal est donc posée. L’administration d’aérosols médicamenteux au cours du haut débit nasal directement dans le circuit de ce support ventilatoire pourrait être une méthode simple, efficace, voire même bénéfique. / Aerosol therapy is a complex method of drug delivery frequently used in intensive care units, step down units and emergency departments, especially in obstructive patients which makes bronchodilators the most prescribed drug class in critical care. Critically ill patients often require ventilatory support, including nasal high flow therapy which showed promising clinical benefits. Given the physiologic effects of nasal high flow therapy, its implementation may be beneficial for obstructive patients. Consequently, the question of aerosol administration, especially bronchodilators, in patients undergoing nasal high flow arises. Aerosol administration during nasal high flow therapy directly in the high flow circuit could be a simple, efficient and possibly beneficial method. However, technical and physiological issues may jeopardize efficacy of this combined administration.

L’aérosolthérapie est une pratique ancienne de plusieurs siècles. Progressivement l’administration inhalée de bronchodilatateurs et de corticoïdes s’est imposé comme le traitement au long cours de référence des maladies pulmonaires obstructives. Plus récemment de nouvelles molécules, comme les antibiotiques ou les mucomodulateurs, ont été administrées avec succès par voie inhalée, particulièrement chez les patients atteints de mucoviscidose. Alors que ces succès de l’aérosolthérapie ont été obtenus chez les patients en ventilation spontanée et traités essentiellement dans le contexte ambulatoire, les données sont beaucoup plus parcellaires concernant l’aérosolthérapie chez les patients admis en réanimation et plus particulièrement ceux soumis à la ventilation artificielle. Néanmoins, l’effet physiologique des bronchodilatateurs et des corticoïdes a été documenté chez les patients soumis à la ventilation artificielle et plusieurs études expérimentales et de recherche clinique [ont] documenté la faisabilité de l’antibiothérapie inhalée chez ces patients. Cinq travaux ont été réalisés dans le cadre de la thèse, faisant appel à des méthodes de recherche expérimentale sur banc, d’expérimentation animale, de recherche clinique et épidémiologique concernant l’aérosolthérapie en réanimation. Les deux premiers travaux ont consisté en une enquête internationale par voie électronique auprès des huit cents médecins exerçant en réanimation et d’une étude prospective observationnelle durant deux semaines dans quatre-vingts services de réanimation. Les résultats principaux de ces travaux sont que l’aérosolthérapie était très fréquente en réanimation et concernait près d’un quart des patients. Les molécules administrées étaient essentiellement des bronchodilatateurs et des corticoïdes, mais l’antibiothérapie inhalée était également pratiquée. […] L’aérosolthérapie est apparue comme bien tolérée à court terme […]. Le troisième travail a consisté en une évaluation sur banc des systèmes de nébulisation pneumatique synchronisée intégrés dans quatre ventilateurs de réanimation. Les résultats principaux de ce travail sont que ces systèmes permettaient un bon contrôle du volume courant délivré au patient durant la nébulisation ; en revanche la synchronisation inspiratoire n’était pas optimale […]. Le quatrième travail a consisté en une étude clinique évaluant la pharmacocinétique sérique de l’amikacine après son administration inhalée à forte dose chez vingt-deux patients soumis à la ventilation artificielle et atteints de pneumonie nosocomiale. L’administration était réalisée à l’aide d’un système de nébulisation pneumatique innovant, adapté à la ventilation artificielle. Le résultat principal de ce travail a été que la nébulisation de 60 mg/Kg d’amikacine s’est avéré faisable chez le patient sous ventilation artificelle et que les concentrations sériques observées étaient inférieures à celles observées après perfusion intraveineuse. […] Enfin, le dernier travail a consisté en une étude animale comparant la pharmacocinétique sérique de l’amikacine après administration intraveineuse, nébulisation et aérosolisation in situ à l’extrémité de la sonde d’intubation de porcelets soumis à la ventilation artificielle avec des poumons non infectés. Le principal résultat est que l’aérosolisation in situ a permis d’administrer de grandes quantitiés d’amikacine en très peu de temps. Néanmoins, les concentrations intra-parenchymateuses étaient très hétérogènes après aérosolisation in situ et fréquemment faibles […]. / Aerosoltherapy is a centuries-old practice. Inhaled bronchodilatators and corticosteroids have become the long-term treatment of choice for obstructive lung diseases. More recently, new molecules, such as antibiotics or mucus modulators have been successfully administrated by inhalation, particularly in patients with cystic fibrosis. While the success of aerosoltherapy were obtained in patients breathing spontaneously and essentially treated in the outpatient setting, data are much scarcer concerning aerosoltherapy in patients admitted to intensive care and especially those undergoing mechanical ventilation. Nevertheless, the physiological effects of bronchodilators and corticosteroids have been documented in patients undergoing mechanical ventilation and several experimental and clinical researches documented the feasibility of inhaled antibiotic therapy in these patients. The thesis comprises five works carried out using methods of experimental bench research, animal experimentation so as clinical and epidemiological research concerning aerosoltherapy in the intensive care setting. The first two works consisted of an international electronic survey among eight hundred physicians working in intensive care and a two-week prospective cross-sectional study in eighty intensive care units. The main results of those works are that aerosoltherapy appeared very common in the intensive care unit and concerned about a quarter of all admitted patients. The molecules administrated were essentially bronchodilatators and corticosteroids, but inhaled antibiotic therapy was also practiced. Although implementation of aerosoltherapy, especially during mechanical ventilation, appeared frequently at odds with optimal practice, or even dangerous, it was well tolerated in the short term since only a hundred side effects were observed during the nine thousand aerosol administrations collected in the prospective study. The third work evaluated, in a bench model of mechanical ventilation, synchronized pneumatic nebulization systems integrated in four intensive care ventilators. The main results of this work are that these systems provided good control of the tidal volume during nebulization ; however inspiratory synchronization was not optimal since a significant proportion of nebulization occurred during expiration, due ti gas compression/decompression upstream of the nebulizer. The fourth work consisted of a clinical study evaluating serum pharmacokinetics of amikacin after high dose inhalation in twenty-two patients undergoing mechanical ventilation and suffering nosocomial pneumonia. Administration was carried out using an innovative pneumatic nebulization system adapted to mechanical ventilation. The main result of this work was that nebulization of 60 mg / kg of amikacin proved feasible in patients on mechanical ventilation and serum concentrations observed were lower than those observed after intravenous infusion. An increase in the dose and / or the yield of the nebulization system may be considered to promote greater lung deposition in order to favour improved efficacy. The presence or absence of a heated humidifier did not influence the results, thus allowing considering active humidification during prolonged nebulization within a high-dose strategy. Finally, the last work was an animal study comparing serum pharmacokinetics of amikacin after intravenous administration, nebulization and in situ aerosolisation at the end of the endotracheal tube in piglets with healthy lungs undergoing mechanical centilation. The main results are that in situ aerosolisation allowed administrating large amounts of amikacin in a very short time. Nevertheless, intra-parenchymal concentrations were very heterogeneous after in situ aerosolisation and often low, while nebulization allowed observing globally more homogeneous concentrations. Immuno-histological amikacin staining allowed observing lung deposition of amikacin at the tissue level.

Les pneumopathies acquises sous ventilation mécanique (PAVM) sont responsables d'une mortalité élevée. La nébulisation d'antibiotiques permet d'améliorer l'efficacité de leur traitement. Pour autant, aucune donnée pharmacocinétique portant sur la colistine et la gentamicine ne permet de recommander un schéma posologique particulier.Nous avons comparé les propriétés pharmacocinétiques plasmatique et intra-pulmonaire de la colistine (administrée sous forme de prodrogue, le colistiméthate sodique ou CMS) et de la gentamicine selon le mode d'administration (nébulisation ou perfusion intraveineuse) chez des patients de réanimation présentant une PAVM.Les concentrations intra-pulmonaires de colistine et de gentamicine étaient, respectivement, de 10 à 40 et 50 à 70 fois supérieures, après nébulisation, à celles retrouvées après administration d'une même dose par voie intraveineuse. La nébulisation permettrait également de limiter le risque de toxicité systémique avec une biodisponibilité inférieure à 10%.En assurant de fortes concentrations intra-pulmonaires et un faible passage systémique, la nébulisation de CMS et de gentamicine pourrait être une bonne alternative à leur administration intraveineuse dans le traitement des PAVM. / Ventilator-associated pneumonia (VAP) is associated with high mortality. Nebulization of antibiotics improves outcome of patient with VAP. However, pharmacokinetic data concerning colistin and gentamicin allowing for optimal dosing regimen recommendation are lacking.We compared systemic and pulmonary concentrations of colistin (administered as an inactive prodrug, colistin methanesulfonate or CMS) and gentamicin according to the route of administration (nebulization and intravenous infusion) in critically ill patients with VAP.Intra-pulmonary concentrations of colistin and gentamicin were 10 to 40-fold and 50 to 70-fold much higher after nebulization than after the same dose by intravenous route, respectively. Nebulization has also the theoretical potential advantage to improve patients' safety in relation to the colistin biodisponibility lower than 10%.With high intra-pulmonary concentrations and very low systemic absorption, CMS and gentamicin nebulization may be good alternatives to intravenous infusion for VAP treatment.

L’aérosolthérapie a pour objectif de délivrer un médicament dans les voies respiratoires. Le nébuliseur pneumatique est un dispositif permettant de générer des gouttelettes de liquide de diamètre micrométrique. Son processus d’atomisation a cependant été peu analysé. Ainsi, les performances du nébuliseur, caractérisées par le diamètre des gouttes et la masse de médicament inhalable par le patient, et atteignent un palier. Notre travail consiste à utiliser un modèle numérique diphasique en 3D basé sur une géométrie donnée et paramétré sous ANSYS Fluent. Plusieurs méthodes sont utilisées pour caractériser expérimentalement la génération de l’aérosol : l’ombroscopie, la diffractométrie laser et l’anémométrie phase Doppler. Notre modèle est validé par rapport aux données expérimentales et peut donc être exploité pour analyser les processus de génération. L’influence de plusieurs paramètres physiques sur les caractéristiques de l’aérosol produit est étudiée. Ainsi, l’étape de génération de gouttelettes est optimisée pour le développement d’un nouveau nébuliseur. Le transport des gouttes aux poumons du patient est optimisé empiriquement. / The purpose of aerosol therapy is to deliver drugs into respiratory airways. The jet nebulizer is a device used to generate liquid droplets with a diameter lower than 5 μm. However its atomization process was not much analyzed. Nebulizer performances, which are characterized with droplet size and drug mass inhaled by the patient, are empirically optimized and have reached a plateau. Our work consists in setting a 3D diphasic numerical model on ANSYS Fluent, based on a given geometry. Several methods are used to experimentally characterize aerosol generation: shadowgraphy, laser diffractometry and phase Doppler anemometry. Our model is validated by experimental data and helps predicting generation processes. The influence of several geometric and physical parameters on the output is studied. From these data, droplet generation is optimized for the development of a new nebulizer. Droplet transport to the patient lungs is empirically optimized.

La teicoplanine est utilisée par voie intraveineuse (IV) dans le traitement de la pneumonie acquise sous ventilation mécanique (PAVM) à Staphylocoque aureus méticilline résistant. Nous avons évalué la faisabilité et les bénéfices de la nébulisation de teicoplanine en ventilation mécanique (VM) par rapport à la voie IV. L’administration d’un aérosol de teicoplanine chez le rat a permis d’obtenir des concentrations pulmonaires 48 fois supérieures à celles après IV et des concentrations plasmatiques inférieures à celles après IV. Après avoir mesuré l’influence des nébuliseurs sur les paramètres ventilatoires du respirateur, nous avons sélectionné le nébuliseur Aeroneb Pro®. Les propriétés bactériologiques de l’antibiotique ne sont pas altérées par le nébuliseur et l’exposition d’un modèle d’épithélium pulmonaire in vitro à des doses 100 fois supérieures à celles utilisées en IV n’a pas montré de cytotoxicité. L’étude réalisée sur la nébulisation de teicoplanine chez le porc en VM a montré un dépôt pulmonaire moyen de 18,1%. En conclusion, la nébulisation de teicoplanine pourrait etre envisagée comme une nouvelle arme thérapeutique dans la PAVM. / Nebulization of teicoplanin should be an alternative way of administration in Ventilator-associated pneumonia (VAP) caused by Methicillin-resistant staphylococcus aureus. We assessed the faisibility and advantages of nebulization of teicoplanin in mechanical ventilation. After a nebulization of teicoplanin in a rat model, the lung concentrations were more than 48 times higher than the lung concentrations following intravenous administration. In the next study, we used an Aeroneb Pro® nebulizer selected according to its safe properties with ventilator which was evaluated in a bench study. Any cytotoxicity was observed with high doses of teicoplanin and nebulization did not affect its pharmacological properties. In mechanically ventilated piglets, teicoplanin was administered efficiently by nebulization wih an aerosol delivery of 18.1% [16.3-27.0]. Pharmacokinetic parameters are particularly consistent with this time-dependent antibiotic and emphasize the potential of airways delivery of teicoplanin. In conclusion, nebulization of teicoplanin adds a further challenge to the development of aerosol therapy of antibiotics in VAP.