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. 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. 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. 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.

Since the approval of recombinant human insulin in 1982, there has been a growing interest in the use of biotherapeutics, and more particularly of monoclonal antibodies (mAb)-based products due to their multiple advantages compared to small chemical entities. Nonetheless, mAbs also show some drawbacks, one of them being their sensitivity to diverse instability pathways due to their complex structure. Therefore, attention needs to be paid during formulation and storage of such entities. While administration of mAbs using non-invasive routes has been extensively investigated, it still faces several challenges, especially regarding systemic therapy. Thus, parenteral route currently remains the main route of administration for antibodies (Abs). However, frequent injections are required in order to maintain Ab plasma levels into the therapeutic range, which may induce peak-to-trough fluctuations in blood levels due to multiple dosing as well as poor patient compliance. Consequently, methods to increase the half-life of Abs have gained interest over the last decades, and more particularly the use of sustained-delivery systems based on poly(lactide-co-glycolide) acid (PLGA) derivatives. In this work, the spray-drying of a water-in-oil emulsion (w/o) was selected as the formulation technique to produce Ab-loaded PLGA microparticles. Based on the requirement of sustained-release delivery systems, different objectives were set regarding the characteristics of the microparticles, i.e. a drug loading (DL) of at least 20%, a continuous in vitro and in vivo Ab release over a minimum of one month with a limited burst release and the possibility to maintain Ab stability during manufacturing, storage and release. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le psoriasis est une dermatose inflammatoire chronique affectant 2 à 3 % de la population européenne. Les cytokines pro-inflammatoires ont un rôle crucial dans la pathogénèse du psoriasis. Parmi les voies de signalisation cytokinique, l'étude de la voie JAK/STAT a conduit au développement de traitements systémiques efficaces. Cependant, les essais cliniques évaluant les inhibiteurs JAK/STAT impliquent en grande majorité des administrations orales, la voie topique restant marginale. Le développement de formulations innovantes pour application topique contenant des inhibiteurs JAK/STAT semble être une stratégie prometteuse dans le cadre du psoriasis. Les nanoparticules de poly(acide lactique) (NP PLA) développées au laboratoire ont été étudiées pour la délivrance topique de principes actifs. Ce sont des vecteurs efficaces, qui s'accumulent dans les follicules pileux. De plus, l'encapsulation d'actifs dans des NP PLA permet une libération spécifique au niveau du site d'action, et donc une réduction de la toxicité. L'objectif de ce travail est d'élaborer des formulations semi-solides de NP PLA contenant un inhibiteur JAK/STAT pour le traitement topique du psoriasis, tout en caractérisant un modèle in vivo de psoriasis induit par applications d'Imiquimod. Cette caractérisation des lésions psoriasiformes permettra l'évaluation in vivo des nanoformulations topiques contenant des inhibiteurs JAK/STAT. Cinq formulations ont été élaborées puis caractérisées afin de répondre aux attentes galéniques pour une application topique. L'intégrité des NP PLA a été vérifiée, et la pénétration/perméation de molécules modèles à travers de la peau de souris inflammée a été évaluée / Psoriasis is a chronic inflammatory skin disease, affecting 2 to 3 % of European population. Inflammatory cytokines play a crucial role in the pathogenesis of psoriasis. Among cytokines signaling pathways, JAK/STAT pathway has been widely investigated, leading to the development of efficient systemic agents. However, current clinical trials evaluating JAK/Sat inhibitors mainly involve oral administrations, with few investigations on topical route. Developing innovative drug delivery systems for topical application of JAK/STAT inhibitors seems a promising strategy for psoriasis treatment. Poly(lactic acid) nanoparticles (PLA NPs) developed in the laboratory have been widely investigated for topical drug delivery and are efficient carriers for local dermatotherapy, especially through hair follicles. Moreover, drug encapsulation in PLA NPs for topical delivery allows a specific delivery to the site of action, and thus a decreased toxicity.The aim of this work was to elaborate semi-solid formulations of PLA NPs containing JAK/STAT inhibitors for topical treatment of psoriasis, while characterizing an in vivo model of Imiquimod-induced psoriasis in mice. This characterization of psoriasis-like skin lesions in Imiquimod treated mice provided key tools for in vivo evaluation of topical nanoformulations containing JAK/STAT inhibitors. Five formulations have been developed and then characterized in order to meet galenic criteria for topical drug administration. PLA NPs integrity was assessed, and penetration/permeation profiles of model dugs through inflamed mice skin were determined

Le cancer du poumon est l’un des cancers les plus fréquents dans le monde et reste le plus meurtrier actuellement en terme d’incidence absolue. Les traitements employés chez les patients atteints d’un cancer du poumon consistent en une combinaison de chirurgie, de radiothérapie et de chimiothérapie. Alors qu’il y a quelques années, les guidelines de traitement étaient principalement basées sur le stade clinique de la maladie, le développement de nouvelles thérapies a mené à une classification plus appropriée des cancers du poumon. Cette nouvelle classification se base, en plus du stade clinique de la maladie, sur l’expression de différents biomarqueurs exprimés chez des sous-populations bien définies de patients. Ces biomarqueurs sont par exemple la mutation d’un gène ou l’expression d’une protéine. Au cours de ces dix dernières années, la recherche a été très active dans ce domaine avec l’arrivée de nouveaux traitements plus spécifiques pour ces sous-populations de patients. Des exemples concrets de ces nouvelles thérapies sont les chimiothérapies dites ciblées et l’immunothérapie. L’arrivée de tels traitements a parmi d’augmenter significativement le pronostic de la maladie et également de réduire considérablement les graves effets secondaires des chimiothérapies conventionnelles. Toutefois, le bénéfice en termes de survie reste modéré. Le taux de survie des patients à cinq ans est actuellement de 15%. Il y a donc toujours un besoin urgent de mettre au point de nouvelles stratégie de traitement.La chimiothérapie inhalée constitue une perspective de traitement adjuvant du cancer du poumon très intéressante, comparée à la chimiothérapie conventionnelle. En effet, elle permettrait d’administrer des doses d’anticancéreux plus importantes directement au niveau du site tumoral tout en limitant l’exposition systémique du médicament dans l’organisme, et donc, les toxicités importantes s’y rapportant. Toutefois, aucun médicament suivant cette approche n’est actuellement disponible sur le marché et ce, malgré quelques études cliniques de Phase I/II. Cela peut principalement s’expliquer par (i) l’incapacité d’administrer des doses inhalées efficaces d’agent anticancéreux avec les dispositifs d’inhalation utilisés (les nébuliseurs), (ii) les inquiétudes quant à une possible augmentation des toxicités pulmonaires des agents anticancéreux administrés par inhalation, (iii) les moyens devant être mis en place afin d’assurer la non-contamination de l’environnement et du personnel soignant lors d’une séance d’inhalation. Basée sur de nouvelles technologies pharmaceutiques (l’inhalation sous forme de poudre sèche, les nanomédecines, les thérapies ciblées, etc.) et sur une meilleure connaissance de la biologie des cancers, la stratégie scientifique que nous proposons pourrait permettre d’apporter une solution aux problématiques précitées. Ce travail décrit le développement de nouvelles formulations de poudre sèche pour inhalation (« dry powder for inhalation », DPI) à base de nanovecteurs ciblés contre le récepteur au folate (« folate receptor », FR) pour le traitement sélectif de cancers du poumon FR-positifs. Ces formulations permettraient le ciblage (i) du site tumoral par l’utilisation de l’administration pulmonaire et (ii) spécifique des cellules cancéreuses du poumon par les nanovecteurs ciblés. Trois parties constituent ce travail.Dans la première partie, deux nouveaux excipients folatés (c.à.d. sur lesquels ont été greffés des groupements folates) ont été synthétisés en trois étapes principales par une méthode de synthèse faisant appel à des dérivés de carbodiimide. Ces excipients comportent trois types de composants majeures relatifs à leur fonction :un ligand, le groupement folate, pour le ciblage des FRs ;un composé de charge, un polysaccharide, capable d’interagir avec l’agent anticancéreux ou une structure contenant celui-ci ;et un spacer, le poly(éthylène glycol), afin d’assurer une bonne flexibilité du folate et ainsi permettre une bonne interaction avec le FR. Ces nouveaux excipients folatés ont été caractérisés par RMN du proton, par spectrométrie de masse et par analyse thermique. L’excipient F-PEG-HMD (« folate-poly(ethylene glycol)-hydrophobically-modified dextran ») était capable de former des micelles caractérisées par une distribution de taille particulaire bimodale dans l’eau, avec un diamètre moyen d’environ 80 nm. F-PEG-HMD était caractérisé par une concentration micellaire critique de 4 x 10-7 M. L’excipient F-PEG-HTCC (« Folate-poly(ethylene glycol)-(N-[(2-hydroxy- 3-trimethylammonium)propyl] chitosan ») présentait des charges positives permettant de se solubiliser en milieu aqueux, indépendamment du pH.Dans la deuxième partie du travail, des formulations DPI ont été développées à base de l’agent anticancéreux témozolomide (TMZ). Celui-ci a été choisi comme premier modèle de principe actif pour son mécanisme d’action particulier qui lui confère une activité dans les cancers apopto-résistants, comme c’est le cas de beaucoup de cancers du poumon. De plus, l’administration d’une formulation de TMZ sous forme de nanovecteur permettrait de considérablement augmenter son activité en augmentant, par exemple, sa stabilité in vivo, ou encore son incorporation intracellulaire spécifique dans les cellules cancéreuses. Toutefois, le TMZ est caractérisé par des propriétés physicochimiques ne permettant que très difficilement son encapsulation dans des nanovecteurs. Le TMZ est une petite molécule, faiblement soluble dans l’eau sans toutefois être lipophile. Comme type de nanovecteur, les micelles polymériques pourraient présenter un bon profil pour encapsuler le TMZ. Des micelles composées de F-PEG-HMD et de TMZ ont été préparées par solubilisation de ces deux composés en présence. La solubilité dans l’eau du TMZ a pu ainsi être doublée en présence de F-PEG-HMD, ce qui pourrait mener à des concentrations de TMZ augmentées au sein du site tumoral. Les micelles polymériques présentaient un diamètre moyen de 50-60 nm, en fonction de la concentration en F-PEG-HMD utilisée. Les formulations DPI ont été préparées par spray-drying des micelles en présence de mannitol et de leucine. Le TMZ est resté stable durant l’étape de spray-drying, ainsi confirmé par des propriétés antiprolifératives in vitro des formulations DPI semblables à une solution de TMZ. Deux des formulations DPI développées présentaient de bonnes propriétés aérodynamiques, avec des fractions en particule fine jusqu’à 50%, et étaient capable de libérer les micelles polymériques rapidement en milieu aqueux. Toutefois, les taux d’encapsulation obtenus étaient relativement bas (inférieurs à 10%). Le travail s’est donc poursuivi avec un autre agent anticancéreux, le paclitaxel.Dans la troisième partie du travail, des formulations DPI à base de nanovecteurs chargés en paclitaxel (PTX). Le PTX a été choisi comme deuxième modèle d’agent anticancéreux car il s’agit d’une des molécules les plus couramment utilisées dans le traitement du cancer du poumon, et ce malgré les graves effets secondaires systémiques engendrés par l’administration intraveineuse de ce médicament. L’utilisation de la voie pulmonaire pourrait permettre d’optimiser les traitements à base de PTX, et ainsi, la qualité de vie des patients (réductions conséquentes des graves effets secondaires systémiques et meilleure réponse thérapeutique). Deux types de nanovecteurs ont été préparés avec des taux d’encapsulation en PTX d’approximativement 100%. Des micelles polymériques à base de F-PEG-HMD et de PTX ont été préparées par une méthode de dialyse avec un diamètre moyen de 50 nm et un potentiel zêta d’environ -4 mV dans le PBS. Des nanoparticules lipidiques solides (« solid lipid nanoparticle », SLN) chargées en PTX ont été préparées par une méthode de nanoprécipitation et les SLNs ont ensuite été enrobées par F-PEG-HTCC. La présence de l’enrobage a été confirmée par la taille et la charge des particules (diamètre moyen de 160 nm à 230 nm et potentiel zêta de -20 mV à + 30 mV, avant et après enrobage, respectivement). Les nanovecteurs étaient capables d’être incorporés, in vitro, dans les cellules HeLa et M109-HiFR, deux lignées de cellules cancéreuses exprimant le FR, et in vivo, après administration par inhalation sur un modèle orthotopique de cancer pulmonaire murin Ce modèle, le modèle M109, a été développé dans le cadre de ce travail à partir de la lignée M109-HiFR. Après administration par inhalation, les SLNs restaient enrobées dans les tissus pulmonaires et tumoraux. Les nanovecteurs ont montré une activité antiproliférative in vitro sur les deux lignées précitées. De plus, cette activité était significativement plus grande avec les SLNs enrobées chargées en PTX qu’avec la formulation commerciale contenant le paclitaxel, le Taxol®, avec des concentrations inhibitrices médianes de 60 et 340 nM, respectivement. L’activité anti-cancéreuse in vivo des SLNs enrobées, qui présentaient un meilleur profil que les micelles polymériques pour être étudiées in vivo (plus haute teneur en PTX, plus grande activité antiproliférative, et meilleure profil de libération du PTX in vitro), a été évaluée sur le modèle M109. Les SLNs enrobées, administrées par inhalation, seules ou en association avec le Taxol par intraveineuse, ont été comparées au Taxol®, administré par inhalation, par intraveineuse ou les deux, à la même dose de PTX totale. Les traitements à base des SLNs enrobées, en particulier en association avec le Taxol® en intraveineuse, ont menés un allongement significatif de la survie des souris M109, par rapport au Taxol en intraveineuse seul (survie médiane de 38 et 27 jours, respectivement). De plus, la mort de la dernière souris M109 a été observé au jour 61 pour le traitement SLN/Taxol en association, comparé au jour 33 pour le Taxol en intraveineuse, seul, à la même dose totale en PTX (10-8-8-8 mg/kg), et au jour 29 pour le contrôle négatif (c.à.d. les souris n’ayant pas reçu de traitement). Des études supplémentaires sont toutefois requises pour conclure une potentielle augmentation de l’activité anticancéreuse des SLNs inhalées par rapport au Taxol®. En effet, les doses de PTX en inhalation étaient trop grandes pour le modèle M109 menant à la mort d’une partie non négligeable des souris M109. Nous pouvons toutefois conclure que le traitement à base des SLNs inhalées en association avec le Taxol® en intraveineuse semble prometteur pour la suite du projet. Des formulations DPI ont ensuite été produites à partir des nanovecteurs chargés en PTX par spray-drying. Les formulations obtenues présentaient une large déposition in vitro dans les poumons, avec des fractions en particule fine allant jusqu’à 50% et de bonnes propriétés de libération des nanovecteurs en milieu aqueux. Quel que soit le principe actif ou le nanovecteur utilisé, les formulations DPI développées ont montré une large déposition pulmonaire in vitro dans les voies aériennes inférieures, où les adénocarcinomes pulmonaires sont le plus souvent trouvés. De plus, les formulations ne contenant que les excipients étaient bien tolérées in vivo après inhalation chez la souris saine. Cela a été vérifié par analyse des fluides bronchoalvéolaires en termes de concentration totale en protéine, de population de cellules, et de concentration en cytokines IL-1β, IL-6, and TNF-α. Ce travail montre dès lors également que les formulations DPI pourraient constituer un système de délivrance de médicament intéressant pour amener des nanovecteurs dans le tractus respiratoire où la tumeur réside. Toutefois, alors que de nombreuses caractéristiques intéressantes des formulations ont été démontrées (la tolérance des excipients, les profils de libération du PTX obtenus, l’incorporation intracellulaire des nanovecteur ainsi que leur bonne distribution dans du tissu tumoral in vivo et leur activité anticancéreuse, etc.), l’implication des FRs pour expliquer ces caractéristiques n’a pas pu être établie clairement. / Lung cancer is one of the most frequent cancers in the world, and remains the most deadly. Lung cancer therapy involves the combination of surgery, radiotherapy and chemotherapy. Whereas the treatment guidelines used to be related mainly to the stage of the disease, more recent treatments have introduced the concept of treating lung cancers according not only to the stage, but also to the specific characteristics of the tumors, i.e. a gene mutation, expression of a protein, etc. In the last decade, scientific and clinical research has been very active in this field, with recurrent introduction of new treatments, including new chemotherapies (e.g. targeted chemotherapies and immunotherapies). Many of these new treatments certainly induce better therapeutic responses and a sharp reduction in the adverse effects of conventional chemotherapies for well-defined subpopulations of patients. However, the benefit in terms of survival rates is only moderate. The five-year survival rate is currently ~15%. There is therefore no doubt that new treatment approaches and strategies are needed. One interesting approach is aerosolized chemotherapy. The pulmonary delivery of anti-cancer drugs could potentially be an interesting alternative to conventional adjuvant chemotherapy in lung cancer treatment, for many reasons. Among them, it could enhance the therapeutic ratio significantly by decreasing systemic severe toxicities and increasing anti-tumour efficacy. However, despite interesting clinical trial reports, all the strategies describing an aerosolized anti-cancer treatment have failed to bring new medicine on the market so far. The failures have been related mainly to (i) the inability to deliver proper and efficient drug doses in the lungs with the inhalation devices used in clinical trials (i.e. nebulizers), (ii) concerns about potential increase in lung toxicities engendered by these anti-cancer drug-based aerosols, and (iii) the requirement for adapted facilities to perform the inhalation procedure safely. Based on new pharmaceutical technologies (i.e. dry powder for inhalation (DPI) technology, nanomedicine, drug targeting, etc.) and on a better knowledge of cancer biology, a plausible and feasible answer to the aforementioned causes of failure was proposed. In this work, new nanomedicine-based DPI formulations were designed and developed for proposal as adjuvant chemotherapy for lung cancer treatment, especially for folate receptor (FR)-positive adenocarcinomas. These formulations would potentiate chemotherapy by means of a dual-targeting approach, i.e. the targeting of (i) lung tumor site(s) with pulmonary delivery and (ii) lung cancer cells with FR-targeted nanocarriers. To set up this approach, the work included three parts.In the first part, two new folate-grafted excipients were synthesized using carbodiimide-mediated chemistry in three main steps. These excipients consisted of three main components with a defined function: a ligand bringing selectivity, i.e. folate groups; a loading compound able to interact non-covalently with the anti-cancer drug or a drug delivery system, i.e. polysaccharides; and a spacer ensuring good flexibility of the ligand to allow its binding to the target, i.e. poly(ethylene glycol). The excipients were characterized by 1H-NMR, mass spectrometry and thermal analysis. Folate-polyethylene glycol-hydrophobically-modified dextran (F-PEG-HMD), a new folate-grafted self-assembling copolymer, presented a critical micellar concentration in water of 4 x 10-7 M. F-PEG-HMD micelles were characterized by a trimodal particle size distribution with a Z-average diameter of about 80 nm in water. Folate-polyethylene glycol-(N-[(2-hydroxy- 3-trimethylammonium)propyl] chitosan) (F-PEG-HTCC) presented positive charges and was easily dissolved in water, regardless of the pH.In the second part, dry powders were developed with the anti-cancer drug temozolomide (TMZ). TMZ was chosen as the first anti-cancer drug model due to its interesting anti-cancer activity in poor prognosis, apopto-resistant cancers, as is the case for many lung cancers. In addition, TMZ delivery via a nanocarrier might present many advantages such as prolonged lifetime and specific improved intracellular delivery into cancer cells. However, TMZ is characterized by poor properties for encapsulation into nanocarriers. It presents poor water solubility and low lipophilicity. Because of these properties, polymeric micelles presented the best profile for entrapping TMZ. TMZ-loaded F-PEG-HMD micelles were prepared by co-dissolution of TMZ and F-PEG-HMD. TMZ solubility in water was increased in the presence of F-PEG-HMD (a two-fold increase in molar solubility) which could potentially lead to increased local concentrations in the tumor site. The TMZ-loaded F-PEG-HMD micelles were characterized by Z-average diameters in the range of 50-60 nm, depending on the F-PEG-HMD concentration used. The micelles were spray dried to produce dry powders. TMZ remained stable during all the formulation steps, confirmed by similar in vitro anti-proliferative properties for the DPI formulations and a TMZ solution. Two of the developed DPI formulations were characterized by good aerodynamic properties (with a fine particle fraction of up to 50%) and were able to release the F-PEG-HMD micelles quickly in aqueous media. However, as presumed, poor entrapment efficiency values were obtained (less than 10%). A second anti-cancer compound was therefore chosen to pursue in the study, the lipophilic paclitaxel.In the third part, nanocarrier-loaded dry powders were developed with the poorly water-soluble anti-cancer drug paclitaxel (PTX) and the new folate-grafted excipients. PTX was chosen as a model drug because it is an effective anti-cancer drug currently used in lung cancer therapy and it causes severe systemic toxicities when delivered by the conventional intravenous route. Pulmonary delivery of PTX might therefore optimize treatment efficacy and/or quality of life in lung cancer patients. Two types of PTX-loaded nanocarrier were prepared with an encapsulation efficiency of approximatively 100%. PTX-loaded F-PEG-HMD micelles were prepared by a dialysis method. These had a Z-average diameter of about 50 nm and a zeta potential of about -4 mV in PBS. F-PEG-HTCC-coated solid lipid nanoparticles (SLNs) loaded with PTX were prepared in two main steps. PTX-loaded SLNs were first prepared using a nanoprecipitation method and the SLNs were then coated with F-PEG-HTCC. Efficient coating was confirmed by particle size and zeta potential (Z-average diameter of 160 nm to 230 nm and zeta potential of -20 mV to +30 mV before and after F-PEG-HTCC coating, respectively). The nanocarriers were able to enter HeLa and M109-HiFR, two FR-expressing cancer cell lines, in vitro, and in vivo after administration by inhalation to orthotopic M109-HiFR lung tumor grafted mice. This orthotopic model, i.e. the M109 model, was developed in the study. The SLNs remained coated with F-PEG-HTCC in lung tissues and tumors after inhalation. The PTX contained in the nanocarriers remained active against HeLa and M109-HiFR in vitro, as observed by means of the colorimetric MTT assays. Moreover, PTX-loaded SLNs were characterized by significantly higher anti-proliferative properties than Taxol®, with half-maximal inhibitory concentrations of 60 and 340 nM, respectively. Afterwards, the in vivo anti-cancer activity of the coated SLNs, which led to better profile than the polymeric micelles to be studied in vivo (i.e. higher PTX loading, higher anti-proliferative properties, and better release profile of PTX in vitro), was evaluated using the M109 model. The coated SLNs, administered by inhalation, alone or combined with intravenous Taxol®, were compared with Taxol®, administered by inhalation, IV or both, at the same PTX-relative doses. Interestingly, we observed much longer survivals for the SLN inhaled treatments, especially when combined with intravenous Taxol®, than for intravenous Taxol alone (median survivals of 38 and 27 days, respectively). Moreover, the last tumor-bearing mouse death occurred at day 61 for the SLN combined therapy, compared with day 33 for the intravenous therapy alone, at the same total PTX-relative dose (i.e. 10-8-8-8 mg/kg), and with day 29 for negative control (i.e. non-treated mice). However, further evaluations are needed to conclude that there is any improvement in terms of therapeutic response compared with intravenous Taxol®. Indeed, bias related to the fact that the aerosolized PTX doses were too high was included in the survival rate analysis and was revealed by unacceptable treatment-related deaths. Nevertheless, the combination of aerosolized, loaded SLNs and intravenous Taxol seemed to be an interesting strategy of treatment to follow. Dry powders embedding the PTX-loaded nanocarriers were developed by spray-drying. In vitro, good deposition profiles were obtained, with a fine particle fraction of up to 50% and good ability to re-disperse the nanocarriers in aqueous media.Whatever the drug or the nanocarrier adopted, the developed DPI formulations showed wide in vitro pulmonary deposition in the lower respiratory tract, where adenocarcinomas are more often found. Moreover, nanocarrier-based dry powders without drugs were well-tolerated in vivo, as assessed in healthy mice by determination of total protein content, cell count, and cytokine IL-1β, IL-6, and TNF-α concentration in bronchoalveolar lavage fluids. The present work therefore also shows that dry powders for inhalation could constitute an interesting drug delivery system able to release nanocarriers in the respiratory tract where the tumor is growing and spreading. However, in contrast to the undeniable improvements in terms of drug delivery system (e.g. safety of the excipients, drug release profile, the cell binding and uptake of the nanocarriers and their distribution into tumor in vivo, anti-cancer activity), no substantial effect linked to an implication of the FRs was observed to explain the aforesaid improvements. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Among the different pulmonary fungal infections, aspergillosis, and in particular invasive pulmonary aspergillosis (IPA), are becoming the most worrying diseases in immunocompromised patients. This is due to their high incidence and mortality. Indeed, invasive aspergillosis manifests as invasive pulmonary disease accounting for 50/60% of all cases, with a mortality of 50-90% in severely immunocompromised patients. Triazoles act by inhibiting 14-α demethylase, a fungal cytochrome P450 enzyme implicated in the synthesis of ergosterol, an essential constituent of fungal cell walls. Moreover, they interact with the same cytochrome present in large quantities in the human liver, inducing possible drug-drug interactions in IPA patients. Consequently, interactions resulting from inhibitors, inductors, or substrates of cytochromes can modify the plasmatic concentrations of triazoles or other drugs administered concomitantly. To overcome these important issues, pulmonary delivery of triazoles could be an interesting alternative to conventional routes.The aim of this work was to develop triazole-based dry powders for inhalation able to be deposited adequately in the lungs, with a release of drug and a lung retention that can optimize its pharmacological action. This work focused on two active pharmaceutical ingredients (API): itraconazole (ITZ), for which improved solubility was needed, and voriconazole (VCZ), for which slow release was required.Concerning ITZ, solid dispersions for inhalation (SDIs) comprising ITZ and mannitol were previously developed in our laboratory. The selected SDI showed interesting results in terms of improved dissolution and lung retention in vivo in mice during a pharmacokinetic study. Therefore, this SDI was tested in a murine preclinical model of IPA and showed promising results in terms of prophylaxis efficacy. One aim of this work was to continue the pharmaceutical development of this promising SDI by making a scaling-up study. These methods were intended to improve the SDI’s ecological footprint and productivity by increasing the production yield and decreasing the amount of solvents and time used in its manufacture. During the first step of this study, the obtained SDI showed interesting results obtaining similar powder characteristics (i.e. amorphous content, aerodynamic performance, and dissolution profiles) from concentrated solutions using a laboratory-scale spray-dryer B-290 (Büchi, Switzerland) before using a pilot-scale spray-dryer (GEA Niro, Denmark). Then, the upscaling was performed on the pilot spray-dryer allowing the production of SDIs with increased productivity (yield and process duration). These SDIs had similar powder characteristics than the optimized lab-scale SDIs. During the second part of this work we developed VCZ based dry powder for inhalation. The aim was to slow down the release of this highly permeable and very slightly soluble API and to prolong its lung residence. To this end, various lipidic excipients were chosen. The selection took into account the potential good pulmonary tolerance of the lipids and their hydrophobicity to evaluate their ability to slow down the VCZ release (FPFs 20-25%, slowed release up to 24h, burst effect of ± 58% of VCZ dissolved within 30min). Immediate-release SDIs were also developed to have a comparator reference for the pharmacokinetic and efficacy studies (FPFs of 40%).Then, a pharmacokinetic study in mice was performed following the pulmonary administration of one immediate-release and two sustained-release SDIs (with or without PEG excipient). With an 80-fold higher pulmonary exposure over 24 hours, the slow-release SDIs presented a real interest compared to the immediate-release SDI. Moreover, in accordance with these results, VCZ plasma exposure following the administration of the SDI with PL90-H was more than 1.5-fold higher than its pulmonary exposure (AUC0-24 of 8.70 µg.h/g in the lungs and 14.70 µg.h/mL in the plasma). The slow-release formulations presented plasma exposures at least 15 times lower than their pulmonary exposures (AUC0-24 in lung of 741.40 and 686.85 µg.h/g vs plasmatic AUC0-24 of 37.44 and 42.81 µg.h.mL, respectively with and without PEG excipient). Moreover, the presence of PEG excipient did not influence the residence time and the exposure of the VCZ within the lungs. Finally, the sustained-release SDIs administration by inhalation led to VCZ lung and plasma concentrations higher than the minimal inhibitory concentration (MIC) of VCZ against Aspergillus fumigatus (1 μg/mL) over 24 h. Finally, a murine model of IPA was developed in our lab. The immunosuppression model was fixed and performed by the intraperitoneal (IP) injection of corticosteroids to induce a neutropenia state. Then, different doses of spores (from 1.10^4 to 5.10^6 spores) were inoculated to the neutropenic mice via an endotracheal instillation and the survival rate of each group was observed. Unfortunately, the survival rate resulting from the different infections were not reproducible. Therefore, these models were not suitable to conduct the efficacy study. This underlined the link between the immunosuppressive model and the infection. Indeed, the IPA murine model should be developed according to the immune state of the animal, the Aspergillus conidia species and its concentration to be used. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le déficit en transporteur de la créatine est une maladie rare neurologique dans laquelle la perte de fonctionnalité du transporteur de la créatine (SLC6A8) conduit à une absence de créatine au niveau cérébral et à des retards de développement majeurs chez les enfants. A l'heure actuelle, aucune thérapie efficace n'est disponible.Une approche thérapeutique potentielle est le développement de molécules prodrogues de la créatine plus lipophiles qui franchiront les membranes cellulaires de façon passive et la recherche d'une formulation galénique susceptible d'emmener la prodrogue vers les cellules cibles d'intérêt, les neurones. Ainsi, dans cette thèse, nous proposons une nouvelle voie de synthèse originale d'esters de la créatine à longue chaîne aliphatique. Ces composés présentent des propriétés pharmacologiques intéressantes : nous montrons qu'il existe une relation de structure-activité entre la taille de la chaîne aliphatique (et donc la lipophilie) et la capacité de la molécule à être internalisée dans les cellules endothéliales cérébrales, astrocytaires et neuronales, constituant l'unité neurovasculaire. Il ressort de nos observations expérimentales que l'ester dodécylique de créatine est le meilleur candidat médicament. De plus, après avoir été internalisé dans les fibroblastes des patients présentant un déficit fonctionnel du transporteur de la créatine, l'ester dodécylique subit une conversion par les estérases cellulaires, libérant ainsi la créatine dans le compartiment intracellulaire.La formulation galénique permettant de protéger ces esters de créatine jusqu'au cerveau repose, elle, sur la nanovectorisation, par encapsulation de l'ester dodécylique de créatine dans des NanoCapsules Lipidiques. L'avantage de cette formulation est de permettre également un ciblage actif vers la Barrière Hémato-Encéphalique, obstacle majeur dans le développement de thérapies ciblant le Système Nerveux Central. Nos observations expérimentales mettent en exergue cette double stratégie thérapeutique pour le traitement du déficit en transporteur de la créatine.Ce travail a été soutenu financièrement par la Fondation Lejeune.

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

Le déficit en transporteur de la créatine est une maladie rare neurologique dans laquelle la perte de fonctionnalité du transporteur de la créatine (SLC6A8) conduit à une absence de créatine au niveau cérébral et à des retards de développement majeurs chez les enfants. A l’heure actuelle, aucune thérapie efficace n’est disponible.Une approche thérapeutique potentielle est le développement de molécules prodrogues de la créatine plus lipophiles qui franchiront les membranes cellulaires de façon passive et la recherche d’une formulation galénique susceptible d’emmener la prodrogue vers les cellules cibles d’intérêt, les neurones. Ainsi, dans cette thèse, nous proposons une nouvelle voie de synthèse originale d’esters de la créatine à longue chaîne aliphatique. Ces composés présentent des propriétés pharmacologiques intéressantes : nous montrons qu’il existe une relation de structure-activité entre la taille de la chaîne aliphatique (et donc la lipophilie) et la capacité de la molécule à être internalisée dans les cellules endothéliales cérébrales, astrocytaires et neuronales, constituant l’unité neurovasculaire. Il ressort de nos observations expérimentales que l’ester dodécylique de créatine est le meilleur candidat médicament. De plus, après avoir été internalisé dans les fibroblastes des patients présentant un déficit fonctionnel du transporteur de la créatine, l’ester dodécylique subit une conversion par les estérases cellulaires, libérant ainsi la créatine dans le compartiment intracellulaire.La formulation galénique permettant de protéger ces esters de créatine jusqu’au cerveau repose, elle, sur la nanovectorisation, par encapsulation de l’ester dodécylique de créatine dans des NanoCapsules Lipidiques. L’avantage de cette formulation est de permettre également un ciblage actif vers la Barrière Hémato-Encéphalique, obstacle majeur dans le développement de thérapies ciblant le Système Nerveux Central. Nos observations expérimentales mettent en exergue cette double stratégie thérapeutique pour le traitement du déficit en transporteur de la créatine.Ce travail a été soutenu financièrement par la Fondation Lejeune. / Creatine transporter deficiency is a rare brain disease associated with the loss of function of the SLC6A8 (creatine transporter) leading to an absence of creatine at the cerebral level and to a dramatic neurodevelopmental retardation in the children. To date, no effective therapy is available.A potential therapeutic option would be the design of a pharmaceutical formulation of lipophilic prodrugs of creatine that will cross the cell membranes passively and target the neurons in order to restore the creatine content inside these cells.One of the main purposes of this dissertation is to propose an original chemistry synthesis process of creatine esters with long aliphatic chain. These compounds show interesting pharmacological properties of structure-activity relationship between the length of the aliphatic chain (i.e. lipophilicity) and the ability for the drug to enter cerebral endothelial, astroglial and neuronal cells. According to our experimental observations, the dodecyl ester creatine seems to be the best drug candidate. Moreover, the dodecyl ester is acted on by cellular esterases inside patients’ fibroblasts with a functional deficit of the SLC6A8 and increases the intracellular creatine content.The pharmaceutical formulation developed in this study consists by incorporation of dodecyl ester inside a nanovector (Lipid NanoCapsules). Two main advantages can be gained by nanovectorization: firstly, the dodecyl ester is protected from the degradation by plasmatic esterases before reaching the brain. Secondly, the nanovectorization strategy is highly valuable to brain targeting bypassing the blood-brain barrier, which remains until now a major impediment in the drug design for the Central Nervous System. Our experimental observations highlight this two-step therapeutic strategy for the treatment of deficiency of the creatine transporter.This work was financially supported by the International PhD Program of the Life Sciences division of the CEA and the Fondation Jérôme Lejeune.

With the emergence of novel and more effective drug therapies, increased importance is being placed upon the methods by which these drugs are being delivered to the body. In conventional drug delivery systems, there is very little control over the release of drug. The effective concentration at the target site can be achieved by intermittent administration of grossly excessive doses, which, often results in constantly, unpredictable variations in plasma concentrations, with the risk of reaching levels below or above the therapeutic range leading to marked side effects. A plethora of formulation strategies mainly based on polymeric/lipid nanoparticles, are described in literature. Even though these systems are therapeutically advantageous in comparison to conventional systems, they remain insensitive to the changing metabolic states of the body although the symptoms of most metabolic diseases follow a rhythmic pattern.A more appropriate and effective approach of managing some of these conditions lies in the chronotherapy. This approach allows for pulsed or self-regulated drug delivery which is adjusted to the staging of biological rhythms, since the onset of certain diseases exhibits strong circadian temporal dependence. In order to reach the objective of mimicking the biophysical and biochemical processes of pathological states, many innovations in material design for drug delivery systems (DDS) that are able to release the therapeutic payload-on-demand were done to release the therapeutic agent only when it is required, according to the physiological need. The development of multidisciplinary research teams has brought huge advantages in the design, fabrication and utilization of such smart systems, especially in the pharmaceutical field. Interestingly, numerous smart polymeric materials exhibit a response to a specific stimulus. A step further, the elaboration of purpose-built monomers can give rise to compounds with tunable sensitivities or multi-stimuli responsiveness. These smart polymers demonstrate an active responsiveness to environmental (or external) signals and change their physicochemical properties as designed (e.g. conformation, solubility, shape, charge or size). As far as the stimuli are concerned, they consist of physical (e.g. temperature, ultrasound, light, electricity, magnetic or mechanical stress), chemical (e.g. pH, ionic strength) and biological signals (e.g. enzymes, biomolecules). Due to the intrapersonal variabilities which may make internal stimuli hazardous, externally controlled systems rely on externally applied stimuli that are produced by stimuli-generating devices, which results in pulsed drug delivery. This type of delivery may be rapid and allows a transient release of a determined amount of drug within a short period of time immediately after a pre-determined off-release period. A novel strategy for the formation of multi-stimuli responsive materials endowed with pH, magnetic and light sensitivity was achieved. The approach relied on the incorporation of magnetic tetrahalogenoferrate(III) anions along a polymeric backbone based on poly(2-(N,N-dimethylamino) ethyl meth-acrylate) (PDMAEMA). Starting from the same PDMAEMA, quaternized pending amine groups with various halide derivatives gave rise to magnetic materials after anion metathesis. Measuring the magnetic susceptibility of these materials exhibited that the magnetic susceptibility increased as the substituted group size decreased (become smaller) which was apparently related to the steric hindrance around the ionic pendants. Additionally, a good correlation between the magnetic susceptibility and ferric content was found. Additional experimental and theoretical Raman analyses allowed the determination of the nature of the magnetic species constituting the materials. This strategy further offers the opportunity to tailor the magnetic response through partial ammonium salt formation. In order to merge the magnetic properties of ferric-based materials with another stimuli-responsive functionality, random copolymers containing DMAEMA (D) with diazobenzene (A) unit were prepared. So, three copolymers PDA were synthesized (with targeted D/A ratios 4/6 (PDA4), 6/4 (PDA6) and 8/2 (PDA8)). Meanwhile, different degrees of amine quaternization (10, 50 and 100 %) were applied, which led to the following polymeric salts PDAX/Y where X = 4, 6, 8 (referring to the percentage of the DMAEMA unit) and Y = 10, 50 and 100 (referring to the percentage of quaternized amine groups). Finally, the aforementioned materials were converted into magnetic polymers by anion exchange. As a result, magnetic responses correlated well with amount of iron oxide in these compounds and the amount of ionic pending groups along the backbone. Moreover, the remaining tertiary amines conferred pH sensitivity to the polymers whereas the diazobenzene units ensured light responsiveness through the well-established trans-to-cis isomerization.In order to functionalize these materials in the pharmaceutical field, an intelligent delivery system was prepared. Firstly, an attempt to formulate riboflavin-5’-phosphate sodium (RPS) loaded on PDA8 microspheres was made using double emulsion evaporation method. Meanwhile, prednisolone (PRD) microspheres were prepared using s/o/w emulsion technique. Subsequently, coating systems of cochineal red tablets were developed. These tablets were coated with polymer solution (using each of three types of copolymers: PDA8, PDA6, and PDA4) until the desired percentage of the coating was achieved (10, 15, and 20 % w/w). The cumulative release profiles of cochineal red tablets coated with PDA8, PDA6, and PDA4 showed a pH-sensitive release behavior. The release in the neutral media (pH ≈ 7.0) was very slow (less than 3 % after one hour). Then, after changing the pH to 1.2, an increase in the release of cochineal was observed. Furthermore, the cumulative release of cochineal red was at the highest value for the PDA8 and the lowest for PDA4 depending on the percentage of PDMAEMA moieties. Moreover, by increasing the percentage of the coating from (10, 15 to 20 % w/w), the cumulative release of cochineal decreased. Therefore, the copolymer PDAX can be used for controlling the release of drug by changing the pH value.Finally, the cochineal tablets coated with PDA6 (10 %) showed features of light sensitivity. The release of cochineal red from coated tablets was only due to the switching in the conformational trans/cis isomerization of azobenzene moieties upon irradiation, which was confirmed by comparing the release of coated tablets with uncoated tablets upon irradiation. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Lung cancer is the deadliest cancer in the world, with a global 5-year survival rate of about 15%. Despite a notable impact of the latest improvements in prevention, screening, detection and staging, the efficacy of conventional treatments is not sufficient and has reached a therapeutic plateau. These conventional treatments involve a combination of surgery, radiotherapy (RT) and chemotherapy (CT). CT is used in almost all stages: in operable and inoperable stages to limit tumour cell invasion and in latest stages as a palliative treatment. Cisplatin is one of the most frequently used and most potent drugs available. It is administered by parenteral route at doses limited by its high and cumulative nephrotoxicity but also by other systemic toxicities (e.g. ototoxicity). Its administration therefore requires many precautions (long hydration procedure, surveillance of the renal function), which mobilize medical personnel. A major limitation of parental CT is the low concentration of drug that successfully reaches the tumour or the metastases. A potential additional modality could be aerosolized CT to localize lung cancer treatment. It has shown a relative local tolerance for cisplatin through preclinical and clinical studies in humans by means of nebulized solutions or liposomal formulations. As a local treatment, aerosolized CT has a clear pharmacokinetic (PK) advantage, as it can increase local exposure while decreasing systemic exposure. However, because CT drugs, such as cisplatin, are active at rather high doses (in the mg range), the duration of administration from nebulizers is very long as it depends on the drug solubility or on drug encapsulation into liposomes. They also pose a high risk of environmental contamination and require HEPA-filtrated hoods during the nebulization procedure. Of all the inhalation devices available to deliver high drug doses, dry powder inhalers (DPIs) were chosen in this work. These were chosen to circumvent the above issues by providing higher deposited doses, in very short timeframes, using a patient-driven device that could help limit environmental exposure to only very low levels of drug. DPI in general also have the advantage of being applicable to both poorly-water-soluble and to water-soluble anticancer drugs. However, because direct deposition of high quantities of anticancer drugs to the lung parenchyma could pose a high risk of local irritation and pulmonary adverse effects, controlled release (CR) of cisplatin from deposited particles in the lung parenchyma was needed. However, in the lungs, foreign undissolved particles are rapidly eliminated by means of naturally occurring clearance mechanisms, in particular macrophage uptake in the alveoli. Therefore, formulation strategies able to limit the particles clearance are needed to assure high lung residence of these CR particles. The formulation strategy of this work was to develop DPI formulation based on solid-lipid microparticles (SLM) able to (i) be deposited into the lung, (ii) control the release of cisplatin and (iii) escape macrophage uptake in order to remain in the lung long enough and at a concentration able to optimize the therapeutic index (i.e. increase the potential therapeutic effect and decrease the potential side effects).The primary objectives of the SLM-based DPI formulations were to (i) exhibit aerodynamic properties compatible with lung cancer patients abilities and cisplatin requirements (e.g. a high deposited fraction, high deagglomeration abilities under low airflow within a low-resistance DPI, deposition in the mg range), (ii) provide a CR matrix for cisplatin in vitro, (iii) be able to be retained into the lung long enough in vivo, (iv) using scalable production techniques and (v) using only potentially well-tolerated excipients.Cisplatin was initially reduced to microcrystals under high-pressure homogenization (HPH) cycles up to 20 000 psi. This procedure permitted uncoated particles with mean diameters below 1.0 μm to be obtained. To assess the cisplatin release abilities of the DPI formulations on the deposited fraction only, a new dissolution test was adapted. This test used a classical paddle apparatus from the pharmacopoeia and a Fast Screening Impactor (FSI). An excipient-free formulation, obtained from the spray dried suspension of cisplatin microcrystals (100% cisplatin) was initially produced. It was compared to a 95:5 cisplatin/tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS) formulation, which exhibited a higher deposition ability (fine particle fraction (FPF) of 24.2 vs. 51.5% of the nominal dose, respectively). Both exhibited immediate release (IR), with 90% dissolved under 10 minutes.Solid lipid microparticle (SLM)-based formulations were then produced using the cisplatin microcrystalline suspension and various lipid excipients. Those had previously been screened for their ability to be spray dried following their solubilisation in heated isopropanol. The addition of a triglyceride, tristearin (TS), as the main lipid component and if necessary a polyethylene glycol (PEG) excipient-comprising fraction with TPGS or distearoyl phosphoethanolamine polyethylene glycol 2000 (DSPE-mPEG-2000) as a surface modifier, provided spray dried particles with interesting characteristics. These formulations, comprised of at least 50% cisplatin, exhibited high CR abilities in simulated lung fluid at 37°C for more than 24 h (as low as 56% released after 24 h) and a low burst-effect (as low as 24% and 16% after 10 minutes with and without PEGylated excipients, respectively). They also showed high aerodynamic properties, with a high FPF ranging from 37.3 to 50.3% w/w of the nominal dose and a low median mass aerodynamic diameter (MMAD) between 2.0 and 2.4 μm. The process also offered high production yields (> 60%).The best IR DPI formulation (evaluated on the FPF, i.e. cisplatin/TPGS 95:5) and the most promising CR formulations without (i.e. cisplatin/TS 50:50) and with PEGylated excipients (evaluated on CR abilities, i.e. cisplatin/TS/TPGS 50:49.5:0.5) were then administered to CD 1 mice, concurrently to endotracheal nebulization (EN) of a cisplatin solution. This was done using specific endotracheal devices, the Penn-Century Inc. DP-4M© Dry Powder Insufflatorn and for the cisplatin solution, the Microsprayer™ IA-1C©. They were compared to intravenous (IV) injection during a PK study over 48 hours. The administration of DPI formulations required the development of a spray dried diluent (Mannitol:Leucine 10:1) and specific dilution method (3D mixing for 4 hours and double-sieving) to be able to deliver precise and repeatable quantities of powder into the lungs of mice at 1.25 mg/kg dose. A PK study was carried out of the lungs, blood, kidneys, liver, mediastinum and spleen of the mice. The study used a developed and validated electrothermal atomic absorption spectrometry (ETAAS) method. Results showed that endotracheal administration of DPI formulations permitted the exposure of the lungs to cisplatin, expressed as the area under the curve (AUC) to be greatly increased while decreasing the systemic exposure. More precisely, the only formulation that exhibited prolonged lung retention was the one comprising PEGylated excipient (cisplatin/TS/TPGS 50:49.5:0.5), which was observed for ~7 hours. This lung retention was associated with smoother concentration vs. time profiles in blood (higher tmax and lower Cmax), which also confirmed its CR abilities in vivo as dissolved cisplatin is a highly permeable drug. The overall exposure, established by the AUC, helped calculate the target efficiency (Te: the ratio of AUC in the lungs to the sum of AUC in non-target organs) and the target advantage (Ta: ratio of AUC in the lungs by the tested route to the AUC in the lungs by the IV route). For instance, the Ta of the aforementioned formulation (cisplatin/TS/TPGS 50:49.5:0.5) was of 10.9, as compared to 1 for IV, 3.3 for EN, 2.6 for the IR DPI formulation (cisplatin/TPGS 95:5) and 3.7 for the non-PEGylated CR DPI formulation (cisplatin/TS 50:50). In the meantime, the Te for the same formulations were 1.6, 0.09, 1.1, 0.4 and 0.9, respectively, showing again the great efficiency of the inhaled route vs. the IV route in targeting the lungs. More importantly, it showed the added efficiency of the CR DPI formulation with lung retention abilities, provided by the addition of PEGylated excipients. In the last part of the work, maximum tolerated doses (MTD) of formulations were established. These showed that the best candidate, selected based on the PK results (CR DPI with lung retention abilities composed of cisplatin/TS/TPGS 50:49.5:0.5) had better overall tolerance than IR approaches (DPI formulation at cisplatin/TPGS 95:5 and EN of a cisplatin solution). More precisely, it was possible to double the administered dosage for the CR formulation (1.0 mg/kg) vs. the IR DPI and EN (both at 0.5 mg/kg) under a repeated administration scheme (3 times a week for 2 weeks).Moreover, an assessment of the lung tolerance of this best candidate was realized and compared to the IR DPI, EN and the IV route. It was done through analysis of the broncho-alveolar lavage fluid (BALF) 24 hours following a single administration at the pre-determined MTD. IL-1β, IL-6 and TNF-α cytokines were not increased following the administrations. No evidence of tissue damage or cytotoxicity could be observed through quantification of the protein content and of lactate dehydrogenase (LDH) activity. The only observations were a decrease in total cells and an increase in polynuclear neutrophils (PN) cells in the BALF, which was not observed by IV or following the administration of the vehicle of the CR formulation alone (i.e. PEGylated SLM and dry diluent). This increase was not directly linked to the formulation but rather to cisplatin, as it was observed in each cisplatin inhalation experiments, and not with the vehicle of the CR formulation, which was comparable to the non-treated mice.In parallel, we realized a survival study following the administration of the best DPI formulation candidate (cisplatin/TS/TPGS 50:49.5:0.5) vs. the IR DPI candidate (cisplatin/TPGS 95:5), both at their respective MTD under the aforementioned repeated dosing scheme. Cisplatin was administered to mice bearing a grafted orthotopic M109-HiFR lung tumour model, previously developed in the laboratory. The DPI formulations were evaluated against IV administration at each dose (0.5 and 1.0 mg/kg, respectively). This study first confirmed the lower toxicity of the CR approach, as the IR DPI formulation caused a much higher number of deaths during treatment of the grafted mice. The CR formulation administered at 1.0 mg/kg showed a higher survival than the negative control but a tumour response comparable to IV administered at half this dose (0.5 mg/kg). This unexpected outcome with regard to the PK results is explained by the fact that the tumour model is highly metastatic. Mice treated with inhaled formulations died due to distant tumour involvement, while those treated systemically died due to pulmonary tumour involvement. This led us to believe that this kind of treatment may have greater potential in combination, adjuvant to the parenteral route.This work helped establish the proof-of-concept of a cisplatin CR DPI formulation with an up-scalable process. The SLM approach confirmed that encapsulation of drugs exhibiting low solubility, such as cisplatin, was possible using highly hydrophobic excipients and that surface modification was mandatory to provide notable lung retention in vivo. The SLM approach showed good signs of tolerance during the exploratory study but still needs to be confirmed under a chronic scheme using other determinants such as histopathological analyses of the lung tissue. Moreover, comparison of the nephrotoxicity of formulations against that of the IV route should be conducted with appropriate and sensitive methods. Finally, the survival study of the CR DPI formulation showed mitigated results, partly because of the orthotopic model characteristics. This could be proof that inhaled CT has a role to play combined with classical systemic CT. This needs to be assessed in a further study.Le cancer du poumon est le cancer ayant le taux de mortalité le plus élevé au monde, avec un taux de survie global à 5 ans d'environ 15%. Malgré un impact notable des dernières améliorations en matière de prévention, de dépistage, et de classification du cancer du poumon, l'efficacité des traitements classiques n'est toujours pas suffisante et semble avoir atteint un plateau thérapeutique. Ces traitements classiques comprennent de la chirurgie, de la radiothérapie et de la chimiothérapie, le plus souvent en combinaison. La chimiothérapie est utilisée à presque tous les stades: dans les stades opérables et inopérables afin de limiter l'invasion par les cellules tumorales jusqu’aux derniers stades en tant que traitement palliatif. Le cisplatine est l'un des médicaments anticancéreux les plus fréquemment utilisés et les plus puissants actuellement disponibles. Il est administré par voie parentérale à des doses qui sont limitées par sa néphrotoxicité élevée et cumulative mais également par d'autres toxicités systémiques (par exemple, de l'ototoxicité). Son administration nécessite donc de nombreuses précautions (longue procédure d'hydratation, surveillance de la fonction rénale), ce qui mobilise fortement le personnel médical. Une limitation importante de la chimiothérapie parentérale est la faible concentration d’actif qui atteint avec succès la tumeur ou les métastases. Une autre voie d’accès potentielle pourrait être la chimiothérapie inhalée pour traiter le cancer du poumon. Cette approche a montré une relativement bonne tolérance locale pour le cisplatine à travers différentes études précliniques et cliniques chez l'homme au moyen de solutions ou de formulations liposomales nébulisées. En tant que traitement via la voie pulmonaire, la chimiothérapie inhalée présente un avantage pharmacocinétique évident, car elle permet d’augmenter l'exposition locale tout en diminuant l'exposition systémique. Cependant, du fait que les médicaments chimiothérapeutiques, tels que le cisplatine, soient actifs à des doses relativement élevées (dans la gamme du mg), la durée d'administration à partir des nébuliseurs s’avère en pratique très longue car elle dépend principalement de la solubilité de l’actif ou de son encapsulation dans les liposomes. Les nébuliseurs présentent également un risque élevé de contamination de l'environnement et nécessitent de lourds appareillages (hottes filtrantes en particulier) pendant la procédure d’administration.Parmi tous les dispositifs d'inhalation existants, capables de délivrer des doses élevées de médicaments, les inhalateurs de poudre sèche (DPI) semblent être de bons candidats. Ceux-ci ont été choisis dans ce travail afin de contourner les problèmes énumérés ci-dessus, en fournissant des doses pulmonaires plus élevées, dans des délais très courts. De plus, ces dispositifs sont activés par le flux inspiratoire du patient, ce qui pourrait aider à limiter l'exposition environnementale à des niveaux très faibles. Les inhalateurs à poudre sèche présentent également l'avantage d'être utilisables à la fois avec des médicaments solubles et des médicaments peu solubles dans l’eau. Malgré tout, étant donné que la déposition directe de quantités élevées de médicaments chimiothérapeutiques dans le parenchyme pulmonaire pourrait présenter un risque élevé d'irritation et d'effets indésirables locaux, une libération contrôlée du cisplatine à partir de particules déposées dans le parenchyme pulmonaire s’avère nécessaire. Cependant, dans les poumons, ces particules non dissoutes d’origine étrangère sont rapidement éliminées par les mécanismes d’élimination, en particulier par la clairance par les macrophages au niveau des alvéoles. Par conséquent, des stratégies de formulation capables de limiter la clairance des particules sont nécessaires pour assurer une résidence pulmonaire élevée de ces particules à libération contrôlée.La stratégie de formulation de ce travail a donc consisté à développer une formulation pour inhalateur à poudre sèche à base de microparticules lipidiques solides capable de (i) être déposées dans le poumon, (ii) de contrôler la libération du cisplatine et (iii) de rester dans le poumon suffisamment longtemps dans le but d’optimiser l'indice thérapeutique (c'est-à-dire augmenter le potentiel thérapeutique du cisplatine et diminuer ses potentiels effets secondaires).Les objectifs principaux des formulations basées sur les microparticules lipidiques solides étaient (i) de présenter des hautes charges en cisplatine au sein des microparticules lipidiques tout en présentant des propriétés aérodynamiques compatibles avec la capacité pulmonaire des patients atteints de cancer du poumon (par exemple, une fraction déposée élevée et une capacité élevée à la désagglomération sous faible débit d'air dans un inhalateur de faible résistance), (ii) de fournir une matrice capable de libérer le cisplatine de manière contrôlée in vitro, (iii) d’être capable de rester dans le poumon suffisamment longtemps in vivo, tout cela (iv) en utilisant des techniques de production ayant une bonne capacité d’augmentation d’échelle et (v) de n’utiliser que des excipients potentiellement bien tolérés au niveau du poumon.Le cisplatine a été initialement réduit sous forme microcristalline à l’aide de cycles d'homogénéisation à haute pression jusqu'à 20 000 psi. Cette procédure a permis d'obtenir des particules non enrobées ayant un diamètre moyen inférieur à 1.0 μm. Afin d’évaluer les capacités de libération du cisplatine des formulations à partir de la fraction capable théoriquement de se déposer dans les poumons, un nouveau test de dissolution a été adapté à partir d’un appareil à palettes classique de la pharmacopée et d’un impacteur à cascade « Fast Screening Impactor ». Une formulation sans excipient, obtenue à partir de la suspension de cisplatine, soumise à la technique de séchage par l’atomisation (100% de cisplatine) a été produite comme point de départ. Celle-ci a ensuite été comparée à une formulation de cisplatine/tocophéryl polyéthylène glycol succinate (TPGS) (95:5), qui présentait une capacité de déposition pulmonaire in vitro (fraction de particules fines (FPF) de 24.2% pour la première et de 51.5% pour la deuxième, exprimée par rapport à la dose nominale). Toutes deux ont démontré des capacités de libération immédiate, avec 90% du cisplatin dissous en moins de 10 minutes.D’autres formulations, cette fois élaborées sous la forme de microparticules lipidiques solides ont ensuite été produites à partir de la suspension microcristalline de cisplatine et de divers excipients lipidiques. Ces microparticules avaient préalablement été testées pour leur aptitude à être séchées par atomisation après solubilisation des excipients dans de l'isopropanol chaud. L’ajout d’un triglycéride, la tristéarine (TS), comme excipient lipidique principal et également d’une fraction comprenant un excipient contenant du polyéthylène glycol (PEG), à l’aide de TPGS ou de distéaroyl phosphoéthanolamine polyéthylène glycol 2000 (DSPE-mPEG-2000) a montré des résultats intéressants. Ces formulations, ayant une teneur en cisplatine d’au moins 50%, ont présenté des aptitudes élevées pour la libération contrôlée dans le fluide pulmonaire simulé in vitro à 37 °C, et ce, pendant plus de 24 h (jusqu'à 56% libérées après 24 h) ainsi qu’un faible « burst-effect » (de seulement 24% et 16% après 10 minutes avec et sans excipients PEGylés, respectivement). Elles ont également montré des propriétés aérodynamiques élevées, avec une FPF élevée allant de 37.3 à 50.3% m/m par rapport à la dose nominale et un diamètre aérodynamique compris entre 2.0 et 2.4 μm. Le meilleur candidat à libération immédiate (évaluée sur base de la FPF, soit la formulation cisplatine/TPGS 95:5 m/m) et les formulations à libération contrôlée les plus prometteuses n’incluant pas d’excipients PEGylés (cisplatine/TS 50:50 m/m) et incluant des excipients PEGylés (évalués sur les capacités de libération contrôlée, c'est-à-dire la formulation cisplatin/TS/TPGS 50:49.5:0.5 m/m/m) ont ensuite été administrées à des souris CD-1, en comparaison d’une nébulisation endotrachéale d'une solution de cisplatine. Ceci a été fait à l’aide de dispositifs endotrachéaux dédiés aux poudres pour le DP-4M© « Dry Powder Insufflator » et aux solutions pour le Microsprayer™ IA-1C© de Penn-Century. Ces formulations ont été comparées à l'injection intraveineuse (IV) au cours d’une étude pharmacocinétique étendue sur 48 heures.L'administration de formulations de poudres sèches pour inhalation a nécessité le développement préalable d'un diluant par atomisation (Mannitol:Leucine 10:1 m/m) ainsi que d’une méthode de dilution des poudres (mélange tridimensionnel pendant 4 heures et suivi d’un double-tamisage) afin de pouvoir délivrer des quantités précises et répétables de poudre dans les poumons de souris à la dose d’1.25 mg/kg. Le suivi des paramètres pharmacocinétiques a ainsi pu être réalisé au niveau des poumons, du sang, des reins, du foie, du médiastin et de la rate des souris. Ceci a été fait à l’aide d’une méthode de spectrométrie d'absorption atomique électrothermique, qui a été préalablement développée et validée. Les résultats obtenus ont montré que l'administration endotrachéale de formulations de poudres sèches permettait d’augmenter fortement l'exposition des poumons par le cisplatine, exprimée en aire sous la courbe (AUC) tout en diminuant l'exposition systémique. Plus précisément, la seule formulation présentant une rétention pulmonaire prolongée était celle qui comprenait un excipient PEGylé (cisplatine/TS/TPGS 50:49.5:0.5 m/m/m), ce qui a été observé pendant environ 7 heures. Cette rétention pulmonaire a été associée à des profils de concentration en fonction du temps plus réguliers dans le sang (tmax supérieur et Cmax inférieur), ce qui a également confirmé ses capacités de libération contrôlée in vivo car la perméabilité de l’épithélium pulmonaire pour le cisplatine dissous s’est avérée très élevée. L'exposition globale établie à partir de l’AUC a permis de calculer l’efficacité de ciblage (Te: rapport de l'AUC mesurée dans les poumons et de la somme des AUC mesurées dans les organes non cibles) et l’avantage du ciblage (Ta: rapport de l’AUC mesuré dans les poumons suite à l’administration pulmonaire et de l'AUC mesurée dans les poumons suite à l’administration par la voie IV). Par exemple, le Ta de la formulation décrite ci-dessus (cisplatine/TS/TPGS 50:49.5:0.5 m/m/m) était de 10.9, comparativement à 1 pour l’IV, 3.3 pour la nébulisation endotrachéale, 2.6 pour la formulation de poudre sèche à libération immédiate (cisplatine/TPGS 95:5 w/w) et 3.7 pour la formulation de poudre sèche à libération contrôlée ne comprenant pas d’excipient PEGylé (cisplatine/TS 50:50). Dans le même temps, le Te mesuré pour les mêmes formulations était de 1.6, 0.09, 1.1, 0.4 et 0.9, respectivement, démontrant également le rendement élevé de la voie inhalée par rapport à la voie IV dans sa capacité à cibler les poumons. Plus important encore, ceci a démontré le grand avantage des capacités de rétention pulmonaire de la formulation à libération contrôlée comprenant un excipient PEGylé.Dans la dernière partie de ce travail, les doses maximales tolérées (DMT) des formulations ont été déterminées. Le meilleur candidat, choisi en fonction des résultats de pharmacocinétique (formulation à libération contrôlée ayant des capacités de rétention pulmonaire composé de cisplatine/TS/TPGS 50:49.5:0.5 m/m/m), avait une meilleure tolérance globale que les deux approches à libération immédiate testées (formulation de poudre sèche cisplatine/TPGS 95:5 et la nébulisation endotrachéale d'une solution de cisplatine). Plus précisément, il s’est avéré possible de doubler le dosage administré pour la formulation à libération contrôlée (1.0 mg/kg) par rapport à la poudre sèche à libération immédiate et à la nébulisation endotrachéale (toutes les deux à 0.5 mg/kg) suivant un schéma d'administration chronique (3 fois par semaine pendant 2 semaines). De plus, une évaluation de la tolérance pulmonaire de cette formulation à libération prolongée a été réalisée et comparée à la poudre sèche à libération immédiate, à la nébulisation endotrachéale et à la voie IV. Elle a été réalisée par analyse du liquide provenant du lavage broncho-alvéolaire, 24 heures après une administration unique à la dose maximale tolérée préalablement déterminée pour chaque formulation. Aucune augmentation des cytokines IL-1β, IL-6 et TNF-α n’a pu être détectée à la suite des administrations. Aucunes preuves de lésion tissulaire ou de cytotoxicité n'ont pu être observées au travers du dosage de la teneur en protéines totale et de l'activité de la lactate déshydrogénase. Les seules observations qui ont pu être faites ont été une diminution des cellules totales et une augmentation des polynucléaires neutrophiles dans le lavage broncho-alvéolaire, ce qui n'a pas été observé suite à l’administration IV ou après l'administration du véhicule de la formulation à libération contrôlée seul (c'est-à-dire les microparticules lipidiques solides PEGylées et le diluant). Cette augmentation ne semble pas liée aux microparticules lipidiques solides ou au diluent mais probablement à l’exposition pulmonaire au cisplatine, car cette augmentation a été observée pour chaque groupe inhalé contenant du cisplatine. Le cisplatine a ensuite été administré à des souris qui ont été greffées de manière orthotopique par une lignée murine de carcinome pulmonaire M109-HiFR, modèle préclinique préalablement développé au sein de notre laboratoire. Les formulations de poudres sèches ont été évaluées par rapport à l'administration IV à chaque dose testée (0.5 et 1.0 mg/kg, respectivement). Cette étude a d'abord confirmé la toxicité plus faible de l'approche à libération contrôlée, car la formulation à libération immédiate a causé un nombre beaucoup plus élevé de décès pendant le traitement des souris greffées. La formulation à libération contrôlée administrée à 1.0 mg/kg, a montré une survie plus élevée que le contrôle négatif, mais une réponse comparable à la dose IV administrée à la moitié de la dose (0.5 mg/kg). Ce résultat inattendu par rapport aux résultats de l’étude pharmacocinétique s'explique probablement par le fait que le modèle de tumeur utilisé est hautement métastatique. Les souris traitées avec des formulations inhalées sont mortes en raison de tumeurs secondaires distantes par rapport à la tumeur primaire implantée au niveau du poumon, alors que celles traitées par la voie systémique sont mortes en raison d’un envahissement tumoral pulmonaire. Cela nous amène à penser que ce type de traitement inhalé pourrait avoir un plus grand potentiel en combinaison à la voie parentérale. Ce travail a ainsi permis d’établir la preuve du concept de formulation à base de poudre sèche de cisplatine à libération contrôlée, en utilisant un processus de fabrication capable de subir une mise à l’échelle industrielle. L’utilisation de microparticules lipidiques solides a confirmé que l'encapsulation d’actifs présentant une certaine hydrophilie, comme le cisplatine, était possible en utilisant des excipients hautement hydrophobes et qu'une modification de leur surface était cependant obligatoire pour obtenir une rétention pulmonaire intéressante in vivo. Les microparticules lipidiques solides ont montré de bons signes de tolérance au cours de l'étude exploratoire, mais celle-ci doit encore être confirmée avec une administration chronique des poudres. Ceci doit être fait en suivant des paramètres supplémentaires, tels que des analyses histologiques du tissu pulmonaire. De plus, la comparaison de la néphrotoxicité des formulations avec celle mesurée par la voie IV doit être effectuée avec des méthodes appropriées et sensibles. Enfin, l'étude de survie de la formulation à libération prolongée a montré des résultats mitigés, en partie à cause des caractéristiques du modèle orthotopique de tumeur pulmonaire. Cependant, il semblerait que la chimiothérapie inhalée à un rôle important à jouer en combinaison avec la chimiothérapie systémique classique. Ceci doit être évalué dans une étude future. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished