Thesis (Ph. D.)--Case Western Reserve University, 2005. / [School of Medicine] Department of Pharmacology. Includes bibliographical references. Available online via OhioLINK's ETD Center.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Plusieurs agents anticancéreux très puissants sont caractérisés par une solubilité aqueuse limitée et une toxicité systémique importante. Cette dernière serait liée d’une part à la solubilisation des agents anticancéreux à l’aide de surfactifs de bas poids moléculaire, connus pour leur toxicité intrinsèque, et d’autre part, par le manque de spécificité tissulaire des anticancéreux. Les vecteurs colloïdaux à base de polymères permettraient de résoudre certains défis liés à la formulation d’agents anticancéreux hydrophobes. D’abord, les polymères peuvent être sélectionnés afin de répondre à des critères précis de compatibilité, de dégradation et d’affinité pour le médicament à formuler. Ensuite, le fait d’encapsuler l’agent anticancéreux dans un vecteur peut améliorer son efficacité thérapeutique en favorisant son accumulation au niveau du tissu cible, i.e. la tumeur, et ainsi limiter sa distribution au niveau des tissus sains. Des travaux antérieurs menés au sein de notre laboratoire ont mené à la mise au point de micelles à base de poly(N-vinyl-pyrrolidone)-bloc-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) capables de solubiliser des agents anticancéreux faiblement hydrosolubles dont le PTX. Ce dernier est commercialisé sous le nom de Taxol® et formulé à l’aide du Crémophor EL (CrEL), un surfactif de bas poids moléculaire pouvant provoquer, entre autres, des réactions d’hypersensibilité sévères. Bien que les micelles de PVP-b-PDLLA chargées de PTX aient démontré une meilleure tolérance comparée au Taxol®, leur potentiel de ciblage tumoral et leur efficacité thérapeutique étaient similaires à la forme commerciale à doses égales. Ceci était possiblement dû au fait que les micelles étaient rapidement déstabilisées et ne pouvaient retenir leur cargo suite à leur administration intraveineuse. Nous avons donc décidé de poursuivre les travaux avec un autre type de vecteur, soit des nanoparticules, qui possèdent une stabilité intrinsèque supérieure aux micelles. L’objectif principal de cette thèse de doctorat était donc de mettre au point des nanoparticules polymères pour l’administration parentérale d’agents anticancéreux faiblement solubles dans l’eau. Les nanoparticules devaient permettre d’encapsuler des agents anticancéreux hydrophobes et de les libérer de manière contrôlée sur plusieurs jours. De plus, elles devaient démontrer un temps de circulation plasmatique prolongée afin de favoriser l’accumulation passive du médicament encapsulé au niveau de la tumeur. La première partie du travail visait à employer pour la première fois le copolymère amphiphile PVP-b-PDLLA comme émulsifiant dans la préparation de nanoparticules polymères. Ainsi, une méthode de fabrication des nanoparticules par émulsion huile-dans-eau a été appliquée afin de produire des nanoparticules à base de PDLLA de taille inférieure à 250 nm. Grâce aux propriétés lyoprotectrices de la couronne de PVP présente à la surface des nanoparticules, celles-ci pouvaient retrouver leur distribution de taille initiale après lyophilisation et redispersion en milieu aqueux. Deux anticancéreux hydrophobes, soit le PTX et l’étoposide (ETO), ont été encapsulés dans les nanoparticules et libérés de ces dernières de façon contrôlée sur plusieurs jours in vitro. Une procédure de « salting-out » a été appliquée afin d’améliorer le taux d’incorporation de l’ETO initialement faible étant donnée sa solubilité aqueuse légèrement supérieure à celle du PTX. Le second volet des travaux visait à comparer le PVP comme polymère de surface des nanoparticules au PEG, le polymère le plus fréquemment employé à cette fin en vectorisation. Par le biais d’études d’adsorption de protéines, de capture par les macrophages et de biodistribution chez le rat, nous avons établi une corrélation in vitro/in vivo démontrant que le PVP n’était pas un agent de surface aussi efficace que le PEG. Ainsi, malgré la présence du PVP à la surface des nanoparticules de PDLLA, ces dernières étaient rapidement éliminées de la circulation sanguine suite à leur capture par le système des phagocytes mononucléés. Par conséquent, dans le troisième volet de cette thèse, le PEG a été retenu comme agent de surface, tandis que différents polymères biodégradables de la famille des polyesters, certains synthétiques (PDLLA et copolymères d’acide lactique/acide glycolique), d’autres de source naturelle (poly(hydroxyalkanoates)(PHAs)), ont été investiguées comme matériaux formant le cœur des nanoparticules. Il en est ressorti que les propriétés physicochimiques des polyesters avaient un impact majeur sur l’efficacité d’encapsulation du PTX et son profil de libération des nanoparticules in vitro. Contrairement aux PHAs, les polymères synthétiques ont démontré des taux d’incorporation élevés ainsi qu’une libération contrôlée de leur cargo. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution ont démontré que les nanoparticules de PDLLA dotées d’une couronne de PEG conféraient un temps de circulation plasmatique prolongé au PTX et favorisaient son accumulation tumorale. Les nanoparticules polymères représentent donc une alternative intéressante au Taxol®. / Many highly potent anticancer drugs are characterized by poor aqueous solubility and can impart significant systemic toxicity. This toxicity can be attributed in part to the solubilisation of these anticancer agents with low molecular weight surfactants that are known to cause serious biological side effects on their own. Moreover, following their intravenous (IV) injection, the anticancer agents distribute throughout the body, causing deleterious effects in healthy organs and tissues. Colloidal polymeric drug carriers have been investigated as a means to circumvent these drawbacks. First, polymeric materials can be tailored to meet specific requirements in terms of biocompatibility, biodegradability and affinity for the cargo molecule. Second, associating a drug to a carrier system can drastically alter its distribution throughout the body, enhancing its deposition at the target site, e.g. the tumour, while sparing healthy tissues, thus minimizing systemic toxicity. Previous work in our group has led to the design of block copolymer micelles based on poly(N-vinyl-pyrrolidone)-block-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) that were shown to solubilise hydrophobic anticancer agents such as paclitaxel (PTX). PTX is commercially available as Taxol®, a Cremophor EL (CrEL)-based formulation. CrEL is a low molecular weight surfactant that has been linked to severe side effects including life-threatening hypersensitivity reactions. Although PTX-loaded PVP-b-PDLLA micelles have demonstrated much improved tolerability compared to Taxol®, they did not increase PTX tumoral concentrations and exhibited anticancer efficacy similar to Taxol® at equivalent dosage. This was attributed to rapid destabilisation of the micelles and release of their cargo following IV administration. We chose to pursue our work with a colloidal drug carrier that exhibits greater stability compared to block copolymer micelles, i.e. polymeric nanoparticles. The main objective of this project was to develop polymeric nanoparticles for the parenteral delivery of hydrophobic anticancer drugs. The nanoparticles had to meet certain requirements such as be able to encapsulate hydrophobic anticancer drugs and release them in a controlled fashion over several days. Furthermore, the nanoparticles should confer prolonged plasma residence times to the encapsulated drug and favour its passive accumulation at its intended site of action, i.e. the tumour. The first part of this work focussed on applying PVP-b-PDLLA for the first time as polymeric emulsifier for the preparation of PDLLA nanoparticles with appropriate mean diameters (250 nm) using an oil-in-water emulsion method. Two hydrophobic anticancer drugs, PTX and etoposide (ETO), were successfully incorporated into the nanoparticles. A salting-out method was applied to enhance the loading efficiency of ETO, which was initially low given its slightly higher aqueous solubility compared to PTX. Both drugs were released in a controlled fashion from the PDLLA nanoparticles in vitro. Because of the lyoprotective effect of PVP, the polymer corona allowed for the particles to be easily redispersed in aqueous media following lyophilisation. The second part of the thesis aimed at evaluating whether the PVP coating could confer “stealth” properties to the PDLLA nanoparticles. Our study provided direct comparison between PVP and PEG, the most widely employed surface agent in drug delivery. In vitro protein adsorption and phagocytosis studies corroborated the in vivo findings, which showed that PVP-coated nanoparticles were rapidly cleared from circulation following their uptake by the mononuclear phagocyte system. Hence, our results indicated that PVP as coating materiel is not as efficient as PEG in conferring “stealth” properties to polymeric nanoparticles. Consequently, in the last section of this thesis, PEG was selected as coating agent while various biodegradable polymers were investigated as core-forming materials. Both synthetic (PDLLA and lactide/glycolide copolymers) and natural (polyhydroxyalkanoates (PHAs)) polyesters were tested. Our results demonstrated that the physicochemical properties of the polyesters significantly influenced the loading efficiency and release kinetics of PTX. While nanoparticles based on synthetic polyesters exhibited high encapsulation levels and controlled PTX release in vitro, PHA-based nanoparticles exhibited immediate unloading of their cargo. Pharmacokinetic and biodistribution studies in rodents revealed that encapsulating PTX in PEG-coated PDLLA-based nanoparticles led to enhanced plasma residence time and tumour deposition of the drug compared to Taxol®. Polymeric nanoparticles thus represent an appealing alternative to Taxol®.

Plusieurs agents anticancéreux très puissants sont caractérisés par une solubilité aqueuse limitée et une toxicité systémique importante. Cette dernière serait liée d’une part à la solubilisation des agents anticancéreux à l’aide de surfactifs de bas poids moléculaire, connus pour leur toxicité intrinsèque, et d’autre part, par le manque de spécificité tissulaire des anticancéreux. Les vecteurs colloïdaux à base de polymères permettraient de résoudre certains défis liés à la formulation d’agents anticancéreux hydrophobes. D’abord, les polymères peuvent être sélectionnés afin de répondre à des critères précis de compatibilité, de dégradation et d’affinité pour le médicament à formuler. Ensuite, le fait d’encapsuler l’agent anticancéreux dans un vecteur peut améliorer son efficacité thérapeutique en favorisant son accumulation au niveau du tissu cible, i.e. la tumeur, et ainsi limiter sa distribution au niveau des tissus sains. Des travaux antérieurs menés au sein de notre laboratoire ont mené à la mise au point de micelles à base de poly(N-vinyl-pyrrolidone)-bloc-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) capables de solubiliser des agents anticancéreux faiblement hydrosolubles dont le PTX. Ce dernier est commercialisé sous le nom de Taxol® et formulé à l’aide du Crémophor EL (CrEL), un surfactif de bas poids moléculaire pouvant provoquer, entre autres, des réactions d’hypersensibilité sévères. Bien que les micelles de PVP-b-PDLLA chargées de PTX aient démontré une meilleure tolérance comparée au Taxol®, leur potentiel de ciblage tumoral et leur efficacité thérapeutique étaient similaires à la forme commerciale à doses égales. Ceci était possiblement dû au fait que les micelles étaient rapidement déstabilisées et ne pouvaient retenir leur cargo suite à leur administration intraveineuse. Nous avons donc décidé de poursuivre les travaux avec un autre type de vecteur, soit des nanoparticules, qui possèdent une stabilité intrinsèque supérieure aux micelles. L’objectif principal de cette thèse de doctorat était donc de mettre au point des nanoparticules polymères pour l’administration parentérale d’agents anticancéreux faiblement solubles dans l’eau. Les nanoparticules devaient permettre d’encapsuler des agents anticancéreux hydrophobes et de les libérer de manière contrôlée sur plusieurs jours. De plus, elles devaient démontrer un temps de circulation plasmatique prolongée afin de favoriser l’accumulation passive du médicament encapsulé au niveau de la tumeur. La première partie du travail visait à employer pour la première fois le copolymère amphiphile PVP-b-PDLLA comme émulsifiant dans la préparation de nanoparticules polymères. Ainsi, une méthode de fabrication des nanoparticules par émulsion huile-dans-eau a été appliquée afin de produire des nanoparticules à base de PDLLA de taille inférieure à 250 nm. Grâce aux propriétés lyoprotectrices de la couronne de PVP présente à la surface des nanoparticules, celles-ci pouvaient retrouver leur distribution de taille initiale après lyophilisation et redispersion en milieu aqueux. Deux anticancéreux hydrophobes, soit le PTX et l’étoposide (ETO), ont été encapsulés dans les nanoparticules et libérés de ces dernières de façon contrôlée sur plusieurs jours in vitro. Une procédure de « salting-out » a été appliquée afin d’améliorer le taux d’incorporation de l’ETO initialement faible étant donnée sa solubilité aqueuse légèrement supérieure à celle du PTX. Le second volet des travaux visait à comparer le PVP comme polymère de surface des nanoparticules au PEG, le polymère le plus fréquemment employé à cette fin en vectorisation. Par le biais d’études d’adsorption de protéines, de capture par les macrophages et de biodistribution chez le rat, nous avons établi une corrélation in vitro/in vivo démontrant que le PVP n’était pas un agent de surface aussi efficace que le PEG. Ainsi, malgré la présence du PVP à la surface des nanoparticules de PDLLA, ces dernières étaient rapidement éliminées de la circulation sanguine suite à leur capture par le système des phagocytes mononucléés. Par conséquent, dans le troisième volet de cette thèse, le PEG a été retenu comme agent de surface, tandis que différents polymères biodégradables de la famille des polyesters, certains synthétiques (PDLLA et copolymères d’acide lactique/acide glycolique), d’autres de source naturelle (poly(hydroxyalkanoates)(PHAs)), ont été investiguées comme matériaux formant le cœur des nanoparticules. Il en est ressorti que les propriétés physicochimiques des polyesters avaient un impact majeur sur l’efficacité d’encapsulation du PTX et son profil de libération des nanoparticules in vitro. Contrairement aux PHAs, les polymères synthétiques ont démontré des taux d’incorporation élevés ainsi qu’une libération contrôlée de leur cargo. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution ont démontré que les nanoparticules de PDLLA dotées d’une couronne de PEG conféraient un temps de circulation plasmatique prolongé au PTX et favorisaient son accumulation tumorale. Les nanoparticules polymères représentent donc une alternative intéressante au Taxol®. / Many highly potent anticancer drugs are characterized by poor aqueous solubility and can impart significant systemic toxicity. This toxicity can be attributed in part to the solubilisation of these anticancer agents with low molecular weight surfactants that are known to cause serious biological side effects on their own. Moreover, following their intravenous (IV) injection, the anticancer agents distribute throughout the body, causing deleterious effects in healthy organs and tissues. Colloidal polymeric drug carriers have been investigated as a means to circumvent these drawbacks. First, polymeric materials can be tailored to meet specific requirements in terms of biocompatibility, biodegradability and affinity for the cargo molecule. Second, associating a drug to a carrier system can drastically alter its distribution throughout the body, enhancing its deposition at the target site, e.g. the tumour, while sparing healthy tissues, thus minimizing systemic toxicity. Previous work in our group has led to the design of block copolymer micelles based on poly(N-vinyl-pyrrolidone)-block-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) that were shown to solubilise hydrophobic anticancer agents such as paclitaxel (PTX). PTX is commercially available as Taxol®, a Cremophor EL (CrEL)-based formulation. CrEL is a low molecular weight surfactant that has been linked to severe side effects including life-threatening hypersensitivity reactions. Although PTX-loaded PVP-b-PDLLA micelles have demonstrated much improved tolerability compared to Taxol®, they did not increase PTX tumoral concentrations and exhibited anticancer efficacy similar to Taxol® at equivalent dosage. This was attributed to rapid destabilisation of the micelles and release of their cargo following IV administration. We chose to pursue our work with a colloidal drug carrier that exhibits greater stability compared to block copolymer micelles, i.e. polymeric nanoparticles. The main objective of this project was to develop polymeric nanoparticles for the parenteral delivery of hydrophobic anticancer drugs. The nanoparticles had to meet certain requirements such as be able to encapsulate hydrophobic anticancer drugs and release them in a controlled fashion over several days. Furthermore, the nanoparticles should confer prolonged plasma residence times to the encapsulated drug and favour its passive accumulation at its intended site of action, i.e. the tumour. The first part of this work focussed on applying PVP-b-PDLLA for the first time as polymeric emulsifier for the preparation of PDLLA nanoparticles with appropriate mean diameters (250 nm) using an oil-in-water emulsion method. Two hydrophobic anticancer drugs, PTX and etoposide (ETO), were successfully incorporated into the nanoparticles. A salting-out method was applied to enhance the loading efficiency of ETO, which was initially low given its slightly higher aqueous solubility compared to PTX. Both drugs were released in a controlled fashion from the PDLLA nanoparticles in vitro. Because of the lyoprotective effect of PVP, the polymer corona allowed for the particles to be easily redispersed in aqueous media following lyophilisation. The second part of the thesis aimed at evaluating whether the PVP coating could confer “stealth” properties to the PDLLA nanoparticles. Our study provided direct comparison between PVP and PEG, the most widely employed surface agent in drug delivery. In vitro protein adsorption and phagocytosis studies corroborated the in vivo findings, which showed that PVP-coated nanoparticles were rapidly cleared from circulation following their uptake by the mononuclear phagocyte system. Hence, our results indicated that PVP as coating materiel is not as efficient as PEG in conferring “stealth” properties to polymeric nanoparticles. Consequently, in the last section of this thesis, PEG was selected as coating agent while various biodegradable polymers were investigated as core-forming materials. Both synthetic (PDLLA and lactide/glycolide copolymers) and natural (polyhydroxyalkanoates (PHAs)) polyesters were tested. Our results demonstrated that the physicochemical properties of the polyesters significantly influenced the loading efficiency and release kinetics of PTX. While nanoparticles based on synthetic polyesters exhibited high encapsulation levels and controlled PTX release in vitro, PHA-based nanoparticles exhibited immediate unloading of their cargo. Pharmacokinetic and biodistribution studies in rodents revealed that encapsulating PTX in PEG-coated PDLLA-based nanoparticles led to enhanced plasma residence time and tumour deposition of the drug compared to Taxol®. Polymeric nanoparticles thus represent an appealing alternative to Taxol®.

Block copolymer (BCP) thin film patterns, generated using directed self-assembly (DSA) of diblock copolymers, have shown excellent promise as templates for semiconductor device manufacturing since they have the potential to produce feature pitches and sizes well below 20 nm and 10 nm, respectively, using current 193 nm optical lithography. The goal of this work is to explore block copolymers with sufficient thermodynamics driving force (as described by the Flory Huggins interaction parameter, χ) for phase separation at these smallest lengths scales. Here, poly(styrene)-b-poly(hydroxystyrene) is investigated since the PHOST domain is known to form extensive hydrogen bond networks resulting in increased χ due to this strong enthalpic interaction. In this work, nitroxide mediated polymerization (NMP) techniques were utilized to produce PS-b-PHOST diblock copolymers with a range of molecular weights (5000-30000) with low PDI approaching 1.2. The phase separation of low molecular weight PS-b-PHOST on neutral underlayer substrates via solvent annealing provided thin film vertical lamellae with 13 nm pitch. These results illustrate the improved resolution of PS-b-PHOST compared with the current industry standard of PS-b-PMMA (with 20 nm pitch). The directed self assembly of lamellar PS-b-PHOST patterns with 18 nm pitch via graphoepitaxy is demonstrated. Also, a highly selective atomic layer deposition (ALD) and etch technique was investigated which provided selective block removal of (PS-b-PHOST) block copolymer patterns which initially exhibited no inherent etch contrast. In this process, the PS domain is removed leaving a high fidelity etch relief pattern of the original block copolymer template. Finally, an alternative system is presented, namely Poly(trimethylsilylstyrene)-block-poly(hydroxystyrene) (PTMSS-b-PHOST), which utilizes silicon containing functionality in one of the blocks, providing high etch contrast. PTMSS-b-PHOST patterns were also exposed to oxygen plasma allowing selective block removal of the PS domain without the need for additional ALD processing steps.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε o ρυθμός ροής υδατικών διαλυμάτων, σε διάφορα pH περιβάλλοντος, διαμέσου ενός νανοπορώδους υλικού τροποποιημένου με πολυμερικές ψήκτρες. Ειδικότερα, ερευνήθηκε το σύστημα του σύνθετου υλικού πορώδους ανοδικής αλουμίνας με πολυμερικές ψήκτρες του γραμμικού δισυσταδικού συμπολυμερούς πολύ(Ισοπρένιου)–b–πολυ(Ακρυλικού Οξέους) (ΙΑΟ). Η προσρόφηση καθώς και η κινητική προσρόφησης του IAO στο νανοπορώδες υλικό διερευνήθηκε κυρίως μέσω τεχνικών δονητικής φασματοσκοπίας. Πιο συγκεκριμένα με τεχνικές υπερύθρου μετασχηματισμού κατά Φουριέ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy ή FT-IR), εγγύ υπερύθρου (N-IR) και Αποσβεννύμενη Ολική Ανάκλαση στο μέσο υπέρυθρο (ATR-IR). Ακόμη, με σκοπό την ποσοτικοποίηση της προσροφημένης ποσότητας του ΙΑΟ εφαρμόστηκε η τεχνική της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA). Τέλος, για την απόκτηση μιας λεπτομερούς εικόνας σχετικά με τη δομή του σύνθετου νανο-πορώδους υλικού τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν και με ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM/EDS). / In the present study the flow rate of aqueous solutions of different pH values through a nanoporous material functionalized with polymeric brushes was investigated using spectroscopic and thermogravimetric methods. In particular, the system under study was a composite material of porous anodic alumina with polymeric brushes of the diblock copolymer poly(Isoprene)–b–poly(Acrylic Acid) (IAO). The adsorption and adsorption kinetics of the IAO onto nanoporous alumina were explored mainly through techniques of vibrational spectroscopy. More specifically Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FT-IR), Near Infrared (N-IR) and Attenuated Total Reflectance (ATR-IR) were employed for this purpose. Moreover, for the quantification of the adsorbed amount of IAO, thermogravimetric analysis was applied (TGA). Finally, to obtain a comprehensive picture of the structure of the nanoporous composite materials used in this study, samples were additionally characterized by electron microscopy (SEM/EDS).