Ce mémoire de maîtrise porte sur le développement d’un système d’administration de microaiguilles pour livrer des sondes et des capteurs fluorescents dans le contexte du diagnostic et de la surveillance des soins de santé. Bien que parfois négligés en faveur des soins de santé axés sur le traitement, le diagnostic précoce de la maladie et la surveillance préventive des paramètres biologiques peuvent considérablement améliorer les résultats des soins de santé et joueront probablement un rôle plus important dans les années à venir. Cependant, il reste des obstacles importants à cette approche, à savoir le caractère relativement invasif et perturbateur des analyses biologiques. La nécessité de se rendre dans une clinique et de subir un prélèvement de sang (ou de liquide biologique) invasif présente des inconvénients importants par rapport aux traitements classiques, qui consistent souvent de médicaments pouvant être pris à domicile sans douleur. Une solution à ces problèmes réside dans la mise au point de systèmes minimalement invasifs de diagnostic et de suivi médical, idéalement ceux qui peuvent être utilisés à domicile sans nécessiter de personnel qualifié. À cet égard, les microaiguilles sont une technologie au potentiel énorme, car leur petite taille les rend peu invasives et pratiquement indolores, et leur nature simple à usage unique permet potentiellement une administration à domicile par le patient. Particulièrement prometteuses pour les applications de diagnostic et de surveillance sont les microaiguilles en polymère soluble; fabriquées à partir de polymères synthétiques ou biologiques injectables, ces microaiguilles sont solubilisées après la perforation de la peau, libérant ainsi les composés qu’elles contiennent. Bien que prévu initialement pour la livraison d'agents thérapeutiques, en utilisant ces microaiguilles pour livrer des molécules fluorescentes spécifiquement conçues, il est possible de créer un tatouage médical de diagnostic affichant un signal fluorescent précis. En associant cette technologie à un détecteur de fluorescence portable, la surveillance en temps réel d’un large éventail de paramètres biologiques pourrait devenir accessible en dehors du contexte clinique. Afin de fournir un contexte pour le développement de cette technologie, cette mémoire commence par une revue des principes et des avancées majeures récentes dans le domaine des applications diagnostiques des microaiguilles (Chapitre 1). Par la suite, un tatouage par microaiguille est présenté sous la forme d'un capteur de ROS délivré sur la peau, avec des implications diagnostiques pour le vieillissement et la carcinogenèse de la peau liés aux UV, ainsi que pour des affections inflammatoires telles que le psoriasis, comme validation de concept (Chapitre 2). En outre, un autre tatouage par microaiguille est introduit, consistant d’un capteur spécialement adapté ciblant le système lymphatique, permettant la quantification en temps réel du drainage lymphatique, avec des implications pour la détection précoce de plusieurs affections, notamment le lymphœdème (Chapitre 3). / This Master’s thesis concerns the development of a microneedle (MN) delivery system for fluorescent dyes and sensors in the context of diagnostics and healthcare monitoring. While sometimes overlooked in favor of treatment-focused healthcare, early disease diagnosis and preventative monitoring of biological parameters can meaningfully improve healthcare outcomes and will likely play a greater role in coming years. However, significant obstacles to this approach remain, namely the relatively invasive and disruptive nature of biological analyses. The need to travel to a clinic and undergo invasive blood (or biological fluid) sampling presents significant inconveniences relative to common treatments, often consisting of medications that can be taken painlessly at home. A solution to these problems lies in the development of minimally invasive systems for diagnostics and healthcare monitoring, ideally ones which can be used at home without the need for trained personnel. In this regard, MNs are a technology with tremendous potential, as their small size renders them minimally invasive and virtually painless, and their simple, single-use nature potentially allows for at-home administration by the patient. Showing particular promise for diagnostic and monitoring applications are dissolving polymeric MNs; made from injectable synthetic or biological polymers, these MNs are solubilized after breaching the skin, releasing any compound contained within. Though initially envisioned for the delivery of therapeutic agents, by using these MNs to deliver specifically designed fluorescent molecules, it is possible to create a diagnostic medical tattoo displaying a precise fluorescent signal. By pairing this technology with a portable fluorescence detector, real-time monitoring of a wide range of biological parameters could become accessible outside of a clinical setting. To provide context for the development of this technology, this thesis begins with a review of the principles and major recent advances in the field of diagnostic applications of MNs (Chapter 1). Subsequently, a proof-of-concept MN tattoo is introduced in the form of a ROS-sensor delivered to the skin, with diagnostic implications for UV-related skin aging and carcinogenesis, as well as inflammatory conditions such as psoriasis (Chapter 2). Further, another MN tattoo is introduced, consisting of a specifically tailored sensor targeting the lymphatic system, allowing the real-time quantification of lymphatic drainage, with implications in the early detection of several conditions, including lymphedema (Chapter 3).

Ce mémoire de maîtrise porte sur le développement de microaiguilles hydrogels pour la capture et la détection précoce de biomarqueurs protéiques spécifiques du liquide interstitiel cutané. Le diagnostic précoce d’une maladie et le suivi préventif des paramètres biologiques peuvent effectivement améliorer les traitements et auront un rôle plus important dans les années à venir. Cependant, des obstacles considérables à cette approche persistent, en particulier la nature hautement invasive et perturbatrice des analyses biologiques. Se rendre dans une clinique et subir un prélèvement invasif de sang (ou de liquide biologique) sont des défis considérables par rapport aux traitements courants, qui consistent souvent en des médicaments qui peuvent être pris sans douleur à la maison. Une solution à ces problèmes peut être trouvée dans l'invention de méthodes peu invasives pour le diagnostic et l'analyse des soins de santé, idéalement celles qui peuvent être utilisées à domicile sans nécessiter de personnel formé. À cet égard, les micro-aiguilles (MNs) démontrent un énorme potentiel car leur petite taille garantit qu’elles sont relativement simples et presque indolores. De plus, leur nature simple et à usage unique permet potentiellement une administration à domicile par le patient. Les micro-aiguilles d'hydrogel présentent des caractéristiques bénéfiques à des fins de diagnostic compte tenu de leurs propriétés de gonflement qui permettent d'absorber les fluides corporels tels que le liquide interstitiel (ISF) et de capturer les biomarqueurs. Ces caractéristiques remarquables ont poussé les scientifiques à utiliser des micro-aiguilles d'hydrogel pour des applications de diagnostic. Afin de fournir un contexte pour le développement de cette technologie, cette thèse commence par un examen des principes et des avancées récentes dans le domaine des applications diagnostiques des MN (Chapitre 1). Par la suite, des sections expérimentales, de résultats et de discussion seront présentes sur la fonctionnalisation de l'hydrogel avec des anticorps pour la détection de biomarqueurs spécifiques (Chapitre 2). Le dernier chapitre aborde la conclusion générale et les perspectives d'avenir de cette approche (Chapitre 3). / This master’s thesis focuses on the development of hydrogel microneedles (HMNs) for capture and early detection of specific protein biomarkers form the skin interstitial fluid. Early disease diagnosis and preventative monitoring of biological parameters can effectively improve medical results and anticipate playing a more important part in the forthcoming years. However, considerable barriers to this approach persist, specifically the highly invasive and disruptive nature of biological analyses. Visiting clinics and undergoing invasive blood (or biological fluid) sampling are considerable challenges in comparison with common treatments, which often consist of drugs that may be taken painlessly at home. A solution to these concerns can be found in the invention of minimally invasive methods for diagnostics and healthcare analyzing, ideally ones that may be utilized at home without the requirement for trained staff. In this regard, microneedles (MNs) demonstrate tremendous potential as their small size ensures that they are relatively straightforward and almost painless. Also, their simple and single-use nature potentially permits at-home administration by the patient. HMNs demonstrate beneficial features for the diagnosis purposes considering the swelling properties of them which give the chance of absorbing body fluids such as ISF and capture of the biomarkers. These remarkable features have driven scientists to employ HMNs for diagnostic applications. To provide background for the development of this technology, this thesis begins with a review of the principles and recent advances in the field of diagnostic applications of MNs (Chapter 1). Subsequently, experimental, result, and discussion sections will be present about the functionalization of hydrogel with a model antibody for specific biomarkers detection (Chapter 2). The last chapter discusses the general conclusion and future prospects of this approach (Chapter 3).

Le développement de nouveaux systèmes pour l’administration de médicaments par la voie transcutanée ne cesse de susciter un intérêt croissant pour élaborer de nouvelles stratégies visant à traverser la barrière du stratum corneum et transporter efficacement les agents thérapeutiques à travers la peau. Bien que l’administration par voie orale soit la plus favorable chez les patients, une faible biodisponibilité est souvent rencontrée pour certains médicaments et notamment pour les produits biopharmaceutiques. Ainsi, la peau représente un site accessible et pratique pour l’absorption de médicaments, mais détient un potentiel encore sous-estimé comme voie alternative à l’administration par voie orale. La conception de systèmes d'administration parentérale prolongée de médicaments capables de contrôler la libération du médicament au long terme et réduire la fréquence d’administration des médicaments pourrait présenter une option de traitement attrayante. Parmi les systèmes d’implants se formant in situ, les implants d’organogel offrent de nombreux avantages pour libérer au long terme une grande variété de molécules médicamenteuses et notamment des substances actives lipophiles piégées dans les huiles gélifiées. Cependant si l’objectif visé est une administration minimalement invasive et rapide de substances actives, les timbres de microaiguilles dissolvant dans la peau seraient d’un grand intérêt en raison de leur auto-administration, leur sécurité d’emploi et leur capacité à administrer des médicaments à base de peptides. Malgré les effets bénéfiques de ces deux nouveaux systèmes d’administration, les rôles exacts de la composition des organogels et des paramètres géométriques des microaiguilles hydrosolubles sur la libération de médicaments restent peu explorés. Le premier objectif principal de cette thèse était de déterminer l’effet de la composition des organogels se formant in situ par rapport au pourcentage massique en organogélifiant de bas poids moléculaire (acide 12-hydroxystéarique, 12-HSA) et de l’ajout de tensioactif (polysorbate 80) dans le système sur le taux de libération de substances actives hydrophile (acyclovir) et lipophile (clotrimazole). De plus, l'influence des paramètres de composition de ces organogels sur l'induction d'effets toxiques au niveau des fibroblastes de prépuce humain a également été étudiée. Pour ce faire, des systèmes d’organogel formant un dépôt sous-cutané à base de 12-HSA ont été développés en utilisant une faible quantité de solvant organique miscible à l’eau (N-méthyl-2-pyrrolidone) en tant qu’agent inhibant partiellement la gélation, favorisant ainsi l’injection des formulations. Au contact du milieu aqueux, les molécules de 12-HSA ont précipité en immobilisant simultanément l’huile et la substance active en son sein. Une augmentation du pourcentage massique en 12-HSA a conduit à une augmentation de la résistance du gel à la déformation grâce à la formation d’une structure de réseau en trois dimensions complexe. Cependant, l’ajout de polysorbate 80 dans le système a conduit à une structure plus fluide (de faible résistance) diminuant la capacité d’injectabilité des formulations et augmentant l’érosion du gel en surface. Ce dernier phénomène étant amplifié avec un plus faible pourcentage massique en 12-HSA. Les organogels de 12-HSA ont montré diminuer significativement les taux de libération au long terme de l’acyclovir comparé aux formulations de clotrimazole in vitro et ex vivo à travers la peau de porc excisé. La toxicité cellulaire était dépendante du pourcentage massique en 12-HSA et du type de culture cellulaire utilisée. En effet, les effets cytotoxiques étaient plus élevés en augmentant la quantité de 12-HSA dans l’implant pour une sensibilité plus élevée dans la culture cellulaire tridimensionnelle que dans celle bidimensionnelle. Ces résultats semblent néanmoins influencés par le type d’huile utilisé et son potentiel cytotoxique. Le deuxième objectif principal de cette thèse était de déterminer l’effet de la hauteur des microaiguilles en forme de pyramide et solubles dans l’eau sur le taux de libération d’un peptide modèle, le growth hormone-releasing peptide-6 (GHRP-6). À cet effet, les microaiguilles ont été préparées par micro-moulage à l’aide de deux polymères biocompatibles hydrosolubles approuvés par la Food and Drug Agency (FDA), l’alcool polyvinylique (PVA) et polyvinylpyrrolidone (PVP). Les timbres de microaiguilles ainsi développés permettaient de pénétrer efficacement dans la peau de porc tout en libérant la molécule encapsulée à l’interface entre l’épiderme et le derme supérieur. La quantification du GHRP-6 dans différentes matrices (peau, microaiguilles, plasma) a pu être réalisée grâce à une méthode analytique robuste et sensible utilisant la chromatographie liquide ultra performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem. Les études de libération du GHRP-6 ex vivo sur la peau de porc ont montré que le taux de libération du GHRP-6 était plus élevé au long terme pour une hauteur en aiguille plus grande (800 µm contre 500 µm) tout en permettant d’augmenter l’encapsulation du GHRP-6 dans le système. En conclusion, ces résultats suggèrent que les organogels de 12-HSA pourraient constituer une approche prometteuse pour l’administration prolongée de substance active et notamment celles hydrophiles. Toutefois, les formulations développées devront être efficaces in vivo tout en minimisant les effets toxiques par l’utilisation d’huiles plus biocompatibles. Pour une libération rapide de substances actives, les timbres de microaiguilles représentent une avenue très prometteuse notamment pour les médicaments innovants de nature peptidique. Leur efficacité pour la libération de GHRP-6 et de leurs dérivés azapeptides devra être confirmée lors d’études in vivo (pharmacocinétique, pharmacodynamique, biodistribution), ce qui pourrait constituer une avancée dans l’administration de thérapie à base de peptides pour la gestion de l’inflammation chronique. / The development of novel transcutaneous drug delivery systems has gained increasing interest, with the focus on overcoming the stratum corneum barrier and efficiently transport therapeutic agents through the skin. Although oral administration is the most favorable route for patients, low bioavailability is often reported for certain drugs and especially for biopharmaceuticals. Accordingly, the skin represents an accessible and convenient site for drug absorption, but has yet to fully achieve its potential as an alternative to oral delivery. The design of parenteral sustained drug delivery systems capable of controlling long-term delivery of drugs and reducing the frequency of drug administration could present an attractive treatment option. Among in situ forming implants, in situ forming organogels offer many advantages such as controlled-release of a wide variety of drug molecules over a longer period of time, including lipophilic active substances trapped within gelled oil solutions. However, if the objective is the rapid administration of active substances, minimally invasive, dissolving microneedle patches would be of great interest due to their self-administration, their safety and their ability to deliver peptide-based drugs. Despite the beneficial effects of these two new delivery systems, the exact roles of the composition of organogels and geometrical parameters of microneedles on drug delivery are largely understudied. The first main objective of this thesis was to determine the effect of the composition of in situ forming organogels with respect to the organogelator concentration (12-hydroxystearic acid, 12-HSA) and the addition of a nonionic surfactant (polysorbate 80) to the system on the release rate of a hydrophilic (acyclovir) and a lipophilic (clotrimazole) active substances. In addition, the toxic effects of these organogels of different compositions on human foreskin fibroblasts were also studied. To do so, 12-HSA-based organogel systems forming a depot in the subcutaneous tissue have been developed using a small amount of water-miscible organic solvent (N-methyl-2-pyrrolidone) as an agent that can partially inhibit gelation, thus enhancing injectability of the formulations. Upon contact with aqueous medium, 12-HSA molecules precipitated simultaneously immobilizing the oil and the active substance therein. An increase in the concentration of 12-HSA led to an increase in the resistance of the gel to deformation thanks to the formation of a complex three-dimensional network structure. However, the addition of polysorbate 80 to the system resulted in fluid-matrix organogel (weak gel) decreasing the syringability of the formulations while increasing the erosion of the gel on the surface. The latter phenomenon is also intensified with a lower concentration of 12-HSA. 12-HSA organogels have been shown to significantly decrease acyclovir release rates for a longer time period in vitro and ex vivo through excised pig skin compared to clotrimazole formulations. Cellular cytotoxicity was dependent on the concentration of 12-HSA and the type of cell culture used. Indeed, the cytotoxic effects were higher by increasing the concentration of 12-HSA in the implant for a higher sensitivity in the three-dimensional cell culture than in the two-dimensional one. However, these results seem to be influenced by the type of oil used and its cytotoxic potential. The second main objective of this thesis was to determine the effect of dissolving pyramidal microneedles height on the release rate of a model peptide, the growth hormone-releasing peptide-6 (GHRP-6). For this purpose, the microneedles were prepared by micromolding process using two water-soluble biocompatible polymers approved by the Food and Drug Agency (FDA), poly(vinyl alcohol) (PVA) and polyvinylpyrrolidone (PVP). The microneedle patches allowed the microneedles to efficiently penetrate pig skin while releasing the encapsulated molecule at the interface between the epidermis and upper dermis. The quantification of GHRP-6 in different matrices (skin, microneedles, plasma) was achieved using a robust and sensitive analytical method using ultra performance liquid chromatography - tandem mass spectrometry. Ex vivo GHRP-6 release studies on pig skin showed that the release rate of GHRP-6 was higher over time for high-height microneedle (800 µm vs. 500 µm) while increasing the amount of GHRP-6 loaded in microneedles. In conclusion, these results suggest that 12-HSA organogels could constitute a promising approach as a sustained-release dosage form of active substances and in particular hydrophilic ones. However, the formulations developed must be effective in vivo while minimizing toxic effects through the use of more biocompatible oils. For a rapid release of drugs, microneedle patches represent a very promising avenue, in particular for emerging peptide drugs. Their efficacy for the release of GHRP-6 and azapeptide derivatives of GHRP-6 needs to be confirmed using in vivo studies (pharmacokinetic, pharmacodynamic, biodistribution), which may represent a breakthrough in the transdermal delivery of therapeutic peptides for the management of chronic inflammation.

Le liquide interstitiel est aujourd’hui considéré comme un candidat prometteur comme alternative, ou complément, à l’analyse sanguine pour la quantification de biomarqueurs. Localisé notamment dans la peau, sa composition demeure peu décrite dans la littérature. Cela peut s’expliquer par le fait que le prélèvement de liquide interstitiel reste problématique. En effet, les méthodes d’extraction actuelles sont chronophages, douloureuses et conduisent au prélèvement de volumes très faibles ne permettant pas toujours une analyse subséquente. L’utilisation de timbres de microaiguilles conçus en hydrogel superabsorbant représente une solution indolore, rapide et efficace pour le prélèvement du liquide interstitiel. Un premier type de timbre a été conçu par photopolymérisation, un processus de fabrication caractérisé par sa rapidité. Ce type de timbre de microaiguilles présente une capacité d’absorption très élevée et peut trouver une application dans l’élaboration des profils protéomique, métabolomique et lipidomique du liquide interstitiel dermique. Le second type de timbres de microaiguilles est obtenu par chauffage d’une formulation contenant des polymères superabsorbants. Ce procédé s’avère plus long mais conduit à un hydrogel superabsorbant riche en groupements chimiques permettant d’envisager une fonctionnalisation pour la capture et la détection in situ de biomarqueurs spécifiques du liquide interstitiel dermique. In fine, les timbres de microaiguilles développés pourraient donc permettre d’approfondir notre connaissance de la composition du liquide interstitiel; mais laissent également entrevoir la possibilité de développer des dispositifs médicaux portables permettant le diagnostic, ou la surveillance, rapide et indolore de certaines pathologies. Ces dispositifs pourraient diminuer les coûts normalement associés à ces pratiques et améliorer la prise en charge des patients. C’est le cas notamment de l’insuffisance cardiaque, dont la gestion pourrait être considérablement facilitée par le suivi à domicile du biomarqueur NT-proBNP. / Nowadays, interstitial fluid is considered a valid alternative for blood analysis and biomarker monitoring. However, its composition is scarcely described in the literature. Notably located in the skin, its collection remains a challenge as current methods are time-consuming, painful and the extracted volume limits subsequent analysis. Here we put forward the use of superabsorbant hydrogel-based microneedle patches to enable a painless, rapid and efficient sampling of dermal interstitial fluid. A first kind of microneedle patch was obtained using UV-curing, a rapid fabrication process. This type of microneedle patch enables the collection of a high volume of liquid and can therefore be utilized for subsequent proteomic, metabolomic and lipidomic analyses of the dermal interstitial fluid that had been extracted in a painless fashion. The second class of microneedle patch developed was fabricated from superabsorbant polymers using heating. Although time consuming, this process produced hydrogel-based microneedle patches that could be functionalized for the in situ detection of specific biomarkers in the dermal interstitial fluid. In fine, the aforementioned microneedle patches have the potential to broaden our understanding of the interstitial fluid composition, as well as be integrated in novel portable biosensing devices for a rapid and painless diagnosis, or for the monitoring of certain medical conditions. For example, quantifying the NT-proBNP biomarker in the dermal interstitial fluid could significantly improve the quality of life of heart failure patients.