A dissertation submitted to the Faculty of Health Sciences, University of the Witwatersrand, in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Pharmacy / Cervical Intraepithelial Neoplasia (CIN) or Human Papilloma Virus (HPV) is known as the precancerous stages of cervical cancer and may be treated with antineoplastic agents Current treatment includes intravenous administration of Gemcitabine and 5-Fluorouracil however, these drugs have an undesirable side effect profile. This may be overcome by local administration of chemotherapeutic drugs to the site of the cancer. The purpose of this study was to design a drug delivery system that can be locally administered to the site of the cervical cancer and possess thermosonic properties. Designs of three Thermosonic Injectable Organogels (TIO’s) were undertaken using ring opening polymerization (open ring reaction) to formulate three different gels to test the response ability of the gels against thermal and ultrasound exposure. The times taken for these gels to form were recorded at below 15 minutes. All three TIO’s responded differently to thermal and ultrasound stimuli. Physical changes in the gels were noted and further studies were undertaken to confirm their responsiveness towards the dual-stimuli. All three TIO’s showed a dense microstructure containing pores catering for the incorporation of drugs or drug-loaded carriers. Rheological studies showed that there was an increase in viscosity of the gels under increasing heat even though the response differed between TIO formulations. The gels were non-cytotoxic at distinct concentrations ranging between 6.1mg/ml-7.8mg/ml. Solid Lipid Nanospheres (SLN’s) were then designed which encapsulated the mode antineoplastic drug 5-Fluorouracil. The SLN’s were spherical in shape and had an acceptable poly dispersion index (PDI) which was below 0.7 after ultrasonication and filtration of prepared samples. The SLN’s were then incorporated by direct additition and dispersion into the TIO formulations before undertaking the open ring reaction to form Thermosonic Injectable Nano-Organogels (TINO’s). The TINO’s were analysed for its swelling and erosive properties. Results showed that the TINO’s posesses both swelling and erosive properties. Furthermore, the TINO’s underwent dissolution studies that involved thermal and thermal with ultrasound stimuli to test the drug release rate and the stimuli responsiveness of the TINO. Results of the SLN’s showed a very slow release rate whether exposed to a single (thermal) or both thermal and ultrasound stimuli, indicating that the addition of ultrasound stimuli did not alter the drug release from the SLN’s. However, the incorporation of the SLN’s into the TIO’s prolonged the release rate. Hence increasing the SLN concentration in the TIO’s reduced the response towards ultrasound stimuli. Therefore lower ratios of SLN:TIO provided superior responsiveness compared to higher concentrations of SLN:TIO. TIO 1 and TINO 2 released drug with thermal stimuli and higher drug release occurred with exposure to both thermal and ultrasound stimuli. These TINO’s in conjunction with ultrasound responsiveness may be used as a potential platform for the delivery of antineoplastics in treating cervical cancer. / MT2017

Les nanomatériaux sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels, et plusieurs produits de consommation contenant des nanomatériaux sont d’ores et déjà commercialisés. Dans ce contexte d’exposition humaine croissante aux nanomatériaux, l’évaluation de leur potentiel génotoxique est d’une importance significative. Cependant, la pertinence des tests classiques de génotoxicité, développés pour des produits non nanoparticulaires, est fréquemment remise en question pour l’évaluation des nanomatériaux. Un témoin positif de référence sous forme nanoparticulaire pourrait donc constituer une avancée importante pour l’évaluation de la génotoxicité des nanomatériaux, permettant de s’assurer que les systèmes d’essais sont appropriés et/ou d’en valider de nouveaux.Dans un premier temps, nous avons étudié la possibilité d’utiliser des nanoparticules de carbure de tungstène – cobalt (WC-Co) commerciales, préalablement caractérisées sur le plan physico-chimique (distribution de taille et charge dans les milieux utilisés), comme témoin positif dans trois essais de génotoxicité in vitro. Le test de mutations géniques au locus thymidine kinase sur cellules de lymphome de souris, le test des micronoyaux étudiant les dommages chromosomiques et le test des comètes détectant les dommages primaires à l’ADN ont ainsi été réalisés, les deux derniers essais dans deux types cellulaires, la lignée de lymphome de souris L5178Y et des cultures primaires de lymphocytes humains. Nos résultats montrent que les nanoparticules de WC-Co pourraient être utilisées comme témoin positif dans ces essais de génotoxicité in vitro, selon le type cellulaire et le schéma de traitement.Nous avons ensuite étudié les mécanismes d’action impliqués dans la génotoxicité des nanoparticules de WC-Co. Le marquage des centromères dans les micronoyaux grâce à la technique d’hybridation in situ en fluorescence (FISH) montre l’implication d’évènements clastogènes et aneugènes. Ces résultats ont été confirmés par un essai d’aberrations chromosomiques sur lymphocytes humains bloqués en métaphase, avec l’observation de cassures de chromatides et de cellules polyploïdes. Par ailleurs, les mécanismes oxydants étant les plus décrits pour les nanomatériaux, nous avons étudié les lésions oxydatives à l’ADN en utilisant le test des comètes in vitro modifié avec l’enzyme de réparation de l’ADN formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). Nous avons également détecté par résonance paramagnétique électronique une production de radicaux hydroxyles après mise en suspension des nanoparticules de WC-Co en présence et en absence de cellules. Dans le cadre d’études haut-débit des nanoparticules de WC-Co réalisées dans trois lignées cellulaires humaines correspondant aux principaux organes cibles pour les nanomatériaux (la lignée pulmonaire A549, la lignée hépatique Hep3B et la lignée rénale Caki-1), il a été confirmé que le stress oxydant joue un rôle important dans la toxicité des nanoparticules de WC-Co. En effet, la production d’espèces réactives de l’oxygène dans les cellules traitées avec les nanoparticules de WC-Co était corrélée avec l’observation d’une cytotoxicité et de génotoxicité, étudiée à l’aide du test de détection des foyers γH2AX.Finalement, nous avons appliqué les tests de génotoxicité les plus pertinents à l’étude de nanodiamants et de nanocapsules lipidiques, qui constituent des candidats prometteurs pour la vectorisation de principes actifs. Les tests des comètes et des micronoyaux in vitro ont ainsi été réalisés sur d’autres types cellulaires mimant des organes cibles : la lignée intestinale T84 et la lignée bronchique 16-HBE exposées à des nanodiamants de trois tailles différentes et des lymphocytes humains exposés à des nanocapsules lipidiques de 3 tailles et 3 charges différentes. / Nanomaterials are used in many industrial sectors, and many nanomaterial-containing consumer products are already available. In this context of increasing human exposure to nanomaterials, the evaluation of their genotoxicity is of significant importance. However, the relevance of routinely used genotoxicity assays, developed for non-nanoparticular products, is often questioned for the evaluation of nanomaterials. A nanoparticulate reference positive control would therefore constitute an important step to a better testing of nanomaterials genotoxicity, ensuring that test systems are actually appropriate and/or allowing the validation of new ones.Firstly, we studied the possibility of using commercially-available tungsten carbide-cobalt (WC-Co) nanoparticles, previously characterized for physicochemical properties (size distribution and charge in used media), as positive control in three in vitro genotoxicity assays. The mouse lymphoma thymidine kinase gene mutation assay, the micronucleus assay studying chromosomal aberrations and the comet assay detecting primary DNA damage were performed. The last two assays were realized in two cell types, the mouse lymphoma cell line L5178Y and primary cultures of human lymphocytes. Our results show that WC-Co nanoparticles could be used as positive control in these in vitro genotoxicity assays, according to cell type and treatment schedule.Secondly, we investigated the mechanisms of action involved in WC-Co nanoparticles genotoxicity. Detection of centromeres in micronuclei using fluorescence in situ hybridization (FISH) show the involvement of both clastogenic and aneugenic activities. This was correlated with the results of a chromosome aberration assay on human lymphocytes blocked in metaphase, showing chromatid breaks and polyploid cells. Moreover, as oxidative mechanisms are the most described for nanomaterials, we studied oxidative DNA damage using the modified in vitro comet assay with the DNA repair enzyme formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). We also detected a production of hydroxyl radicals using electron paramagnetic resonance in suspensions of WC-Co nanoparticles with and without cells. While performing high-throughput assays on WC-Co nanoparticles in three human cell lines corresponding to the main target organs for nanomaterials (A549 lung cell line, Hep3B liver cell line and Caki-1 kidney cell line) it was confirmed that oxidative stress play a significant role in the toxicity of WC-Co nanoparticles. Indeed, the production of reactive oxygen species in cells exposed to WC-Co nanoparticles was correlated to the observation of cytotoxicity and genotoxicity, studied using the detection of γH2AX foci.Finally, we carried out the most relevant genotoxicity assays to study nanodiamonds and lipid nanocapsules, which constitute promising nanovectors for drug delivery. The in vitro comet and micronucleus assays were performed on other cell types mimicking target organs: the T84 intestinal epithelial cell line and the 16-HBE bronchial epithelial cell line exposed to nanodiamonds of three different sizes, and human lymphocytes exposed to lipid nanocapsules of three different sizes and three different charges.

La délivrance de médicament dans l’organisme vers des organes cibles tout en minimisant les effets secondaires représente un énorme défi scientifique. Les recherches actuelles révèlent qu’il existe de nombreuses embuches pour acheminer des composés thérapeutiques vers le système nerveux central. De nombreuses maladies (l’autisme, la schizophrénie, la maladie d’Alzheimer…) liées au système nerveux central nuisent à la qualité de vie et entrainent des coûts importants pour la société. Ce mémoire repose sur l’amélioration de l’accessibilité de composés thérapeutiques vers le cerveau en passant la barrière hémato-encéphalique, une barrière biologique difficilement franchissable. Pour introduire des médicaments dans le système nerveux central, il faut passer cette barrière, ce qui est très difficile, car elle est remarquablement efficace pour protéger le milieu cérébral. C’est pourquoi nous allons développer une nouvelle stratégie consistant à élaborer un nouveau type de transporteur. Nous proposons d’utiliser des macrolactames ayant la propriété de s’empiler sous forme de tubes supramoléculaires d’une stabilité adéquate. Il sera alors possible d’y greffer des médicaments et aussi des agents d’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Ce mémoire présente l’élaboration de ces nouveaux macrocycles chiraux, les résultats de différentes analyses structurales prouvant la présence de tubes et de systèmes robustes et enfin la fonctionnalisation du macrocycle par un agent médicamenteux (doxorubicine). / Abstract : Delivering drug into the body to target specific organs, while minimizing side effects, is an enormous scientific challenge. Current research reveals that there are many pitfalls for delivering therapeutic compounds to the central nervous system. Many diseases (autism, schizophrenia, Alzheimer's, etc.) linked to the central nervous system affect the quality of life and entail significant costs for society. This thesis is based on the improvement in the accessibility of therapeutic compounds to the brain by passing the blood-brain barrier, a biological barrier difficult to cross. To introduce drugs into the central nervous system, this barrier must be overcome. This is very difficult because it is remarkably effective in protecting the brain. This is why we will develop a new strategy based on a new type of transporter. We propose to use macrolactams having the property of stacking in the form of supramolecular tubes of adequate stability. It will then be possible to graft medicines and also agents capable of opening the blood-brain barrier. This manuscript describes the development of these new chiral macrocycles, the results of various structural analyses proving the presence of robust tubes and systems, and finally the functionalization of the macrocycles by a medicinal agent (doxorubicin).

L'objectif de cette thèse est le développement d'une langue électronique avec une méthode simplifiée d'obtention de récepteurs à réactivité croisée. Ces récepteurs sont préparés par une approche combinatoire novatrice qui consiste au mélange et à l'auto-assemblage de deux disaccharides. Le couplage de ces récepteurs avec un système de détection d'imagerie par résonance des plasmons de surface nous a permis de réaliser une langue électronique capable de différencier des échantillons de différentes complexités, y compris des protéines pures et des mélanges complexes. Cela se fait grâce aux profils et images d'évolution continue, assimilés à des « empreintes digitales » des échantillons. D'un autre côté, ce système peut être utilisé en tant qu'outil pour la conception de surfaces biomimétiques 2D et 3D. Ce système est prometteur pour l'étude des interactions sucre-protéine et pour la préparation de nanovecteurs biomimétiques qui ciblent de façon spécifique des protéines d'intérêt. / L'objectif de cette thèse est le développement d'une langue électronique avec une méthode simplifiée d'obtention de récepteurs à réactivité croisée. Ces récepteurs sont préparés par une approche combinatoire novatrice qui consiste au mélange et à l'auto-assemblage de deux disaccharides. Le couplage de ces récepteurs avec un système de détection d'imagerie par résonance des plasmons de surface nous a permis de réaliser une langue électronique capable de différencier des échantillons de différentes complexités, y compris des protéines pures et des mélanges complexes. Cela se fait grâce aux profils et images d'évolution continue, assimilés à des « empreintes digitales » des échantillons. D'un autre côté, ce système peut être utilisé en tant qu'outil pour la conception de surfaces biomimétiques 2D et 3D. Ce système est prometteur pour l'étude des interactions sucre-protéine et pour la préparation de nanovecteurs biomimétiques qui ciblent de façon spécifique des protéines d'intérêt.

Nous démontrons qu'il est possible de former des bicouches fluides non phospholipides en milieu aqueux avec un mélange d'acide palmitique (PA), cholestérol (Chol) et sulfate de cholestérol (Schol) avec une proportion molaire de 30/28/42. Ces liposomes non phospholipidiques peuvent maintenir un gradient de pH (pHinterne 8 / pHexterne 6) sur une période 100 fois plus longue que les liposomes faits de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) et de cholestérol (60/40 mol/mol). De plus, ces LUV non phospholipidiques protègent l'acide ascorbique d'un milieu oxydant (1 mM de fer (III)). Une fois piégé dans les liposomes, l'acide ascorbique présente une vitesse de dégradation similaire à celle obtenue en l'absence de fer(III). Ces performances illustrent la perméabilité exceptionnellement limitée de ces liposomes, ce qui implique qu'ils peuvent présenter des avantages comme nanocontenants pour certaines applications. D'autre part, des vésicules unilamellaires géantes (GUV pour Giant Unilamellar Vesicles) ont été formées à partir d'un mélange d'acide palmitique et de cholestérol (30/70 mol/mol). Ces GUV sont stables sur l'échelle de temps de semaines, elles ne s'agrègent pas et elles sont sensibles au pH. Afin d'établir la formation des GUV, l'imagerie par microscopie confocale à balayage laser a été utilisée. Deux sondes fluorescentes ont été utilisées: le rouge du Nile, une sonde hydrophobe qui s'insère dans le cœur hydrophobe des bicouches lipidiques, et la calcéine, une sonde hydrophile qui a été emprisonné dans le réservoir interne des GUV. Cette approche a permis l'observation des parois des GUV ainsi que de leur contenu. Ces résultats montrent la possibilité de former de nouveaux microcontenants à partir d'un mélange d'un amphiphile monoalkylé et de stérol. / First, we demonstrate that it is possible to form non-phospholipid fluid bilayers in aqueous milieu with a mixture of palmitic acid (PA), cholesterol (Chol), and cholesterol sulfate (Schol) in a molar proportion of 30/28/42. These non-phospholipid liposomes can sustain a pH gradient (pHinternal 8 / pHexternal 6) 100 times longer than LUVs made of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and cholesterol (60/40 mol/mol). These non-phospholipid LUVs are shown to protect ascorbic acid from an oxidizing environment (1 mM Iron (III)). Once entrapped in these liposomes, ascorbic acid displays a degradation rate similar to that obtained in the absence of Iron (III). This ability illustrates the exceptionally limited permeability of these liposomes, indicating that they can present advantages as nanocontainers for some applications. Second, Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) were formed from a mixture of palmitic acid and cholesterol (30/70 mol/mol). These GUVs were stable over weeks, did not aggregate, and were pH-sensitive. In order to establish their formation, confocal laser scanning microscopy imaging was carried out. Two fluorescent probes were used: Nile Red, a hydrophobic probe that inserted in the hydrophobic core of lipid bilayers, and calcein, a hydrophilic probe that was trapped in the GUV internal pool. This approach allowed observation of both the walls of the GUVs as well as their entrapped content. These results show the possibility to form novel microcontainers from a mixture of a monoalkylated amphiphile and sterols.

Nous démontrons qu'il est possible de former des bicouches fluides non phospholipides en milieu aqueux avec un mélange d'acide palmitique (PA), cholestérol (Chol) et sulfate de cholestérol (Schol) avec une proportion molaire de 30/28/42. Ces liposomes non phospholipidiques peuvent maintenir un gradient de pH (pHinterne 8 / pHexterne 6) sur une période 100 fois plus longue que les liposomes faits de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) et de cholestérol (60/40 mol/mol). De plus, ces LUV non phospholipidiques protègent l'acide ascorbique d'un milieu oxydant (1 mM de fer (III)). Une fois piégé dans les liposomes, l'acide ascorbique présente une vitesse de dégradation similaire à celle obtenue en l'absence de fer(III). Ces performances illustrent la perméabilité exceptionnellement limitée de ces liposomes, ce qui implique qu'ils peuvent présenter des avantages comme nanocontenants pour certaines applications. D'autre part, des vésicules unilamellaires géantes (GUV pour Giant Unilamellar Vesicles) ont été formées à partir d'un mélange d'acide palmitique et de cholestérol (30/70 mol/mol). Ces GUV sont stables sur l'échelle de temps de semaines, elles ne s'agrègent pas et elles sont sensibles au pH. Afin d'établir la formation des GUV, l'imagerie par microscopie confocale à balayage laser a été utilisée. Deux sondes fluorescentes ont été utilisées: le rouge du Nile, une sonde hydrophobe qui s'insère dans le cœur hydrophobe des bicouches lipidiques, et la calcéine, une sonde hydrophile qui a été emprisonné dans le réservoir interne des GUV. Cette approche a permis l'observation des parois des GUV ainsi que de leur contenu. Ces résultats montrent la possibilité de former de nouveaux microcontenants à partir d'un mélange d'un amphiphile monoalkylé et de stérol. / First, we demonstrate that it is possible to form non-phospholipid fluid bilayers in aqueous milieu with a mixture of palmitic acid (PA), cholesterol (Chol), and cholesterol sulfate (Schol) in a molar proportion of 30/28/42. These non-phospholipid liposomes can sustain a pH gradient (pHinternal 8 / pHexternal 6) 100 times longer than LUVs made of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and cholesterol (60/40 mol/mol). These non-phospholipid LUVs are shown to protect ascorbic acid from an oxidizing environment (1 mM Iron (III)). Once entrapped in these liposomes, ascorbic acid displays a degradation rate similar to that obtained in the absence of Iron (III). This ability illustrates the exceptionally limited permeability of these liposomes, indicating that they can present advantages as nanocontainers for some applications. Second, Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) were formed from a mixture of palmitic acid and cholesterol (30/70 mol/mol). These GUVs were stable over weeks, did not aggregate, and were pH-sensitive. In order to establish their formation, confocal laser scanning microscopy imaging was carried out. Two fluorescent probes were used: Nile Red, a hydrophobic probe that inserted in the hydrophobic core of lipid bilayers, and calcein, a hydrophilic probe that was trapped in the GUV internal pool. This approach allowed observation of both the walls of the GUVs as well as their entrapped content. These results show the possibility to form novel microcontainers from a mixture of a monoalkylated amphiphile and sterols.