L’objectif de ce travail de thèse est de développer de nouveaux agents tensioactifs, capables de s’auto-assembler sous forme de micelles permettant de solubiliser les principes actifs insolubles, en vue de leur administration par voie intraveineuse. Cette étude a permis la synthèse, la caractérisation physico-chimique ainsi que l’évaluation toxicologique in vitro et in vivo de nouveaux agents tensioactifs d’origine naturelle. Au cours de cette étude, différentes familles de tensioactifs ont été évaluées. Ces nouveaux agents tensioactifs sont composés d’une partie hydrophobe de type cholestérol, sels biliaires ou lipides, associée via une fonction amide à une partie hydrophile dérivée d’acides aminés tels que la lysine, la glutamine ou l’acide glutamique.Ces travaux expérimentaux ont permis d’étudier l’influence de la flexibilité de la partie hydrophobe sur la capacité de solubilisation des tensioactifs. Cette étude a montré que l’efficacité de solubilisation est reliée à la flexibilité de la partie hydrophobe. L’utilisation d’agents tensioactifs composés d’une chaîne lipidique saturée flexible a permis de solubiliser efficacement le principe actif insoluble avec un taux de charge de 46 % (m/m). Les tensioactifs composés de lipides saturés sont donc plus efficaces en termes de solubilisation que les dérivés de stéroïdes ou de lipides polyinsaturés, moins flexibles. Les études de toxicité ont mis en évidence la relation ente la structure chimique des tensioactifs et leur toxicité, en particulier vis-à-vis des membranes cellulaires. L’introduction de doubles liaisons en configuration cis dans la partie lipidique des tensioactifs permet de diminuer leur interaction avec les membranes cellulaires et donc leur toxicité mais diminue également leur capacité de solubilisation. Le développement de nouveaux agents tensioactifs nécessite donc de trouver un compromis entre la capacité de solubilisation et la toxicité des tensioactifs. / The aim of this thesis was to develop novel surfactants, able to self-assemble into micelles and to solubilize insoluble drugs intented for intravenous injection. Natural-based surfactants were synthesized and their physico-chemical properties were evaluated. In addition, their in vitro and in vivo toxicity were evaluated. Their drug solubilization abitity was also investigated. Three surfactant classes were evaluated. They were composed of a hydrophobic moiety, such as cholesterol, bile salts or lipids, bonded to a hydrophilic moiety, deriving from amino acids, such as lysine, glutamine or glutamic acid, via an amide bond.The influence of surfactant hydrophobic moiety flexibility on drug solubilization ability was evaluated. This study evidenced that solubilization efficiency is related to the surfactant hydrophobic moiety flexibility. The use of surfactants with flexible and saturated lipidic moieties increased drug water solubility with a drug loading of 46 % (w/w). Saturated lipid-based surfactants exhibited a better solubilization efficiency, in comparison with steroid-based surfactants or poly-unsaturated-based surfactants. Toxicity studies evidenced the relation between surfactant chemical structure and their toxicity, in particular with cell membranes. The introduction of double bond in cis configuration in surfactant lipidic moiety decreased their interaction with cell membranes and thus their toxicity. In addition, this chemical modification also decreased their solubilization ability. To develop novel surfactants, it is thus necessary to take into account drug solubilization ability and toxicity of surfactants.

Dans le domaine de la chimie pharmaceutique la cristallisation des principes actifs ou intermédiaires est une étape importante, c'est elle qui va contrôler les propriétés physico-chimiques du solide obtenu. La première étape de la cristallisation, la nucléation, peut être lente, difficile ou perturbée par l'apparition d'une autre phase, solide ou liquide, indésirable. L'obtention du premier cristal et la recherche de nouveaux polymorphes nécessitent de longues et onéreuses études. Avec pour objectif de rationaliser ces recherches de conditions de cristallisation nous proposons, dans le cadre de cette thèse, l'étude et le développement de nouvelles techniques de cristallisation sur de faibles volumes (du µL au mL) en présence d'un champ externe. Par champ externe, on entend en présence d'un champ électrique, d'un faisceau lumineux ou d'ultrasons. Il s'agira d'être capable de provoquer la nucléation de manière localisée dans le temps et l'espace au sein de solutions métastables, afin de pouvoir l'observer et de mieux comprendre le mécanisme d'apparition du premier cristal.

Ces recherches ont pour objet d'améliorer la compréhension des phénomès de densification de poudres pharmaceutiques. Différents modèles ont été développés pour permettre d'expliquer les variations de propriétés des compacts (porosité, surface spécifique et résistance à la rupture) en fonction de paramètres opératoires (pression atteinte, durée de maintien sous pression). Les études menées sur le comportement des produits purs sont étendues à des mélanges binaires pour lesquels des lois de mélange originales sont décrites. Les modèles ont été validés sur différents excipients (lactose, saccharose, polyvinylpyrrolidone) et sur des principes actifs à base de kétoprofène. L'influence des paramètres morphologiques (taille des grains) et structuraux sur les propriétés precitées ont été mises en evidence.

La voie orale est le mode d’administration le plus utilisé pour les médicaments. Ce mode d’administration présente de nombreux avantages tels que la facilité d’administration et une grande observance par les patients. Une des principales limitations de l’utilisation de la voie orale pour l’administration de molécules actives est que ces molécules doivent traverser les membranes biologiques pour rejoindre la circulation sanguine systémique et atteindre leur site d’action. C’est cette étape de passage transmembranaire qui détermine la biodisponibilité de la molécule active (ou principe actif, PA). De nombreuses molécules présentent une activité thérapeutique intéressante mais leur développement galénique n’est pas envisageable du fait de leur biodisponibilité trop faible. Dans cette thèse, le principe de la rétention magnétique a été étudié. Nous avons cherché à prouver que le fait de retenir, à l’aide d’un aimant, une formulation magnétique contenant un principe actif, peu perméable, à proximité de son site de passage dans la circulation sanguine, permettrait d’en augmenter l’absorption à travers la membrane biologique et ainsi d’en améliorer la biodisponibilité. Des formes magnétiques contenant des nanoparticules magnétiques d’oxyde de fer ont été mises au point à l’échelle du laboratoire puis transférées à l’échelle industrielle en process galénique. L’efficacité de la rétention magnétique a été testée ex vivo et in vivo sur modèle animal. Ces études pharmacocinétiques couplées à des techniques d’imagerie ont permis de montrer que la biodisponibilité du principe actif pouvait être multipliée par trois grâce à la rétention magnétique. L’accumulation de vecteurs magnétiques à l’endroit désiré du tractus gastro-intestinal provoque une surconcentration du principe actif menant à une augmentation de son passage transmembranaire et ainsi à l’augmentation de la dose absorbée dans la circulation systémique. / Oral administration still remains the route of choice for the majority of pharmaceutical dosage forms due to higher patient comfort and reduced cost of treatment. One of the major drawbacks of using the oral route to deliver drugs is that these molecules need to cross biological membranes in order to pass to the bloodstream and reach their physiological target. A large number of drugs with high clinical potential have not yet been employed because of their limited bloodstream access. Therefore, there is a real need to develop new methodologies addressing the problem of low permeable drugs used in oral administration. In this work we studied retention using an external magnetic field as a mean to maintain magnetic carriers near the absorption site of the drug. It was proven that an effective retention can cause over-concentration of the drug near the intestinal membrane thus increasing its bioavailability. For this purpose, we designed magnetic carriers, first, at the lab scale, and then using industrial processes. Magnetic retention efficiency was subsequently studied using ex vivo and in vivo experiments. Pharmacokinetics studies coupled with imaging techniques showed that magnetic retention provided a threefold increase in drug bioavailability. Finally, it was shown that retention of magnetic carriers near the absorption window of the drug can lead to overconcentration of the drug and increased transport through intestinal membrane resulting in a higher absorbed fraction reaching the bloodstream.

Thèse de doctorat : Bioingénierie. Ingénierie Cellulaire et Tissulaire : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

L'objectif de ce travail de thèse est de développer de nouveaux agents tensioactifs, capables de s'auto-assembler sous forme de micelles permettant de solubiliser les principes actifs insolubles, en vue de leur administration par voie intraveineuse. Cette étude a permis la synthèse, la caractérisation physico-chimique ainsi que l'évaluation toxicologique in vitro et in vivo de nouveaux agents tensioactifs d'origine naturelle. Au cours de cette étude, différentes familles de tensioactifs ont été évaluées. Ces nouveaux agents tensioactifs sont composés d'une partie hydrophobe de type cholestérol, sels biliaires ou lipides, associée via une fonction amide à une partie hydrophile dérivée d'acides aminés tels que la lysine, la glutamine ou l'acide glutamique.Ces travaux expérimentaux ont permis d'étudier l'influence de la flexibilité de la partie hydrophobe sur la capacité de solubilisation des tensioactifs. Cette étude a montré que l'efficacité de solubilisation est reliée à la flexibilité de la partie hydrophobe. L'utilisation d'agents tensioactifs composés d'une chaîne lipidique saturée flexible a permis de solubiliser efficacement le principe actif insoluble avec un taux de charge de 46 % (m/m). Les tensioactifs composés de lipides saturés sont donc plus efficaces en termes de solubilisation que les dérivés de stéroïdes ou de lipides polyinsaturés, moins flexibles. Les études de toxicité ont mis en évidence la relation ente la structure chimique des tensioactifs et leur toxicité, en particulier vis-à-vis des membranes cellulaires. L'introduction de doubles liaisons en configuration cis dans la partie lipidique des tensioactifs permet de diminuer leur interaction avec les membranes cellulaires et donc leur toxicité mais diminue également leur capacité de solubilisation. Le développement de nouveaux agents tensioactifs nécessite donc de trouver un compromis entre la capacité de solubilisation et la toxicité des tensioactifs.

Le but de cette thèse est le développement d'un outil microfluidique d'étude de la cristallisation (et plus particulièrement de la nucléation) adaptée aux contraintes de l'industrie, c'est-à-dire permettant de réaliser un grand nombre d'expériences de cristallisation tout en utilisant le moins de produits possible et en restant simple à mettre en place expérimentalement. Seule la microfluidique permet, en utilisant des volumes de l'ordre du nL, de répondre simultanément à ces deux contraintes. Les systèmes microfluidiques permettent en effet de générer des gouttes de quelques nanolitres qui sont autant de microcristallisoires permettant l'étude de la nucléation Ce travail présente la mise au point de systèmes microfluidiques et des méthodes analytiques associées dédiés à l'étude de la nucléation de principes actifs pharmaceutiques. Un système microfluidique existant a été adapté afin de répondre dans un premier temps aux problèmes posés par la cristallisation de protéines dans l'eau. Ce système a permis de mesurer la limite de zone métastable ainsi que la fréquence de nucléation d'une protéine modèle, le lysozyme, également utilisée comme principe actif. Puis ce système a été à nouveau adapté afin de permettre l'étude de la nucléation dans des solvants organiques variés et donc l'étude d'un grand nombre de principes actifs pharmaceutiques. À l'occasion de cette nouvelle adaptation, des méthodes plus polyvalentes d'études de la nucléation ont dû être mises au point afin de résoudre les nouveaux problèmes soulevés. La grande polyvalence du système microfluidique et des méthodes d'études de la nucléation ainsi mis au point permet d'envisager de ne pas limiter son champ d'application à la seule industrie pharmaceutique, mais de l'étendre à tous les domaines où l'utilisation de faibles volumes de solution permettrait de réduire les coûts (protéines) et/ou les risques (explosifs, matériaux radioactifs).

L’objectif principal de ce travail de thèse est de développer une nouvelle formulation formant un dépôt in situ après administration parentérale pour la libération prolongée de principes actifs. Les systèmes à base de chitosane (CS) formant des hydrogels sous l’action de la chaleur corporelle ont été choisis parmi les différentes catégories de formulations injectables se solidifiant in situ pour la biocompatibilité et la biodégradabilité reconnue de ce polymère. Après une revue des différents systèmes thermo-gélifiants à base de CS et de leurs utilisations, nous nous sommes intéressés en détail aux mécanismes sur lesquels reposaient la formation des hydrogels de CS / agent gélifiant. Une étude rhéologique approfondie combinée à de la 31P-RMN a permis de mettre en évidence le rôle clé de la partie polyol de l’agent gélifiant dans cemécanisme. La troisième partie a été consacrée au développement d’un nouveau système associant le CS au glucose-1-phosphate (G1-P). Une étude des propriétés physico-chimiques et de la stabilité de ce système a mis en évidence sa gélification dans les conditions physiologiques et l’amélioration significative de sa stabilité à long terme par rapport au système standard CS / glycérophosphate. Des essais de tolérance locale souscutanée réalisés sur un modèle murin ont montré que le système est raisonnablement bien toléré. Enfin, la dernière partie, consacrée à l’étude de la libération in vitro de différents composés modèles, a démontré l’aptitude du réseau polymère de CS / G1-P à prolonger la libération des substances incorporées. / The aim of this work was to develop a new parenteral in situ forming depot (ISFD) system for the controlled delivery of drugs. Chitosan (CS)-based systems that undergo sol / gel transition upon heating at physiological temperature were selected among the different categories of ISFDs due to their well-known biocompatibility and biodegradability. After an overall review of the recent progresses on standard CS-based ISFD systems, the synergistic mechanisms underlying the temperature-induced gelation of the CS / gelling agent systems were investigated through comprehensive rheological studies completed by 31P-NMR measurements. These investigations emphasized the key role of the polyol part of the gelling agent. The next step consisted in developing a new system combining CS and glucose-1-phosphate (G1-P). The physico-chemical characteristics and storage stability of this system were investigated. The results highlighted a sol / gel transition under physiological conditions and improved storage stability compared to the standard CS / glycerophosphate system. Local tolerability studies of the hydrogels in rats showed that the system was reasonably well tolerated. Finally, the last chapter, dedicated to the study of the in vitro release behavior of several model compounds, emphasized the ability of the polymeric CS / G1-P network to sustain the release of the incorporated substances.

La qualité des produits commercialisés représente un enjeu essentiel dans le domaine pharmaceutique. De plus en plus, les industriels cherchent à contrôler les différentes étapes de leurs procédés, les produits générés à toutes les étapes de fabrication ainsi que leurs produits finis, le but de tout cela étant une meilleure compréhension des procédés, ainsi qu’un gain de temps et une réduction des pertes financières. La chaire de recherche sur les Technologies d’Analyse de Procédés (PAT) en partenariat avec Pfizer travaille sur le développement de connaissances sur les phénomènes physico-chimiques régissant le comportement des procédés, et sur les critères de transferts technologiques basés sur des modèles phénoménologiques ou mathématiques. C’est dans le cadre de cette chaire que s’est déroulée cette maîtrise. Les travaux présentés mettent en lumière le développement d’une méthode permettant d’analyser de manière non destructive 100% des comprimés fabriqués, à vitesse réelle de production. À l’aide de la spectroscopie Proche-Infrarouge, l’objectif est de quantifier la teneur en principe actif dans chaque produit et dans le but d’identifier tous ceux étant sur ou sous-dosés. Également, l’adaptation de cette méthode à d’autres types d’analyses qui ont un intérêt dans l’industrie, comme la quantification d’humidité des comprimés, et l’enrobage, a été étudiée. Dans chaque cas, des spectres proche-infrarouge de produits fabriqués ont été acquis à l’aide d’une sonde installée sur un système de tri fonctionnant à une vitesse supérieure à celle d’une presse (c’est à dire généralement de 60,000 à 160,000 comprimés par heure). Les données ont été utilisées pour bâtir des modèles multivariés et prédire les valeurs souhaitées. Les résultats obtenus ont montré qu’il était possible d’analyser l’intégralité des échantillons d’un lot, à une vitesse garantissant de ne pas ralentir la production. L’utilisation d’une telle méthode dans l’industrie permettra de contrôler la globalité des produits finis, et donc permettre une qualité de 100% des produits commercialisés et éviter les rappels. Elle permettra également d’être utilisée en développement, lorsque la génération de beaucoup de données est nécessaire, comme pour le développement d’un algorithme par exemple.

Les travaux de cette thèse portent sur le développement d'une méthodologie permettant le passage au continu d'une production de cristaux d'un principe actif pharmaceutique : l'acétyl-L- leucine. Le travail est centré sur l'étape de précipitation et ses interactions avec les procédés en aval de filtration / lavage et séchage. La démarche adoptée fut donc d'abord d'acquérir un ensemble de données analytiques et thermodynamiques sur les produits, sous-produits et cristaux. L'impact de plusieurs paramètres opératoires sur la solubilité du produit fut ainsi mis en évidence. D'autre part, on a montré que l'acétyl-DL- eucine cristallise sous la forme d'un conglomérat. Des études ont ensuite été réalisées sur les procédés en discontinu, notamment sur les étapes de précipitation et de lavages, afin d'identifier les paramètres permettant de contrôler au mieux la qualité finale des cristaux. Enfin, à partir de ces résultats, des essais de précipitation en continu ont pu être réalisés à l'échelle du laboratoire, puis à l'échelle industrielle sur l'ensemble de la chaîne de production du principe actif. / This study deals with the development of a methodology allowing to transform a batch precipitation process in a continuous one. The active substance considered is acetyl-L-leucine. The work is focused on the precipitation step but also considers the interactions with the downstream processes of filtration, washing and drying. In a first part, characterization methods of pure and impure solutions of active substance were developed as well as methods for determining the crystals properties (purity, size, size distribution, shape, ...). Then the solubility of the product was investigated and the influence of parameters such as temperature, pH, impurity concentration, was studied. The crystallization mode of the racemic mixtures was also determined . Finally, batch crystallization was carried out at the laboratory scale in order to determine nucleation kinetics and to understand the main operating parameters influencing the quality of the crystals. For the applied range of concentrations, the induction time was found very small and indicates that the control of the nucleation step is difficult and depends on the mixing of the reactants. The whole continuous process was finally designed and tested, from the initial reactive to the final dry ZPI powder, in industrial site to validate the feasibility of the continuous process