Résumé : A ce jour, lutilité des cyclodextrines comme adjuvant pharmaceutique nest plus à démontrer. En biologie cellulaire, la méthyl-b-cyclodextrine est un outil couramment utilisé par les expérimentateurs. La déstructuration quelle induit au niveau des microdomaines membranaires que sont les radeaux lipidiques ou les cavéoles est mise à profit pour létude des fonctions cellulaires qui y sont associées. Le but de notre recherche est détudier les interactions de différentes cyclodextrines couramment utilisées dans le domaine pharmaceutique avec les constituants des membranes liposomales ou biologiques afin de mieux comprendre les conséquences de ces interactions au niveau cellulaire. Lhypothèse dune interaction des cyclodextrines avec les constituants lipophiles des membranes cellulaires a souvent été énoncée pour expliquer la cytotoxicité de certains dérivés. Nous avons pu montrer à laide de liposomes unilamellaires utilisés comme modèles membranaires, que linteraction des cyclodextrines avec leurs constituants, en particulier le cholestérol, est en relation avec une perte de lintégrité de la membrane. Ces premières études nous ont permis de prédire quels seraient les dérivés qui induiraient la cytotoxicité la plus importante. La cytotoxicité importante de certains dérivés méthylés (D.S. proche de 2) a été corrélée avec une capacité dextraction du cholestérol cellulaire relativement élevée. A linverse, nous avons montré que les dérivés faiblement substitués extraient peu le cholestérol, ce qui permet dexpliquer la meilleure tolérance observée au niveau biologique avec la Crysmeb et lHP-b-CD. Nous nous sommes ensuite intéressés à leffet de la b-CD et de ses dérivés méthylés sur la déstructuration des microdomaines membranaires. Nous avons étudié la relation entre leur capacité de déstructuration des cavéoles et dextraction du cholestérol cellulaire. Une extraction relativement élevée du lipide induit un effet important au niveau des microdomaines voire très important dans le cas de la Dimeb, le dérivé ayant leffet le plus délétère sur lintégrité des membranes artificielles et biologiques. Un effet moins marqué a également pu être corrélé avec une extraction plus faible du cholestérol par certains dérivés (Crysmeb, Trimeb). Les taux dextraction du cholestérol cellulaire mesurés sont en bonne corrélation, mis à part pour la Trimeb et la b-CD, avec les résultats des diagrammes de solubilité. La capacité de solubilisation du cholestérol par les cyclodextrines est en accord avec les interactions plus ou moins importantes observées en RMN. Les résultats de mesure de lintégrité des membranes artificielles correspondent à ceux obtenus avec les membranes biologiques excepté pour la b-CD, cette dernière nayant pu être testée dans les mêmes conditions que les autres cyclodextrines sur les liposomes. Il est maintenant admis que les cyclodextrines pourraient avoir un intérêt thérapeutique potentiel. En effet, la modulation des taux de cholestérol par lutilisation de cyclodextrines pourrait être mise à profit pour traiter des maladies ou infections impliquant ces microdomaines membranaires. Summary : Nowadays, the usefulness of cyclodextrins as pharmaceutical adjuvants is obvious. In cell biology, methyl-b-CD is a tool commonly used by scientists. The disruption of membrane microdomains (such as lipid rafts and caveolae) caused by cyclodextrins is used to study cellular functions. The aim of this research is to study the interactions of various cyclodextrins currently used in pharmaceutical development with the components of liposomal and biological membranes for a better understanding of the consequences of these interactions at the cell level. The hypothesis of an interaction between cyclodextrins and lipophilic components of cell membranes has often been suggested to explain the cytotoxicity of some cyclodextrin derivatives. Using unilamellar liposomes as model membranes, this research has shown that the interaction between cyclodextrins and their components, especially cholesterol, is linked with a loss of membrane integrity. This preliminary study has allowed predicting which derivatives will be the most cytotoxic. The high cytotoxicity of some methylated derivatives (D.S. close to 2) has been correlated with a relatively strong extraction capacity of cell cholesterol. On the other hand, it has been shown that low substituted derivatives do not extract much cholesterol, which is in agreement with the better biological compatibility observed with Crysmeb and HP-b-CD. The research has then focused on the effect of b-CD and its methylated derivatives on membrane microdomains disruption. The relation between caveolae disruption and cell cholesterol extraction capacities has been studied. A relatively strong extraction of the lipid highly disturbs the microdomains and this effect is even more important for Dimeb, the derivative showing the highest loss of integrity of artificial and biological membranes. A less marked effect has also been correlated with the lowest cholesterol extraction capacities of some derivatives (Crysmeb, Trimeb). The measured cell cholesterol extraction rates are in good correlation, except for Trimeb and b-CD, with the results of the solubility diagrams. The cholesterol solubilisation capacity of cyclodextrins is in accordance with the intensity of the interactions observed by NMR. The effects on the integrity of artificial membranes correspond to those obtained with biological membranes except for b-CD, which was not tested on liposomes in the same conditions as those used for the other cyclodextrins. It is now agreed that cyclodextrins could have a therapeutical potential. Indeed, the modulation of cholesterol levels could be applied for treating raft-related infections and diseases.

Vesicular delivery systems, like liposomes, represent an attractive approach to improving skin delivery of drugs. Liposomes are composed of one or several lipid bilayers surrounding an aqueous compartment. They are able to encapsulate hydrophilic compounds into their inner compartment and lipophilic compounds into their lipid bilayers. In the first part of this thesis, we developed a new dermal delivery system combining the advantages of cyclodextrin inclusion complexes and those of deformable liposomes. This system was called drugs-in-cyclodextrin-in-deformable liposome. Betamethasone was chosen as the model drug. These systems were successfully developed and characterised. In vitro diffusion studies using Franz diffusion cells and polycarbonate membranes gave promising results. In order to better mimic the in vivo conditions, ex vivo penetration studies using pig ear skin and Franz diffusion cells were developed. The tape stripping method was used to determine the amount of drug in the stratum corneum. The amount of drug in the epidermis, dermis and receptor medium was also assayed. These methods were successfully validated. Unfortunately, ex vivo penetration studies of the developed skin delivery system could not confirm the promising in vitro results. Our research was then directed towards studies allowing a better understanding of liposome skin penetration mechanisms. In the second part of this thesis, the influence of several parameters on the skin penetration behaviour of liposomes was investigated. The formulation importance on skin penetration efficiency was highlighted by the comparison of two liposomal systems. In the first system, betamethasone is encapsulated by the help of cyclodextrin inclusion complexes in the aqueous compartment. In the second system, betamethasone is encapsulated alone in the lipid bilayer. The second system shows high membrane permeability of the encapsulated betamethasone. Despite this decreased drug retention, the second system enhances the skin penetration of betamethasone. This high membrane permeability and the better penetration of the second formulation support the mechanism of penetration as a free drug substance. In addition, no difference in penetration is observed between liposomes containing betamethasone alone and a non liposomal dispersion. Several surfactants or edge activators were incorporated in the lipid bilayer of liposomes in order to obtain deformable liposomes. Unfortunately, these deformable liposomes are unable to enhance skin penetration compared to classical non deformable liposomes. The addition of charged lipids in the lipid bilayer of liposomes encapsulating either betamethasone or betamethasone dipropionate was investigated. The addition of negatively charged lipids enhances the penetration of the encapsulated drug. The use of negatively charged liposomes enhanced the epidermis accumulation of betamethasone 9.3 times compared with the ethanolic solution. This improvement is not observed with the corresponding non liposomal dispersion, indicating that the vesicle form is of high importance. In the case of the ester, the use of negatively charged liposomes enhances the epidermis accumulation 5.5 times compared with the Diprosone® lotion and only 1.6 times compared with the ethanolic solution. The penetration of a more lipophilic drug, with a high intrinsic penetration, is less enhanceable when incorporated in liposomes. Confocal microscopy was performed to visualise skin penetration of fluorescently labelled liposomes. The lipophilic dye rhodamine B encapsulated in the lipid bilayer as betamethasone penetrates the epidermis at the same level as NBD-phosphatidylcholine. On the other hand, the hydrophilic dye calcein encapsulated in the aqueous compartment as betamethasone-cyclodextrin complexes does not penetrate the epidermis. These observations seem to confirm the ex vivo results. In addition, the skin penetration of rhodamine B seems to be improved by the incorporation in negatively charged liposomes compared with classical ones. Finally, the efficiency of the negatively charged vesicles was evaluated in vivo on volunteers by the skin blanching assay. Carbomer gel containing the negatively charged vesicles seems to enhance the blanching response of encapsulated betamethasone in comparison with the ethanolic hydroxypropylcellulose gel. However, results are not significantly different. This could be explained by the small number of volunteers. On the other hand, in the case of formulations containing betamethasone dipropionate, no tendency could be highlighted. These results seem to confirm that the use of negatively charged liposomes is more attractive for improving the efficiency of a lesser lipophilic drug, betamethasone, in comparison with the more lipophilic ester, betamethasone dipropionate. These results need to be confirmed using a higher number of volunteers./ Les systèmes vésiculaires, comme les liposomes, représentent une approche intéressante pour améliorer ladministration cutanée de médicaments. Les liposomes sont des vésicules sphériques composées dune ou plusieurs bicouches lipidiques entourant une cavité aqueuse. Ils sont capables dencapsuler des molécules hydrophiles dans leur cavité aqueuse, ainsi que de retenir des molécules hydrophobes dans leur bicouche lipidique. Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes intéressés au développement dun nouveau système dadministration cutanée combinant les avantages des complexes dinclusion dans les cyclodextrines et ceux des liposomes déformables, aboutissant à un nouveau concept appelé : « drugs-in-cyclodextrin-in-deformable liposome». La bétaméthasone a été utilisée comme molécule modèle. Ces nouveaux systèmes ont été mis au point et caractérisés avec succès. Les premières études de diffusion réalisées in vitro, à travers des membranes synthétiques et au moyen des cellules de diffusion de Franz, étaient prometteuses. Afin de se rapprocher des conditions in vivo, des études de pénétration des liposomes ont alors été mises au point, ex-vivo, au moyen de cellules de diffusion et à travers des peaux doreilles de cochons. La méthode du « tape stripping » a permis de déterminer la quantité de bétaméthasone dans le stratum corneum. La quantité de substance active dans lépiderme, le derme et le mileu récepteur des cellules de Franz a également été déterminée. Ces méthodes ont été validées avec succés. Malheureusement, les études sur peaux doreilles de cochons nont pas permis de confirmer nos premières conclusions. Les recherches ont alors été orientées vers des études permettant de mieux comprendre les mécanismes de pénétration cutanée des liposomes. Dans la seconde partie de la thèse, linfluence de différents paramètres sur la pénétration cutanée a été étudiée. La comparaison de la pénétration cutanée de deux systèmes liposomiaux différents a mis en évidence limportance de la formulation des liposomes sur leur efficacité. Dans le premier, la bétaméthasone est encapsulée comme précédemment à laide de cyclodextrines dans la cavité aqueuse des liposomes déformables. Dans le second système, la bétaméthasone est encapsulée seule au niveau de la bicouche lipidique des liposomes. Ce second système a montré une plus grande perméabilité de la molécule modèle encapsulée. Malgré cette plus faible rétention, le deuxième système a permis daugmenter la pénétration de la molécule modèle. La plus grande perméabilité et la meilleure pénétration du deuxième système permettent de conclure que la bétaméthasone pénétrerait sous une forme non encapsulée dans les liposomes. De plus, aucune différence na été observée entre la pénétration cutanée des liposomes encapsulant la bétaméthasone dans leur bicouche et une dispersion non liposomale. Plusieurs tensio-actifs ont également été incorporés au niveau de la bicouche des liposomes afin dobtenir des liposomes déformables. Malheureusement, la faible augmentation de pénétration observée par rapport aux liposomes classiques non déformables nest pas significative. Lajout de lipides chargés au niveau de la bicouche lipidique de liposomes encapsulant soit la bétaméthasone soit le dipropionate de bétaméthasone a été investigué. Laddition de lipides chargés négativement a permis daugmenter la pénétration de la molécule encapsulée. Lutilisation de liposomes chargés négativement a permis daugmenter la quantité de bétaméthasone au niveau de lépiderme dun facteur 9,3 par rapport à une solution éthanolique de bétaméthasone. Cette augmentation na pas été observée avec la dispersion non liposomale correspondante, indiquant que la formulation sous forme de vésicules est très importante. En ce qui concerne le dipropionate de bétaméthasone, lencapsulation dans les liposomes chargés négativement a augmenté la quantité dester dans lépiderme dun facteur 5,5 par rapport à la spécialité Diprosone® lotion et seulement dun facteur 1,6 par rapport à la solution éthanolique. Lencapsulation dans les liposomes chargés négativement semble donc moins avantageuse dans le cas dune molécule plus lipophile, comme le dipropionate de bétaméthasone et qui possède déjà une bonne pénétration cutanée intrinsèque par rapport à une molécule plus hydrophile comme la bétamethasone. La pénétration de liposomes rendus fluorescents a été visualisée grâce à la microscopie confocale. Un marqueur lipophile, la rhodamine B, encapsulé dans la bicouche comme la bétaméthasone, pénètre bien dans la peau de la même façon que la phosphatidylcholine fluorescente. Par contre, un marqueur hydrophile, la calcéine, encapsulé dans la cavité des liposomes comme les complexes bétaméthasone-cyclodextrines, ne pénètre pas dans lépiderme. Ces observations confirment les résultats de dosage ex vivo au moyen des cellules de Franz. De plus, la pénétration dans la peau de la rhodamine B semble être plus importante lorsquelle est encapsulée dans les liposomes chargés négativement par rapport aux liposomes non chargés. Enfin, lefficacité des liposomes négatifs a été évaluée in vivo sur des volontaires grâce à lévaluation du pouvoir de blanchiement des corticostéroïdes. Le gel de carbomère contenant les liposomes chargés négativement semble augmenter la réponse de la bétaméthasone par rapport au gel éthanolique dhydroxypropylcellulose. Cependant, les résultats ne sont pas significatifs. Une explication pourrait être le faible nombre de volontaires. Par contre, dans le cas des liposomes contenant le dipropionate de bétaméthasone, il a été plus difficile de dégager une tendance. Ces résultats semblent confirmer que lutilisation des liposomes chargés négativement est plus intéressante dans le cas dune molécule moins lipophile comme la bétamethasone par rapport à une molécule plus lipophile comme le dipropionate de bétaméthasone. Ces résultats nécessitent cependant dêtre confirmés sur un plus grand nombre de volontaires.