A asma é definida como uma doença inflamatória crônica de caráter multifatorial, caracterizada pela obstrução reversível das vias aéreas, denso infiltrado inflamatório e hiper-reatividade brônquica a estímulos externos. Clinicamente, a doença é marcada por sintomas episódicos de dispneia, sibilo, tosse seca e sensação de aperto no peito. A terapia convencional da asma compreende o uso de anti-inflamatórios e broncodilatadores. A budesonida é um glicocorticoide esteroide e é dos fármacos mais utilizados na terapêutica da asma. No entanto, a budesonida apresenta baixa biodisponibilidade oral e o uso prolongado pode levar a efeitos adversos graves como afinamento da pele e supressão adrenocortical. No desenvolvimento de novas formulações, a avaliação da toxicidade é de extrema importância. Por conseguinte, o uso de cultura celular é de grande valia no desenvolvimento de protocolos para avaliação da toxicidade de novas formulações. Adicionalmente, a nanotecnologia é uma ferramenta importante para resolver problemas de biodisponibilidade e para contornar efeitos adversos da terapêutica convencional. Desta forma, o objetivo desta tese foi desenvolver um novo sistema nanoestruturado na forma de pó seco para inalação (Dry powders inhalers – DPI), obtido por aspersão contendo budesonida encapsulada, visando o tratamento da asma aguda e crônica. Essa proposta foi baseada na obtenção de um sistema pulverulento nanoestruturado com tamanho reduzido e controlado, visando a entrega pulmonar da budesonida. Na etapa de pré-formulação foi realizado um estudo fatorial avaliando diferentes métodos de preparação das nanocápsulas e os adjuvantes de secagem utilizados. As análises de tamanho de partícula, da formulação selecionada (nanocápsulas contendo budesonida e secas por aspersão com leucina) mostraram um tamanho reduzido e adequado para a administração pulmonar (2,7 μm). A morfologia demonstrou que estas partículas possuem um tamanho reduzido, forma esférica e superfície irregular, características importantes para a administração pulmonar. Quando analisada a distribuição pulmonar in vitro, em Impactador de Andersen, a formulação apresentou uma fração de partículas finas (Fine Particle Fraction – FPF) de 28%. Analisando os resultados dos experimentos em modelos de asma aguda e crônica induzidos por ovalbumina, os resultados da mecânica respiratória e função pulmonar mostraram uma diminuição na resistência e na elastância pulmonar, quando a budesonida nanoencapsulada foi utilizada, quando comparada com uma formulação comercial de budesonida, nas duas doses utilizadas (0,5 e 1,0 mg/Kg). Esse tratamento com nanocápsulas também mostrou eficiência na redução da inflamação, pela redução do número de leucócitos totais no fluido de lavagem bronco alveolar (Broncho Alveolar Lavage Fluid – BALF) e, principalmente, redução significativa no número dos eosinófilos no infiltrado pulmonar. Corroborando esses resultados, a quantificação da eotaxina – 1 e das citocinas pró-inflamatórias foram reduzidas, quando comparadas ao tratamento comercial. A análise histopatológica mostrou que quando o tratamento com as nanocápsulas foi utilizado, a produção de muco foi reduzida, bem como a produção de fibrose sub-epitelial, sugerindo um possível efeito sobre o remodelamento tecidual. Os resultados de toxicidade utilizando linhagem celular epitelial pulmonar (H441) mostrou uma redução na toxicidade da budesonida, quando encapsulada nas nanopartículas, tanto na forma de suspensão como na forma pulverulenta. Essa redução da toxicidade foi de 75% e de 50%, na dose de 100 μg/mL, para a suspensão e para o DPI, respectivamente. O conjunto dos resultados obtidos mostrou a potencial aplicabilidade da budesonida nanoencapsulada para o tratamento da asma, utilizando esse novo sistema DPI. / Asthma is characterized as a chronic inflammatory disease developed by multifactorial aspects such as genetic predisposition and exposure to environmental factors such as pollution, smoke and microorganisms. The conventional asthma therapy comprises the use of bronchodilators and anti-inflammatory. Budesonide is a glucocorticoid and is the most frequently used therapy in the treatment of asthma. However, this drug has low oral bioavailability and long term use may lead to adverse effects such as skin thinning and adrenal suppression. The evaluation of the toxicity of new formulation has critical role in the pharmaceutical development. The use of cell culture experiments can help this aspect. Additionally, nanotechnology is an important tool to solve problems regarding bioavailability and to circumvent adverse effects of conventional therapy. The aim of this work was to develop a nanostructured system as dry powder inhaler (DPI) containing budesonide loaded, obtained by spray-drying, targeting the treatment of acute and chronic asthma. This proposal was based on obtaining a nanostructured powder system with reduced and controlled size, aiming an alternative to treatment of asthma. A factorial study comparing different methods to produce the nanocapsules as well as the type of drying adjuvants was performed. The particle size of the selected formulation was 2.7 μm, an adequate reduced size suitable for pulmonary administration. The morphology of these particles showed a small size, spherical shape and irregular surface. All these characteristics are important for pulmonary administration. When analyzed the in vitro pulmonary distribution of the DPI, using an Andersen Cascade Impactor, showed a fine particle fraction (FPF) of 28%. Analyzing the results of the biological experiments, the mechanical respiratory and pulmonary function showed a decrease in lung elastance and resistance when budesonide was used nanoencapsulated compared with a commercial formulation of budesonide in two doses (0.5 and 1.0 mg / kg). Both treatments also showed nanocapsules efficiency in reduction of inflammation by reducing the total of leukocytes in the bronchial alveolar lavage fluid (BALF) and especially significant reduction in eosinophil infiltration in the lung tissue. Corroborating with these results, the quantification of eotaxin - 1 and proinflammatory cytokines was reduced when compared to commercial budesonide treatment. Histopathological analysis showed that when treatment with the nanocapsules was used, mucus production was reduced and reversed the phenomena of airway remodeling. The cytotoxicity assay by Alamar blue using the bronchial epithelium cell line (H441) showed a reduction on the toxicity of budesonide when the nanocapsules were used even in suspension or in the DPI. The cytotoxicity reduction were 75 and 50%, at 100 μg/mL, for the suspension and the DPI, respectively. All these results show that budesonide-loaded nanocapsules in dry powder inhaler is a promising approach for the treatment of asthma.

A asma é definida como uma doença inflamatória crônica de caráter multifatorial, caracterizada pela obstrução reversível das vias aéreas, denso infiltrado inflamatório e hiper-reatividade brônquica a estímulos externos. Clinicamente, a doença é marcada por sintomas episódicos de dispneia, sibilo, tosse seca e sensação de aperto no peito. A terapia convencional da asma compreende o uso de anti-inflamatórios e broncodilatadores. A budesonida é um glicocorticoide esteroide e é dos fármacos mais utilizados na terapêutica da asma. No entanto, a budesonida apresenta baixa biodisponibilidade oral e o uso prolongado pode levar a efeitos adversos graves como afinamento da pele e supressão adrenocortical. No desenvolvimento de novas formulações, a avaliação da toxicidade é de extrema importância. Por conseguinte, o uso de cultura celular é de grande valia no desenvolvimento de protocolos para avaliação da toxicidade de novas formulações. Adicionalmente, a nanotecnologia é uma ferramenta importante para resolver problemas de biodisponibilidade e para contornar efeitos adversos da terapêutica convencional. Desta forma, o objetivo desta tese foi desenvolver um novo sistema nanoestruturado na forma de pó seco para inalação (Dry powders inhalers – DPI), obtido por aspersão contendo budesonida encapsulada, visando o tratamento da asma aguda e crônica. Essa proposta foi baseada na obtenção de um sistema pulverulento nanoestruturado com tamanho reduzido e controlado, visando a entrega pulmonar da budesonida. Na etapa de pré-formulação foi realizado um estudo fatorial avaliando diferentes métodos de preparação das nanocápsulas e os adjuvantes de secagem utilizados. As análises de tamanho de partícula, da formulação selecionada (nanocápsulas contendo budesonida e secas por aspersão com leucina) mostraram um tamanho reduzido e adequado para a administração pulmonar (2,7 μm). A morfologia demonstrou que estas partículas possuem um tamanho reduzido, forma esférica e superfície irregular, características importantes para a administração pulmonar. Quando analisada a distribuição pulmonar in vitro, em Impactador de Andersen, a formulação apresentou uma fração de partículas finas (Fine Particle Fraction – FPF) de 28%. Analisando os resultados dos experimentos em modelos de asma aguda e crônica induzidos por ovalbumina, os resultados da mecânica respiratória e função pulmonar mostraram uma diminuição na resistência e na elastância pulmonar, quando a budesonida nanoencapsulada foi utilizada, quando comparada com uma formulação comercial de budesonida, nas duas doses utilizadas (0,5 e 1,0 mg/Kg). Esse tratamento com nanocápsulas também mostrou eficiência na redução da inflamação, pela redução do número de leucócitos totais no fluido de lavagem bronco alveolar (Broncho Alveolar Lavage Fluid – BALF) e, principalmente, redução significativa no número dos eosinófilos no infiltrado pulmonar. Corroborando esses resultados, a quantificação da eotaxina – 1 e das citocinas pró-inflamatórias foram reduzidas, quando comparadas ao tratamento comercial. A análise histopatológica mostrou que quando o tratamento com as nanocápsulas foi utilizado, a produção de muco foi reduzida, bem como a produção de fibrose sub-epitelial, sugerindo um possível efeito sobre o remodelamento tecidual. Os resultados de toxicidade utilizando linhagem celular epitelial pulmonar (H441) mostrou uma redução na toxicidade da budesonida, quando encapsulada nas nanopartículas, tanto na forma de suspensão como na forma pulverulenta. Essa redução da toxicidade foi de 75% e de 50%, na dose de 100 μg/mL, para a suspensão e para o DPI, respectivamente. O conjunto dos resultados obtidos mostrou a potencial aplicabilidade da budesonida nanoencapsulada para o tratamento da asma, utilizando esse novo sistema DPI. / Asthma is characterized as a chronic inflammatory disease developed by multifactorial aspects such as genetic predisposition and exposure to environmental factors such as pollution, smoke and microorganisms. The conventional asthma therapy comprises the use of bronchodilators and anti-inflammatory. Budesonide is a glucocorticoid and is the most frequently used therapy in the treatment of asthma. However, this drug has low oral bioavailability and long term use may lead to adverse effects such as skin thinning and adrenal suppression. The evaluation of the toxicity of new formulation has critical role in the pharmaceutical development. The use of cell culture experiments can help this aspect. Additionally, nanotechnology is an important tool to solve problems regarding bioavailability and to circumvent adverse effects of conventional therapy. The aim of this work was to develop a nanostructured system as dry powder inhaler (DPI) containing budesonide loaded, obtained by spray-drying, targeting the treatment of acute and chronic asthma. This proposal was based on obtaining a nanostructured powder system with reduced and controlled size, aiming an alternative to treatment of asthma. A factorial study comparing different methods to produce the nanocapsules as well as the type of drying adjuvants was performed. The particle size of the selected formulation was 2.7 μm, an adequate reduced size suitable for pulmonary administration. The morphology of these particles showed a small size, spherical shape and irregular surface. All these characteristics are important for pulmonary administration. When analyzed the in vitro pulmonary distribution of the DPI, using an Andersen Cascade Impactor, showed a fine particle fraction (FPF) of 28%. Analyzing the results of the biological experiments, the mechanical respiratory and pulmonary function showed a decrease in lung elastance and resistance when budesonide was used nanoencapsulated compared with a commercial formulation of budesonide in two doses (0.5 and 1.0 mg / kg). Both treatments also showed nanocapsules efficiency in reduction of inflammation by reducing the total of leukocytes in the bronchial alveolar lavage fluid (BALF) and especially significant reduction in eosinophil infiltration in the lung tissue. Corroborating with these results, the quantification of eotaxin - 1 and proinflammatory cytokines was reduced when compared to commercial budesonide treatment. Histopathological analysis showed that when treatment with the nanocapsules was used, mucus production was reduced and reversed the phenomena of airway remodeling. The cytotoxicity assay by Alamar blue using the bronchial epithelium cell line (H441) showed a reduction on the toxicity of budesonide when the nanocapsules were used even in suspension or in the DPI. The cytotoxicity reduction were 75 and 50%, at 100 μg/mL, for the suspension and the DPI, respectively. All these results show that budesonide-loaded nanocapsules in dry powder inhaler is a promising approach for the treatment of asthma.

A asma é definida como uma doença inflamatória crônica de caráter multifatorial, caracterizada pela obstrução reversível das vias aéreas, denso infiltrado inflamatório e hiper-reatividade brônquica a estímulos externos. Clinicamente, a doença é marcada por sintomas episódicos de dispneia, sibilo, tosse seca e sensação de aperto no peito. A terapia convencional da asma compreende o uso de anti-inflamatórios e broncodilatadores. A budesonida é um glicocorticoide esteroide e é dos fármacos mais utilizados na terapêutica da asma. No entanto, a budesonida apresenta baixa biodisponibilidade oral e o uso prolongado pode levar a efeitos adversos graves como afinamento da pele e supressão adrenocortical. No desenvolvimento de novas formulações, a avaliação da toxicidade é de extrema importância. Por conseguinte, o uso de cultura celular é de grande valia no desenvolvimento de protocolos para avaliação da toxicidade de novas formulações. Adicionalmente, a nanotecnologia é uma ferramenta importante para resolver problemas de biodisponibilidade e para contornar efeitos adversos da terapêutica convencional. Desta forma, o objetivo desta tese foi desenvolver um novo sistema nanoestruturado na forma de pó seco para inalação (Dry powders inhalers – DPI), obtido por aspersão contendo budesonida encapsulada, visando o tratamento da asma aguda e crônica. Essa proposta foi baseada na obtenção de um sistema pulverulento nanoestruturado com tamanho reduzido e controlado, visando a entrega pulmonar da budesonida. Na etapa de pré-formulação foi realizado um estudo fatorial avaliando diferentes métodos de preparação das nanocápsulas e os adjuvantes de secagem utilizados. As análises de tamanho de partícula, da formulação selecionada (nanocápsulas contendo budesonida e secas por aspersão com leucina) mostraram um tamanho reduzido e adequado para a administração pulmonar (2,7 μm). A morfologia demonstrou que estas partículas possuem um tamanho reduzido, forma esférica e superfície irregular, características importantes para a administração pulmonar. Quando analisada a distribuição pulmonar in vitro, em Impactador de Andersen, a formulação apresentou uma fração de partículas finas (Fine Particle Fraction – FPF) de 28%. Analisando os resultados dos experimentos em modelos de asma aguda e crônica induzidos por ovalbumina, os resultados da mecânica respiratória e função pulmonar mostraram uma diminuição na resistência e na elastância pulmonar, quando a budesonida nanoencapsulada foi utilizada, quando comparada com uma formulação comercial de budesonida, nas duas doses utilizadas (0,5 e 1,0 mg/Kg). Esse tratamento com nanocápsulas também mostrou eficiência na redução da inflamação, pela redução do número de leucócitos totais no fluido de lavagem bronco alveolar (Broncho Alveolar Lavage Fluid – BALF) e, principalmente, redução significativa no número dos eosinófilos no infiltrado pulmonar. Corroborando esses resultados, a quantificação da eotaxina – 1 e das citocinas pró-inflamatórias foram reduzidas, quando comparadas ao tratamento comercial. A análise histopatológica mostrou que quando o tratamento com as nanocápsulas foi utilizado, a produção de muco foi reduzida, bem como a produção de fibrose sub-epitelial, sugerindo um possível efeito sobre o remodelamento tecidual. Os resultados de toxicidade utilizando linhagem celular epitelial pulmonar (H441) mostrou uma redução na toxicidade da budesonida, quando encapsulada nas nanopartículas, tanto na forma de suspensão como na forma pulverulenta. Essa redução da toxicidade foi de 75% e de 50%, na dose de 100 μg/mL, para a suspensão e para o DPI, respectivamente. O conjunto dos resultados obtidos mostrou a potencial aplicabilidade da budesonida nanoencapsulada para o tratamento da asma, utilizando esse novo sistema DPI. / Asthma is characterized as a chronic inflammatory disease developed by multifactorial aspects such as genetic predisposition and exposure to environmental factors such as pollution, smoke and microorganisms. The conventional asthma therapy comprises the use of bronchodilators and anti-inflammatory. Budesonide is a glucocorticoid and is the most frequently used therapy in the treatment of asthma. However, this drug has low oral bioavailability and long term use may lead to adverse effects such as skin thinning and adrenal suppression. The evaluation of the toxicity of new formulation has critical role in the pharmaceutical development. The use of cell culture experiments can help this aspect. Additionally, nanotechnology is an important tool to solve problems regarding bioavailability and to circumvent adverse effects of conventional therapy. The aim of this work was to develop a nanostructured system as dry powder inhaler (DPI) containing budesonide loaded, obtained by spray-drying, targeting the treatment of acute and chronic asthma. This proposal was based on obtaining a nanostructured powder system with reduced and controlled size, aiming an alternative to treatment of asthma. A factorial study comparing different methods to produce the nanocapsules as well as the type of drying adjuvants was performed. The particle size of the selected formulation was 2.7 μm, an adequate reduced size suitable for pulmonary administration. The morphology of these particles showed a small size, spherical shape and irregular surface. All these characteristics are important for pulmonary administration. When analyzed the in vitro pulmonary distribution of the DPI, using an Andersen Cascade Impactor, showed a fine particle fraction (FPF) of 28%. Analyzing the results of the biological experiments, the mechanical respiratory and pulmonary function showed a decrease in lung elastance and resistance when budesonide was used nanoencapsulated compared with a commercial formulation of budesonide in two doses (0.5 and 1.0 mg / kg). Both treatments also showed nanocapsules efficiency in reduction of inflammation by reducing the total of leukocytes in the bronchial alveolar lavage fluid (BALF) and especially significant reduction in eosinophil infiltration in the lung tissue. Corroborating with these results, the quantification of eotaxin - 1 and proinflammatory cytokines was reduced when compared to commercial budesonide treatment. Histopathological analysis showed that when treatment with the nanocapsules was used, mucus production was reduced and reversed the phenomena of airway remodeling. The cytotoxicity assay by Alamar blue using the bronchial epithelium cell line (H441) showed a reduction on the toxicity of budesonide when the nanocapsules were used even in suspension or in the DPI. The cytotoxicity reduction were 75 and 50%, at 100 μg/mL, for the suspension and the DPI, respectively. All these results show that budesonide-loaded nanocapsules in dry powder inhaler is a promising approach for the treatment of asthma.

Respiratory distress syndrome and pulmonary oedema often result in poor health and in the worst case scenario, death. Several studies have proposed that the eventual resolution of these dangerous conditions is due to active sodium reabsorption through the epithelial sodium channel (ENaC), which is crucial for lung fluid clearance. Although clinical prognosis can be improved by using glucocorticoid hormones to augment the ENaC-dependent removal of liquid from the lungs, we still require a better understanding of the underlying mechanism in order to improve treatments in the future. This thesis, therefore explores the role of serum / glucocorticoid-inducible protein kinase 1 (SGK1) and protein kinase A (PKA) in the responses of hormone-stimulated H441 human airway cells. Dexamethasone, a synthetic glucocorticoid hormone, is thought to evoke expression of the gene encoding SGK1 and, to become catalytically active, this gene product must then be phosphorylated via TORC2 and PDK1, protein kinases activated via the P13-kinase pathway. Once activated, SGK1 appears to exert control over the surface abundance of ENaC subunits by phosphorylation, and thus inactivating, a ubiquitin ligase (Nedd4-2), that normally mediate the withdrawal of ENaC subunits from the plasma membrane. Protein kinase A (PKA) may contribute to this control mechanism by also phosphorylating Nedd4-2. In order to clarify the way in which these pathways contribute to glucocorticoid-induced lung liquid clearance, the present thesis has explored the effects of dexamethasone and / or PKA activation upon the overall / surface expression of ENaC subunits, the activities of SGK1 and PKA and the phosphorylation status of physiologically-important residues within Nedd4-2 itself.

Après exposition par inhalation, les nanoparticules (NPs) peuvent atteindre les alvéoles pulmonaires, se retrouver au niveau de la barrière alvéolo-capillaire (BAC), et induire une toxicité locale et / ou franchir cette barrière pour se retrouver dans la circulation sanguine. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été de développer des modèles de co-cultures in vitro simples à mettre en œuvre (utilisation de lignées cellulaires humaines), pour étudier les effets des NPs au niveau de la BAC. Dans un premier temps, des co-cultures de cellules épithéliales alvéolaires ou de phénotype proche (lignées A549 ou NCI-H441), et de macrophages (lignée THP-1), ont permis l’étude des effets pro-inflammatoires des NPs de SiO2 et de TiO2. Avec ces modèles nous avons montré l’importance de la coopération cellulaire mise en jeu lors des processus inflammatoires liés aux NPs, mais aussi le rôle du ratio cellulaire employé dans ces réponses. Dans un second temps, des co-cultures tridimensionnelles en chambres bicamérales associant des macrophages (lignée THP-1), des cellules épithéliales bronchiques (lignée Calu-3), et des cellules endothéliales pulmonaires microvasculaires (lignée HPMEC-ST1.6R), ont permis l’étude de l’impact de NPs fluorescentes de polystyrène sur l’intégrité de la BAC, et leur passage à travers cette barrière. Les cellules épithéliales Calu-3 permettent d’établir une barrière de qualité mais la membrane microporeuse servant de support aux cellules doit être optimisée pour ne pas être un frein au passage des NPs. Ce travail montre qu’un seul modèle ne permet pas d’étudier de façon optimale à la fois la toxicité et la translocation des NPs, et qu’une approche adaptée doit être envisagée en fonction du paramètre que l’on souhaite étudier. / After inhalation, nanoparticles (NPs) can reach the alveoli and the alveolo-capillary barrier (ACB), and consequently induce local toxicity and / or cross this barrier to reach the bloodstream. In this context, the aim of this work was to develop co-culture in vitro models simple to implement (using human cell lines), to study effects of NPs on the ACB. In a first time, pro-inflammatory effects of SiO2 and TiO2 NPs were studied on co-cultures of alveolar epithelial cells (A549 and NCI-H441 cell lines), and macrophages (THP-1 cell line). We demonstrated the importance of cell cooperation during inflammatory processes caused by these NPs, and the role of the cellular ratio in these inflammatory responses. In a second time, effects of fluorescent polystyrene NPs on the ACB integrity, and their translocation were studied on three-dimensional co-cultures in bicameral chambers involving macrophages (THP-1 cell line), bronchial epithelial cells (Calu-3 cell line), and micro-vascular pulmonary endothelial cells (HPMEC ST1.6R cell line). The use of Calu-3 has provided a good barrier, but further investigations on microporous membranes are still needed to not interfere with NPs translocation. Altogether, these results show that a tailored approach should be considered in order to study toxicity or translocation of NPs.