ABSTRACT<p><p>This project aimed at developing a drug delivery system (DDS) able to enhance the stability and<p>residence time in vivo of antibodies (Abs). The system will deliver drug by the subcutaneous<p>route (SC), while ensuring accurate control of the drug release and the resulting plasmatic level. This technology platform will allow to reduce frequency of injection, potentially decrease side effects and maintain high concentration of Abs which will improve life of patient having chronic disease such as autoimmune and inflammatory disease. Biodegradable synthetic polymer-based formulations (polylactide-co-glycolide (PLGA)) were selected as carriers for encapsulated Abs. This was because they offer good protection for the Abs and allow sustained release of the Abs for a controlled period of time. After the evaluation of different encapsulation methods such as the water-oil-in-water (w/o/w) and the solid-in-oil-inwater<p>(s/o/w) processes, the encapsulation of the Ab in solid state (s/o/w) appeared to be more appropriate for producing Ab-loaded PLGA microspheres (MS). It allowed us to maintain the<p>Ab in a monomeric conformation and to avoid the formation of unsoluble aggregates mainly present at the water/oil interface. The first part of the project was the optimization of both the method for producing the Ab solid particles (spray-drying process) and the encapsulation of these Ab solid particles into the polymeric MS (s/o/w process) by design of experiment (DoE). These optimizations were carried out using a bovine polyclonal immunoglobulin G (IgG) as model molecule. In further optimization of the spray-drying process by (DoE), aqueous Ab solutions were spray-dried using a mini Spray-Dryer assembly with a 0.7 mm spray nozzle. In accordance with the particle size (d(0.5) ~5 μm), the stability (no loss of monomer measured by<p>size exclusion chromatography (SEC) and the yield of the spray-drying process (> 60 % w/w), the process parameters were set of follow: 3 mL/min as liquid feed flow rate, 130°C /75°C as inlet temperature (inlet T°) / outlet temperature (outlet T°), 800 L/h as atomization flow rate and<p>30 m3/h as drying air flow rate. For the s/o/w, the methylene chloride (MC) commonly used for<p>an encapsulation process was replaced by ethyl acetate (EtAc), which was considered as a more<p>suitable organic solvent in terms of both environmental and human safety. The effects of several processes and formulation factors were evaluated on IgG:PLGA MS properties such as: particle size distribution, drug loading, IgG stability, and encapsulation efficiency (EE%). Several formulations and processing parameters were also statistically identified as critical to get reproducible process (e.g. the PLGA concentration, the volume of the external phase, the emulsification rate, and the quantity of IgG microparticles). The optimized encapsulation<p>method of the IgG has shown a drug loading of up to 6 % (w/w) and an encapsulation efficiency<p>of up to 60 % (w/w) while preserving the integrity of the encapsulated antibody. The produced MS were characterized by a d(0.9) lower than 110 μm and showed burst effect lower than 50 %(w/w). In the second part of the project, the optimized spray-drying and s/o/w processes<p>developed with the IgG were applied to a humanized anti-tumor necrosis factor (TNF) alpha<p>MAb to confirm the preservation of the MAb activity during these processes. The selected s/o/w method allowed us to produce MAb-loaded PLGA MS with an appropriate release profile up to 6 weeks and MAb stability. In order to maintain the Abs’ activity, both during encapsulation and<p>dissolution, the addition of a stabilizer such as trehalose appeared to be crucial, as did the<p>selection of the PLGA. It was demonstrated that the use of a PLGA characterized by a 75:25<p>lactide:glycolide (e.g. Resomer ® RG755S) ratio decreased the formation of low molecular weight species during dissolution, which led to preserve Abs activity through its release from the<p>delivery system. Furthermore, the release profile was adjusted according to the type of polymer<p>and its concentration. E.g. 10 % w/v RG755S allowed Ab MS with a release time of 6 weeks to<p>be obtained. The optimization of both the formulation and the encapsulation process allowed<p>maximum 13 % w/w Ab-loaded MS to be produced. It was demonstrated that the Ab-loaded PLGA MS were stable when stored at 5°C for up to 12 weeks and that the selection of the appropriate type of PLGA was critical to assuring the stability of the system. The better stability observed when using a PLGA characterized by a 75:25 lactide:glycolide ratio was attributed to<p>its slower degradation rate. Finally, the sustained release of Ab from the developed MS and the preservation of its activity was confirmed in vivo in a pharmacokinetic (pK) study realized in<p>rats. In conclusion, the application of the concept of entrapment into a polymer matrix for<p>stabilization and sustained release of biological compounds was demonstrated through this work.<p><p><p><p>RÉSUMÉ<p><p>Ce projet a pour but de développer un système de délivrance de médicament capable d’augmenter la stabilité et le temps de résidence in vivo des anticorps. Ce système sera administré par voie sous-cutanée et permettra un control précis de la libération du produit et de son niveau plasmatique. Cette plateforme technologique nous permettra de réduire la fréquence d’injection, de réduire potentiellement les effets secondaires et de maintenir des concentrations élevées en anticorps tout en améliorant la vie des patients atteints de maladies chroniques autoimmunes ou inflammatoires. Les formulations à base de polymères synthétiques, biodégradables (PLGA) ont été sélectionnés comme véhicules pour encapsuler les anticorps. Ils offrent en effet une bonne protection pour les anticorps and permettent une libération contrôlée de ceux-ci pendant une période définie. Après l’évaluation de différents méthodes d’encapsulation tels que les procédés d’eau-dans-huile-dans-eau (w/o/w) et solide-dans-huile-dans-eau (s/o/w), l’encapsulation des anticorps sous forme solide apparaissait plus apporpriée pour produire des microsphères de polymère chargées en anticorps. Cette technique nous permettait de maintenir l’anticorps sous sa forme monomérique et d’éviter la formation d’agrégats insolubles qui apparaissaient principalement à l’interface eau/huile. La première partie du projet a été d’optimiser à la fois la méthode nous permettant d’obtenir les anticorps sous forme de particules solides (spray-drying) et la méthode d’encapsulation de ces particules d’anticorps dans les microsphères de polymères. Cela a été réalisé par des plans d’expérience en utilisant une IgG bovine polyclonale comme molécule modèle. Durant l’optimisation du procédé de spray-drying,<p>les solutions aqueuses d’anticorps ont été atomisées en utilisant le mini Spray-Dryer assemblé avec une buse de pulvérisation d’un diamètre de 0.7 mm. En accord avec la taille particulaire (d(0.5) ~5 μm), la stabilité (absence de perte en monomère mesurée par chromatographie d’exclusion de taille et le rendement d’atomisation (> 60 % w/w), les paramètres d’atomisation ont été fixés: 3 mL/min pour le débit de liquide, 130°C /75°C pour la température d’entrée / température de sortie, 800 L/h pour le débit d’air d’atomisation et 30 m3/h pour le débit d’air de séchage. Pour le s/o/w, le dichlorométhane communément utilisé dans les procédés d’encapsulation a été remplacé par l’acétate d’éthyle qui est considéré comme un meilleure solvant organique en terme d’environnement et de sécurité. Les effets de plusieurs paramètres de fabrication ou de formulation ont été évalués sur les propriétés des microsphères polymériques d’anticorps (distribution de taille particulaire, taux de charge en anticorps, stabilité de l’anticorps et efficacité d’encapsulation). Plusieurs paramètres de fabrication et de formulation ont été statistiquement identifiés comme critiques pour obtenir un procédé reproductible (par exemple. La concentration en PLGA, le volume de phase externe, la vitesse d’émulsification et la quantité d’anticorps). La méthode d’encapsulation ainsi optimisée permettait d’obtenir un taux<p>de charge jusqu’à 6% (w/w) avec une efficacité d’encapsulation jusqu’à 60 % (w/w) tout en<p>préservant l’intégrité de l’anticorps encapsulé. Les microsphères produites étaient caractérisées<p>par un d(0.9) inférieur à 110 μm et montraient une libération après 24 h inférieure à 50 % (w/w).<p>Dans le seconde partie du projet, les procédés d’atomisation et d’encapsulation développés avec<p>l’IgG ont été appliqués à un anticorps monoclonal anti-TNF alpha humanisé pour confirmer la<p>conservation de l’activité de l’anticorps pendant ces procédés. La méthode s/o/w sélectionnée<p>permettait de produire des microsphères de PLGA chargées en anticorps avec un profil de libération jusqu’à 6 semaines et un maintien de la stabilité de l’actif. Afin de maintenir l’activité de l’anticorps, à la fois pendant le procédé d’encapsulation et pendant la libération, l’ajout d’un stabilisant tel que le tréhalose est apparu crucial ainsi que le choix du type de PLGA. Il a été démontré que l’utilisation du PLGA caractérisé par un ratio lactide :glycolide de 75 :25 (par exemple, Resomer ® RG755S) diminuait la formation d’espèces de faible poids moléculaire<p>pendant la dissolution. Cela contribuait à préserver l’activité de l’anticorps durant la libération à partir des microsphères. De plus, le profil de libération était modulé en fonction du type de polymère et de sa concentration. Par exemple, l’utilisation d’une solution à 10 % w/v RG755S conduisait à la production de microsphères d’anticorps avec un temps de libération sur 6<p>semaines. L’optimisation de la formulation et du procédé d’encapsulation a permis de produire<p>des microsphères avec des taux de charge en anticorps de maximum 13 % w/w. Il a été démontré<p>que ces microsphères, stockées à 5°C, étaient stables jusqu’à 12 semaines et que la sélection du<p>type de PLGA était critique pour assurer la stabilité du système. La meilleure stabilité a été<p>obtenue en utilisant le PLGA caractérisé par un ratio lactide :glycolide de 75 :25. Cela a été<p>attribué à sa plus faible vitesse de dégradation. Enfin, la libération contrôlée de l’anticorps à<p>partir de ces microsphères et la conservation de son activité ont été confirmées in vivo lors d’une<p>étude pharmacocinétique réalisée chez le rat. En conclusion, ce travail a permis de démontrer<p>l’application du concept d’ « emprisonnement » des composés biologiques dans des matrices<p>polymériques afin de les stabiliser et contrôler leur libération. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’étude des caractéristiques physico-chimiques du Compritol® (béhénate de glycérol) et du Précirol® (palmito-stéarate de glycérol) a été effectuée. Les méthodes d’évaluation consistaient en la calorimétrie différentielle à balayage, la microscopie sur platine chauffante et la rhéologie dans un rhéomètre capillaire à pression variable. Cette étude a montré une évolution de la structure cristalline de ces deux corps gras en fonction du temps et de la température de stockage. En effet, ces composés, après fusion et refroidissement, « recristallisent » sous une structure partiellement amorphe, qui évolue avec le temps en structure cristalline. Il est également ressorti de cette évaluation que ces deux excipients lipidiques présentent des plages de fusion bien distinctes. Cette caractéristique est conservée lorsqu’ils sont en mélanges binaires. Enfin, ces corps gras se déforment sous l’action de fortes forces de cisaillement à des températures inférieures à leurs plages de fusion. <p>L’utilisation du Compritol® et du Précirol® comme corps gras lipophiles pour former des microbilles à libération prolongée a alors été envisagée. Nous avons procédé moyennant une technique de fabrication simple et rapide appelée « la pelletisation thermoplastique ». Il s’agit d’un procédé en une étape qui met à profit le pouvoir liant des corps gras facilement fusibles et se passe ainsi de l’usage de l’eau ou de solvants organiques. L’appareillage utilisé est de type mélangeur granulateur à haute vitesse. <p>Nous nous sommes basés sur les renseignements fournis par l’étude de préformulation afin d’optimaliser les conditions de fabrication des microbilles. Le contrôle de la température du mélange est très important pour la réussite du procédé de pelletisation thermoplastique. La vitesse du bras du mélangeur, la température de la double paroi et le temps de sphéronisation constituent les paramètres clés pour réussir la pelletisation du mélange. Nous avons mis au point des formulations contenant 15% (m/m) de Précirol® et une quantité croissante de Compritol® variant de 3 à 65 % (m/m). La libération du chlorhydrate de phényléphrine, employé comme agent traceur, a déjà été ralentie pour les formulations contenant 25 % (m/m) de corps gras. Face à ces résultats encourageants, nous avons mis au point des formulations contenant 75 % (m/m) de différents principes actifs (chlorhydrate de ciprofloxacine, théophylline et kétoprofène) et 25 % (m/m) de corps gras. Ces formulations ont abouti à la fabrication de microbilles à libération prolongée. Une étude de stabilité menée sur certaines des formes finies a montré la stabilité des microbilles lipidiques pour autant que le principe actif incorporé dedans ne soit par lui-même facilement dégradable. <p>Afin d’élargir le champ d’application du procédé de fabrication, nous avons mis au point des microbilles flottantes à libération prolongée. Les formulations proposées contiennent comme excipients :les deux corps gras, un mélange effervescent (bicarbonate sodique/ acide tartrique) et du Methocel K100. Leur flottabilité a été prouvée in vitro sur une période de plus de huit heures et In vivo par administration de microbilles de riboflavine flottantes versus non flottantes à des volontaires humains sains.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p>Pancreatic ductal adenocarcinoma is an especially deadly disease having the lowest 5-year survival rate of any major cancer at just 11%. As in many cancers, systemically-delivered chemotherapy forms the backbone of clinical treatment. However, limitations of systemic delivery exacerbated by the unique desmoplastic and avascular microenvironment surrounding the pancreatic tumor cells result in the failed efficacy of current treatments. The high stromal content in the microenvironment, which is especially overabundant in hyaluronic acid, is thought to physically impede drug perfusion into the tissue. Thus, there is clearly a <strong>critical need</strong> to develop novel treatments for pancreatic ductal adenocarcinoma that can overcome these drug delivery barriers. Long-acting injectable implants offer an attractive drug delivery method that can provide <em><strong>sustained</strong></em> drug release directly at the <em><strong>local</strong></em> targeted site, rather than transient, systemic release. Here we use in situ forming implants (ISFIs), which are a low-viscosity solution outside of the body but transition into a solid drug-eluting depot after injection into an aqueous environment. Our <strong>objective</strong> is to develop and characterize an ISFI that can provide sustained release of bioactive hyaluronidase for use as an intratumoral injection to degrade hyaluronic acid in pancreatic tumors. This work was accomplished in four aims. First, a method was developed using diffusion-weighted MRI for noninvasive characterization of the implants. Second, because hyaluronidase is a protein drug, we studied factors affecting protein release from ISFIs, focusing on external factors of the injection site. Third, we showed that basic salt additives can be used to neutralize the acidic environment created by the implants which may improve protein stability. Finally, we formulated an implant to provide sustained release of hyaluronidase and demonstrated retention of its bioactivity both <em>in vitro</em> and <em>ex vivo</em>.</p>

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<p>Injectable, in-situ gelling magnetic plum pudding hydrogel composites were fabricated by entrapping superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) and thermosensitive N-isopropylacrylamide (NIPAM)-co–N-isopropylmethacrylamide (NIPMAM) microgels in a pNIPAM-hydrazide/carbohydrate-aldehyde hydrogel matrix. The resulting composites exhibited significant, repeatable pulsatile release of 4 kDa FITC-dextran upon exposure to an alternating magnetic field. The pulsatile release from the composites could be controlled by altering the volume phase transition temperatures of the microgel particles (with VPTTs over 37°C corresponding to improved pulsatile release) and changing the microgel content of the composite (with higher microgel content corresponding to higher pulsatile release). By changing the ratio of dextran-aldehyde (which deswells at physiological temperature) to CMC-aldehyde (which swells at physiological temperature) in the composites, bulk hydrogel swelling and thus pulsatile release could be controlled; specifically, lower CMC-aldehyde contents resulted in little to no composite swelling, improving pulsatile release. <em>In vitro</em> cytotoxicity testing demonstrated that the composite precursors exhibit little to no cytotoxicity up to a concentration of 2000 µg/mL. Together, these results suggest that this injectable hydrogel-microgel composite hydrogel may be a viable vehicle for <em>in vivo</em>, pulsatile drug delivery.<strong></strong></p> / Master of Applied Science (MASc)

Yes / A study has been carried out to investigate controlled release performance of caplet shaped injection moulded (IM) amorphous solid dispersion (ASD) tablets based on the model drug AZD0837 and polyethylene oxide (PEO). The physical/chemical storage stability and release robustness of the IM tablets were characterized and compared to that of conventional extended release (ER) hydrophilic matrix tablets of the same raw materials and compositions manufactured via direct compression (DC). To gain an improved understanding of the release mechanisms, the dissolution of both the polymer and the drug were studied. Under conditions where the amount of dissolution media was limited, the controlled release ASD IM tablets demonstrated complete and synchronized release of both PEO and AZD0837 whereas the release of AZD0837 was found to be slower and incomplete from conventional direct compressed ER hydrophilic matrix tablets. Results clearly indicated that AZD0837 remained amorphous throughout the dissolution process and was maintained in a supersaturated state and hence kept stable with the aid of the polymeric carrier when released in a synchronized manner. In addition, it was found that the IM tablets were robust to variation in hydrodynamics of the environment and PEO molecular weight. / The research was funded by AstraZeneca, Sweden.

Yes / Three dimensional printing (3DP) was used to engineer novel oral drug delivery devices, with specialised design configurations loaded with multiple actives, with applications in personalised medicine. A filament extruder was used to obtain drug-loaded - paracetamol (acetaminophen) or caffeine - filaments of polyvinyl alcohol with characteristics suitable for use in fused-deposition modelling 3D printing. A multi-nozzle 3D printer enabled fabrication of capsule-shaped solid devices, containing paracetamol and caffeine, with different internal structures. The design configurations included a multilayer device, with each layer containing drug, whose identity was different from the drug in the adjacent layers; and a two-compartment device comprising a caplet embedded within a larger caplet (DuoCaplet), with each compartment containing a different drug. Raman spectroscopy was used to collect 2-dimensional hyper spectral arrays across the entire surface of the devices. Processing of the arrays using direct classical least squares component matching to produce false colour representations of distribution of the drugs showed clearly the areas that contain paracetamol and caffeine, and that there is a definitive separation between the drug layers. Drug release tests in biorelevant media showed unique drug release profiles dependent on the macrostructure of the devices. In the case of the multilayer devices, release of both drugs was simultaneous and independent of drug solubility. With the DuoCaplet design it was possible to engineer either rapid drug release or delayed release by selecting the site of incorporation of the drug in the device, and the lag-time for release from the internal compartment was dependent on the characteristics of the external layer. The study confirms the potential of 3D printing to fabricate multiple-drug containing devices with specialized design configurations and unique drug release characteristics, which would not otherwise be possible using conventional manufacturing methods. / The full-text of this article will be released for public view at the end of the publisher embargo on 10 Oct 2016.