Effective inhibition of sperm motility using a spermicide can be a promising approach in developing non-invasive male contraceptive agents. Copper is known to have contraceptive properties and has been used clinically for decades as intrauterine contraceptive devices (IUDs) for contraception in females. Beyond that, the spermicidal use of copper is not explored much further, even though its use can also subdue the harmful effects caused by the hormonal female contraceptive agents on the environment. Herein, the size, concentration, and timedependent in vitro inhibition of bovine spermatozoa by copper microparticles are studied. The effectivity in inhibiting sperm motility is correlated with the amount of Cu²⁺ ions released by the particles during incubation. The copper particles cause direct suppression of sperm motility and viability upon incubation and thereby show potential as sperm-inhibiting, hormone-free candidate for male contraception. In addition, biocompatibility tests using a cervical cell line help optimizing the size and concentration of the copper particles for the best spermicidal action while avoiding toxicity to the surrounding tissue.

Hypothèse: L’impression sur textile d’une formulation de microparticules lipidiques avec un principe actif (éconazole nitrate) permet de conserver ou d’améliorer son activité pharmaceutique ex vivo et in vitro. Méthode: Une formulation de microparticules d’éconazole nitrate (ECN) a été formulée par homogénéisation à haut cisaillement, puis imprimée sur un textile LayaTM par une méthode de sérigraphie. La taille des microparticules, la température de fusion des microparticules sur textile et la teneur en éconazole du tissu ont été déterminées. La stabilité de la formulation a été suivie pendant 4 mois à 25°C avec 65% humidité résiduelle (RH). L’activité in vitro des textiles pharmaceutiques a été mesurée et comparée à la formulation commerciale 1% éconazole nitrate (w/w) sur plusieurs espèces de champignons dont le C. albicans, C. glabrata, C. kefyr, C. luminisitae, T. mentagrophytes et T. rubrum. La thermosensibilité des formulations a été étudiée par des tests de diffusion in vitro en cellules de Franz. L’absorption cutanée de l’éconazole a été évaluée ex vivo sur la peau de cochon. Résultats: Les microparticules d’éconazole avaient des tailles de 3.5±0.1 μm. La température de fusion était de 34.8°C. La thermosensibilité a été déterminée par un relargage deux fois supérieur à 32°C comparés à 22°C sur 6 heures. Les textiles ont présenté une teneur stable pendant 4 mois. Les textiles d’ECN in vitro ont démontré une activité similaire à la formulation commerciale sur toutes ii espèces de Candida testées, ainsi qu’une bonne activité contre les dermatophytes. La diffusion sur peau de cochon a démontré une accumulation supérieure dans le stratum corneum de la formulation textile par rapport à la formulation Pevaryl® à 1% ECN. La thermo-sensibilité de la formulation a permis un relargage sélectif au contact de la peau, tout en assurant une bonne conservation à température ambiante. / Hypothesis: Textile imprinted with a formulation of microparticles of a drug (econazole nitrate) can maintain or improve its pharmaceutical activity ex vivo and in vitro. Methods: A formulation of econazole nitrate microparticles was made by high shear homogenization then printed on a LayaTM textile by screen-printing. The size of microparticles, melting temperature of microparticles on textile and econazole nitrate content were determined. The stability of the formulation was followed for 4 months at 25°C with 65% residual humidity (RH). The in vitro activity of pharmaceutical textiles was measured and compared to the commercial formulation econazole nitrate 1% (w/w) in several species of fungi including C. albicans, C. glabrata, C. kefyr, C. luminisitae, T. mentagrophytes and T. rubrum. Temperature sensitivity of the formulations was studied by in vitro tests in Franz diffusion cells. Dermal absorption of econazole nitrate was assessed ex vivo on pig skin. Results: Econazole microparticles were 3.5±0.1 μm in diameter. The melting temperature was 34.8°C. The thermosensitivity of the system was determined by a release test at 32°C compared to 22°C over 6 hours. Textiles showed stable levels for 4 months (97±0.3 μg/cm2). ECN textiles on in vitro tests showed similar activity to the commercial formulation on all Candida species tested, as well as good activity against dermatophytes. Ex vivo tests on pig skin showed a higher accumulation of ECN on the stratum corneum for textile formulation as compared to the Pevaryl® iv formulation. The thermo-sensitivity of the formulation permits a selective release in contact with the skin, while ensuring good storage at room temperature.

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In biosensors, printing involves the transfer of materials, proteins or cells to a substrate. It offers many capabilities thatcan be utilized in many applications, including rapid deposition and patterning of proteins or other biomolecules.However, issues such as stability when using biomaterials are very common. Using proteins, enzymes, as biomaterialink require immobilizations and modifications due to changing in the structural conformation of the enzymes, whichleads to changes in the properties of the enzyme such as enzymatic activity, during the printing procedures andrequirements such as solvent solutions. In this project, an innovative approach for the fabrication of proteinmicroparticles based on cross-linking interchange reaction is presented to increase the stability in different solvents.The idea is to decrease the contact area between the enzymes and the surrounding environment and also preventconformation changes by using protein microparticles as an immobilization technique for the enzymes. The theory isbased on using a cross-linking reagent trigging the formation of intermolecular bonds between adjacent proteinmolecules leading to assembly of protein molecules within a CaCO3 template into a microparticle structure. TheCaCO3 template is removed by changing the solution pH to 5.0, leaving behind pure highly homogenous proteinmicroparticles with a size of 2.4 ± 0.2 μm, according to SEM images, regardless of the incubation solvents. Theenzyme model used is Horse Radish Peroxidase (HRP) with Bovine Serum Albumin (BSA) and Glutaraldehyde (GL)as a cross-linking reagent. Furthermore, a comparison between the enzymatic activity of the free HRP and the BSAHRPprotein microparticles in buffer and different solvents are obtained using Michaelis-Menten Kinetics bymeasuring the absorption of the blue product produced by the enzyme-substrate interaction using a multichannelspectrophotometer with a wavelength of 355 nm. 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine (TMB) was used as substrate. As aresult, the free HRP show an enzymatic activity variation up to ± 50 % after the incubation in the different solventswhile the protein microparticles show much less variation which indicate a stability improvement. Moreover, printingthe microparticles require high microparticle concentration due to contact area decreasing. However, usingmicroparticles as a bioink material prevent leakage/diffusion problem that occurs when using free protein instead.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:16:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AcariliaES_Dissert_01.pdf: 1640327 bytes, checksum: 9c4568aff953d538d26000691eb0407d (MD5) Previous issue date: 2009-03-10 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Colon-specific drug delivery systems have attracted increasing attention from the pharmaceutical industry due to their ability of treating intestinal bowel diseases (IBD), which represent a public health problem in several countries. In spite of being considered a quite effective molecule for the treatment of IBD, mesalazine (5-ASA) is rapidly absorbed in the upper gastrointestinal tract and its systemic absorption leads to risks of adverse effects. The aim of this work was to develop a microparticulate system based on xylan and Eudragit? S- 100 (ES100) for colon-specific delivery of 5-ASA and evaluate the interaction between the polymers present in the systems. Additionaly, the physicochemical and rheological properties of xylan were also evaluated. Initially, xylan was extracted from corn cobs and characterized regarding the yield and rheological properties. Afterwards, 10 formulations were prepared in different xylan and ES100 weight ratios by spray-drying the polymer solutions in 0.6N NaOH and phosphate buffer pH 7.4. In addition, 3 formulations consisting of xylan microcapsules were produced by interfacial cross-linking polymerization and coated by ES100 by means of spray-drying in different polymer weight ratios of xylan and ES100. The microparticles were characterized regarding yield, morphology, homogeneity, visual aspect, crystallinity and thermal behavior. The polymer interaction was investigated by infrared spectroscopy. The extracted xylan was presented as a very fine and yellowish powder, with mean particle size smaller than 40μm. Regarding the rheological properties of xylan, they demonstrated that this polymer has a poor flow, low density and high cohesiveness. The microparticles obtained were shown to be spherical and aggregates could not be observed. They were found to present amorphous structure and have a very high thermal stability. The yield varied according to the polymer ratios. Moreover, it was confirmed that the interaction between xylan and ES100 occurs only by means of physical aggregation / Sistemas c?lon-espec?ficos t?m atra?do o interesse da ind?stria farmac?utica devido ? possibilidade de tratarem enfermidades, como as doen?as inflamat?rias intestinais (DII), que compreendem um problema de sa?de p?blica em muitos pa?ses. Apesar de ser considerada uma mol?cula bastante eficiente para o tratamento das DII, a mesalazina (5-ASA) ? rapidamente absorvida no trato gastrintestinal superior e sua absor??o sist?mica leva ? incid?ncia de s?rios efeitos adversos. Este trabalho teve como objetivos produzir um sistema polim?rico microparticulado ? base de xilana e Eudragit? S-100 (ES100) para libera??o c?lon-espec?fica de 5-ASA e avaliar a intera??o entre os pol?meros constituintes do sistema, al?m de aprofundar a caracteriza??o f?sico-qu?mica e tecnol?gica da xilana. A xilana foi extra?da a partir de sabugos de milho e caracterizada quanto ao rendimento, granulometria, cristalinidade, propriedades reol?gicas e comportamento t?rmico. Em seguida, 10 formula??es contendo 5-ASA foram preparadas em diferentes propor??es de xilana e ES100 atrav?s da secagem por aspers?o das solu??es polim?ricas com NaOH 0,6N ou tamp?o-fosfato pH 7,4, como solvente. Al?m disso, 3 formula??es constitu?das de microc?psulas de xilana produzidas por reticula??o polim?rica interfacial foram revestidas por ES100 atrav?s de secagem por aspers?o em diferentes propor??es polim?ricas e empregando-se NaOH 0,6N ou tamp?o-fosfato pH 7,4, como solvente. As micropart?culas foram avaliadas quanto ao rendimento, morfologia, granulometria, homogeneidade, aspecto visual, cristalinidade e comportamento t?rmico. A intera??o entre os pol?meros foi investigada atrav?s da espectroscopia na regi?o do infravermelho e de an?lises t?rmicas. A xilana extra?da apresentou-se como um p? muito fino, com tamanho m?dio inferior a 40μm, e com colora??o opaca levemente amarelada. A avalia??o das propriedades reol?gicas da xilana permitiram a caracteriza??o desse pol?mero, em seu estado original de p?, como um material de baixa densidade, fluxo restrito e bastante coesivo. Foram obtidas micropart?culas esf?ricas e sem presen?a de agregados, com estrutura amorfa, em sua maior parte, e bastate est?veis a temperaturas elevadas. Al?m disso, confirmou-se que a intera??o entre xilana e ES100 ocorre apenas por agrega??o f?sica

Polyelectrolyte multilayer capsules fabricated by layer-by-layer (LbL) self-assembly technique consistsing of core-shell structure have emerged as potential drug delivery systems along with their applications in micro-reactors, cosmetics, vaccines and antimicrobial coatings. Various ligands and stimuli responsive entities can be incorporated into the core and shell of the capsules for targeted delivery and/or controlled release applications. Though multilayer capsules have been studied extensively as delivery systems, their utility for encapsulation of hydrophobic drugs and multiple drugs have not been explored in detail so far. Application of traditional polyelectrolyte capsules has several limitations, which renders them inapplicable for encapsulation of multiple drugs, hydrophobic drugs and also for releasing drugs on demand without addition of the external photothermal agents such as metal nanoparticles into the shells of the capsules. Thus, in this thesis, an attempt has been made to develop novel multifunctional multilayered capsules to overcome the above mentioned limitations. We have formulated two novel methods to functionalize the core with cyclodextrin molecules and the shell of the capsules with two-dimensional material, graphene oxide (GO). The properties such as high surface area along with π bonds, broad NIR-absorption, superior photothermal conversion and antimicrobial activity of graphene oxide has been explored and it has been demonstrated that 2-D graphene oxide is unique compared to the regular polyelectrolytes. By functionalizing the shell of capsules with GO as one of the layer material, a simple and efficient way for encapsulating multiple drugs into core and shell of the capsules is achieved by utilizing the large surface area and amphiphilic nature of GO. Based on the unique optical absorption and photothermal conversion properties of GO, we have demonstrated a facile route for near-infrared (NIR)-laser triggered release with low laser power. In the second part, functionalization of the hollow core of the capsules has been functionalized using cylodextrin (CD)-incorporated CaCO3 porous sacrificial templates, where both CD-CaCO3 and CD-modified capsules are used as high efficient carriers for hydrophobic drugs. In the third part, synergistic antimicrobial therapy was achieved using composite graphene oxide/polymer LbL films by combining the intrinsic antimicrobial activity and photothermal conversion ability of graphene oxide and the results depicted superior antimicrobial activity towards E. coli. These composite films also can be used as efficient antimicrobial coatings on biomedical devices or implants. The thesis has been divided into five chapters based on the individual works. In Chapter 1, a brief review on the history of LbL self-assembly, mechanism of self-assembly along with factors affecting the process have been discussed. Followed by a brief discussion about the fabrication of multilayered hollow capsules (core-shell structure), their applications in drug delivery and fabrication of multifunctional multilayered capsules through core and shell have been discussed. Finally, recent developments in LbL self-assembly and multilayered hollow capsules using carbon based materials (fullerenes, carbon nanotubes and graphene oxide) and their biomedical applications have been presented. Chapter 2 deals with the study on fabricating multifunctional multilayered capsules for facile encapsulation of multiple drugs into the capsules, which is achieved by functionalizing the capsules with graphene oxide (GO) as one of the layer materials. The GO composite capsules exhibited unique permeability properties compared to traditional multilayered capsules made of two polyelectrolytes. Multiple drugs could be simultaneously encapsulated in the capsules in a simple and effective manner. These capsules were found to exhibit a “core-shell” loading property for encapsulation of dual drugs into the core and shell of the capsules respectively. In addition, the graphene oxide composite capsules showed excellent biocompatibility towards MCF-7 cells. This study is the first one that demonstrates the potential of hybrid polyelectrolyte capsules without the use of micelles or polymer-drug conjugates for multi-drug encapsulation. Chapter 3 deals with the development of a facile route for near-infrared (NIR)-light triggered release of encapsulated drugs from the multilayered capsules via incorporation of graphene oxide (GO) into layer-by-layer (LbL) assembled capsules without addition of any external additives such as metal nanoparticles (NPs) or carbon nanotubes (CNTs) into the shells of the capsules. Till now, there is no report on light-responsive drug delivery system by utilizing the NIR-optical absorption properties of GO. Here, graphene oxide (GO) plays a dual role, serving as a structural component of LbL capsules as well as strong NIR-light absorbing agent, which efficiently converts absorbed light into heat. Upon NIR-laser irradiation, the microcapsules were opened in “point-wise fashion” due to local heating caused by laser irradiation. The rupturing mechanism of the capsules has been clearly demonstrated using confocal fluorescence microscopy and high resolution transmission electron microscopy. The light-triggering ability of these capsules has been applied successfully to release the encapsulated anticancer drug, doxorubicin. Chapter 4 deals with simple and versatile simple routes for encapsulation of model hydrophobic drug. Encapsulation of hydrophobic drugs in pharmaceutical industries is always a big challenge due to limited number of available drug carrier systems and poor aqueous solubility of hydrophobic drugs. Here, by combining the special properties of cyclodextrins (CDs) with biodegradable inorganic calcium carbonate microparticles, the hybrid CD-CaCO3 mesoporous microparticles have been prepared for the first time. These CD-CaCO3 microparticles were utilized as sacrificial templates to prepare CDs-modified LbL capsules. We have demonstrated that both the hybrid CD-CaCO3 microparticles and CDs-modified capsules are potential carriers for encapsulation of model hydrophobic drugs (self-fluorescent coumarine and nile red dyes) with high loading efficiency using supramolecular host-guest interaction between entrapped CDs and hydrophobic dye molecules. Compared with other inorganic drug carrier systems (mesoporous silica), CaCO3 porous particles have better biocompatibility, biodegradability and cost-effective and without use of any organic solvents. Both these hybrid CD-CaCO3 microparticles and CDs-modified capsules can be good candidates for encapsulation of hydrophobic drugs without involving extreme chemical conditions for fabrication. Chapter 5 deals with development of facile synergistic method for killing pathogenic bacteria by combining the intrinsic antimicrobial activity of graphene oxide (GO) and unique photothermal conversion property of GO into a single material. We fabricated composite LbL films of graphene oxide (GO) and poly(allylamine hydrochloride) (PAH) films. Antimicrobial activity of these GO composite films has been studied using Escherichia coli (E. coli) cells by varying number of deposited layers on glass slides (20 to 80 layers) and results suggest that by increasing the number of deposited layers, antimicrobial activity is also increased gradually. Based on the unique optical properties of GO, photothermal therapy have been carried out for killing of E. coli using GO composite films by varying number of deposited layers (20 to 80 layers) by irradiation of NIR-pulse laser at 1064 nm wavelength (Nd:YAG, 10 ns pulse, 10 Hz). The photothermal results revealed the enhanced antimicrobial activity compared to GO composite films alone without NIR-laser irradiation. The synergistic photothermal killing ability along with intrinsic antimicrobial activity of GO films results in much faster killing compared to films alone.

La drépanocytose est associée à un état d’hypercoagulabilité qui se manifeste sur le plan clinique par un risque augmenté de thromboses artérielles et veineuses. L’exploration de la coagulation chez les patients drépanocytaires montrait surtout une activation de la coagulation et des altérations des acteurs pro- et anticoagulants du système hémostatique. Les tests de coagulation globale de routine tels que l’aPTT et le PT sont peu sensibles aux états d’hypercoagulabilité. La fonction hémostatique globale des patients drépanocytaires était donc peu connue. Le test de génération de thrombine est un test de coagulation globale, sensible aux états d’hypo- et d’hypercoagulabilité, facile à réaliser de nos jours avec une bonne reproductibilité. Nous l’avons utilisé pour démontrer que la coagulation globale des enfants drépanocytaires était caractérisée par une accélération des réactions de formation de la thrombine et par une augmentation du potentiel de thrombine endogène. Nous avons par la suite montré que les taux élevés de microparticules pro-coagulantes et du facteur VIII chez les enfants drépanocytaires seraient les facteurs déterminant l’accélération des réactions de formation de thrombine tandis que la réduction de l’activité anticoagulante du système protéine C / protéine S serait le facteur déterminant l’augmentation du potentiel de thrombine endogène. Les marqueurs de l’hémolyse corrélaient significativement avec ces facteurs ainsi qu’avec les paramètres de génération de thrombine, suggérant que l’hémolyse serait le mécanisme pathologique à la base de l’augmentation du potentiel de génération de thrombine chez les enfants drépanocytaires. Les paramètres de génération de thrombine n’étaient pas significativement différents entre l’état de stabilité clinique et l’état de crise vaso-occlusive. Chez les enfants hétérozygotes composites, ces paramètres avaient des valeurs intermédiaires entre celles des enfants contrôles et celles des enfants drépanocytaires homozygotes. Près de 40 % des enfants drépanocytaires homozygotes avaient un potentiel hémostatique supérieur à la moyenne + 2DS des enfants contrôles du même âge. Ces enfants présentant une génération de thrombine élevée se distinguaient des autres par leur plus jeune âge, une plus grande intensité de l’hémolyse, une plus courte durée de traitement par l’hydroxyurée et des vélocités du flux sanguin au doppler transcrânien plus élevées. Ces données suggèrent davantage un lien entre le potentiel de génération de thrombine et la vasculopathie cérébrale chez les enfants drépanocytaires. L’analyse de 4 enfants ayant reçu une greffe de cellules souches hématopoïétiques montrait une tendance à la réduction du potentiel de génération de thrombine et des autres altérations de la coagulation trois mois après la greffe. Le test de génération de thrombine permet une meilleure exploration de la coagulation globale des enfants drépanocytaires. Sa réalisation sur sang total permettrait une analyse plus globale en intégrant la participation des éléments figurés du sang particulièrement les globules rouges./<p>Sickle cell disease is associated with a hypercoagulable state that express clinically by an increased risk of arterial and venous thrombosis. The exploration of coagulation in sickle cell patients showed mainly activation of coagulation and alterations pro-and anticoagulants actors of the hemostatic system. Routine global testing of coagulation such as the prothrombin time and the activated partial thromboplastin time are insensitive to hypercoagulable states. The overall hemostatic function in sickle cell disease was so little known. The thrombin generation test is a test of overall coagulation. It is sensitive to both hypo- and hypercoagulable states. It is easy to perform nowadays with good reproducibility. We used it to demonstrate that the overall coagulation of sickle cell disease children was characterized by an acceleration of the reactions of thrombin formation and an increase of the endogenous thrombin potential. We have subsequently shown that high levels of procoagulant microparticles and high levels of factor VIII in children with sickle cell disease are the factors determining the acceleration of reactions leading to thrombin formation. Our results also showed that the reduced activity of the protein C / S anticoagulant pathway is a determining factor of the increased endogenous thrombin potential in sickle cell children. Markers of hemolysis correlated significantly with these factors as well as the parameters of thrombin generation, suggesting that hemolysis is probably the pathological mechanism underlying the increased potential for thrombin generation in children with sickle cell disease. Nearly 40% of children with homozygous sickle cell disease had their hemostatic potential above the mean + 2SD that of controls children of the same age. These children with high thrombin generation differed from others by their younger age, greater intensity of hemolysis, a shorter duration of treatment with hydroxyurea. They also had higher velocity of blood flow using transcranial Doppler. These data further suggest a potential link between thrombin generation and cerebral vasculopathy in children with sickle cell disease. Analysis of four children who received hematopoietic stem cells transplantation showed a tendency towards a reversibility of thrombin generation and other alterations of coagulation three months after the transplant. Thrombin generation assay allows a better exploration of the global coagulation of sickle cell disease children. Its realization on whole blood would be a more comprehensive analysis as it would integrate the participation of blood cells particularly red blood cells. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / 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

Catalytic microswimmers that move by a phoretic mechanism in response to a self-induced chemical gradient are often obtained by the design of spherical janus microparticles, which suffer from multi-step fabrication and low yields. Approaches that circumvent laborious multi-step fabrication include the exploitation of the possibility of nonuniform catalytic activity along the surface of irregular particle shapes, local excitation or intrinsic asymmetry. Unfortunately, the effects on the generation of motion remain poorly understood. In this work, single crystalline BiVO₄ microswimmers are presented that rely on a strict inherent asymmetry of charge-carrier distribution under illumination. The origin of the asymmetrical flow pattern is elucidated because of the high spatial resolution of measured flow fields around pinned BiVO₄ colloids. As a result the flow from oxidative to reductive particle sides is confirmed. Distribution of oxidation and reduction reactions suggests a dominant self-electrophoretic motion mechanism with a source quadrupole as the origin of the induced flows. It is shown that the symmetry of the flow fields is broken by self-shadowing of the particles and synthetic surface defects that impact the photocatalytic activity of the microswimmers. The results demonstrate the complexity of symmetry breaking in nonspherical microswimmers and emphasize the role of self-shadowing for photocatalytic microswimmers. The findings are leading the way toward understanding of propulsion mechanisms of phoretic colloids of various shapes.

Tesis por compendio / [ES] Los componentes de los aceites esenciales (CAEs) han demostrado ser eficaces contra una amplia variedad de microorganismos. Sin embargo, su aplicación plantea desafíos debido a su baja solubilidad y alteración de las propiedades organolépticas en los alimentos. Por tanto, la búsqueda de nuevas formas de dosificación es fundamental para promover su uso en la industria alimentaria. La presente tesis doctoral está centrada en el desarrollo y aplicación de sistemas antibacterianos y antivirales basados en la inmovilización covalente de CAEs para mejorar la calidad y seguridad de alimentos líquidos. El primer capítulo evaluó el efecto de la adición de componentes naturalmente presentes en los alimentos (proteínas, lípidos, carbohidratos, ácidos orgánicos y etanol) sobre la actividad antimicrobiana de diferentes CAEs (carvacrol, eugenol, geraniol, timol y vainillina) en su forma libre. Además, se evaluó la influencia de los componentes alimentarios sobre la vainillina inmovilizada. Los resultados mostraron que la albúmina sérica bovina (BSA), el aceite de girasol y algunos carbohidratos fueron los componentes que más inhibieron la actividad antimicrobiana de los CAEs libres, con algunas excepciones. En los medios que contienen BSA, no se inhibió la actividad antimicrobiana del geraniol. Lo mismo ocurrió con eugenol en aceite de girasol, o con carvacrol, eugenol, geraniol y timol en presencia de D-lactosa. La vainillina inmovilizada confirmó el efecto inhibidor de las proteínas, lípidos y carbohidratos sobre la actividad antimicrobiana, pero el ácido cítrico y el etanol mejoraron la actividad antimicrobiana. Estos resultados demuestran la importancia de considerar la composición de la matriz alimentaria al seleccionar un compuesto antimicrobiano. El segundo capítulo evaluó la aplicación de CAEs frente al crecimiento y producción de guaiacol por un microorganismo alterante y termorresistente como Alyciclobacillus acidoterrestris en zumo de naranja. Para ello, se utilizaron CAEs inmovilizados con dos enfoques diferentes: como aditivos y como coadyuvantes tecnológicos. La presencia de CAEs provocó una reducción microbiana y una inhibición de la producción de guayacol, que fue mantenida tras la inmovilización. Este hecho es de gran interés, ya que la inmovilización evita el problema de alteración organoléptica del producto, derivado de la aplicación de estos antimicrobianos en forma libre. En el tercer capítulo se estudió la actividad antiviral de los CAEs, tanto en forma libre como inmovilizada, frente al virus Tulane en agua. La aplicación de CAEs en forma libre logró una reducción de la infectividad de sólo 1 log10, mientras que concentraciones equivalentes de antimicrobiano inmovilizado redujeron la infectividad a más de 4,5 log10. Por otro lado, el mecanismo antiviral se basó en la modificación o alteración de cápside viral. Además, se determinó que los CAEs inmovilizados no son citotóxicos en concentraciones antivirales efectivas. A pesar de la eficacia observada tras la inmovilización de los CAEs, su aplicación práctica en la industria alimentaria presenta varios desafíos, siendo uno de ellos la aceptación de esta tecnología por parte de los consumidores. El último capítulo estudió la percepción de los consumidores sobre el uso de la nanotecnología en el procesamiento de alimentos. La valoración de los distintos alimentos en los que se había aplicado nanotecnología en su procesamiento o envasado fue en general positiva. De todos los productos, aquellos en los que la nanotecnología no formaba parte de los alimentos recibieron la mejor valoración. Teniendo en cuenta este resultado, los CAEs inmovilizados aplicados como coadyuvantes tecnológicos serían los más valorados y, por tanto, podrían ser una excelente alternativa a los tratamientos de conservación convencionales, para controlar tanto virus como bacterias durante la producción y el almacenamiento de alimentos. / [CA] Els components dels olis essencials (COEs) han demostrat ser eficaços en fornt d'una àmplia varietat de microorganismes. Tot i això, la seua aplicació planteja desafiaments a causa de la seua baixa solubilitat i alteració de les propietats organolèptiques en els aliments. Per tant, la recerca de noves formes de dosificació és fonamental per promoure'n l'ús a la indústria alimentària. Aquesta tesi doctoral està centrada en el desenvolupament i l'aplicació de sistemes antibacterians i antivirals basats en la immobilització covalent de COEs per a millorar la qualitat i la seguretat d'aliments líquids. El primer capítol va avaluar l'efecte de l'addició de components naturalment presents als aliments (proteïnes, lípids, carbohidrats, àcids orgànics i etanol) sobre l'activitat antimicrobiana de diferents COEs (carvacrol, eugenol, geraniol, timol i vainillina) en la seua forma lliure. En aquesta primera part també es va avaluar la influencia dels components alimentaris sobre la vainillina immobilitzada. Els resultats van mostrar que l'albúmina sèrica bovina (BSA), l'oli de gira-sol i alguns carbohidrats van ser els components que van inhibir més l'activitat antimicrobiana dels COEs lliures, amb algunes excepcions. Als mitjans que contenen BSA no es va inhibir l'activitat antimicrobiana del geraniol. El mateix va passar amb eugenol en oli de gira-sol, o amb carvacrol, eugenol, geraniol i timol en presencia de D-lactosa. La vainillina immobilitzada va confirmar l'efecte inhibidor de les proteïnes, els lípids i els carbohidrats sobre l'activitat antimicrobiana, però l'àcid cítric i l'etanol van millorar l'activitat antimicrobiana. Aquests resultats demostren la importància de considerar la composició de la matriu alimentària quan s'ha de seleccionar un compost antimicrobià per a una aplicació concreta. El segon capítol va avaluar l'aplicació de COEs en front del creixement i la producció de guaiacol per un microorganisme alterant i termorresistent com Alyciclobacillus acidoterrestris en suc de taronja. Per això, es van utilitzar COEs immobilitzats amb dos enfocaments diferents: com a additius i com a coadjuvants. La presència de COEs provoca una reducció microbiana i una inhibició de la producció de guaiacol, així com manté la seua eficàcia després de la immobilització. Aquest fet és de gran interès, ja que la immobilització evita el problema d'alteració organolèptica del producte, derivat de l'aplicació d'aquests antimicrobians en forma lliure. Al tercer capítol es va estudiar l'activitat antiviral dels COEs, tant en forma lliure com immobilitzada, davant del virus Tulane en aigua. L'aplicació de COEs en forma lliure va aconseguir una reducció de la infectivitat de només 1 log10, mentre que concentracions equivalents d'antimicrobià immobilitzat van reduir la infectivitat a més de 4,5 log10. D'altra banda, es va comprobar que el mecanisme antiviral es va basar en la modificació o alteració de la càpside viral. A més, es va determinar que els COEs immobilitzats no són citotòxics en concentracions antivirals efectives. Tot i l'eficàcia observada després de la immobilització dels COEs, la seua aplicació pràctica a la indústria alimentària presenta diversos desafiaments, un dels quals és l'acceptació d'questa tecnologia per part dels consumidors. El darrer capítol va estudiar la percepció dels consumidors sobre l'ús de la nanotecnologia en el processament d'aliments. La valoració dels diferents aliments en que s'havia aplicat nanotecnologia al seu processament o envasat va ser en general positiva. De tots els productes, aquells en que la nanotecnologia no formava part dels aliments van rebre la millor valoració. Tenint en compte aquest resultat, els COEs immobilitzats aplicats com a coadjuvants de processament serien els més valorats i, per tant, podrien ser una alternativa excel·lent als tractaments de conservació convencionals, per controlar tant virus com bacteris durant la producció i l'emmagatzematge d'aliments. / [EN] Essential oil components (EOCs) have proven to be effective against a wide variety of microorganisms. However, the direct application of these compounds poses challenges due to their low solubility and alteration of the organoleptic properties of foods. Therefore, the search for new dosage forms of these promising antimicrobials is essential to promote their use in the food industry. The present doctoral thesis is focused on the development and application of antibacterial and antiviral systems based on the covalent immobilization of EOCs to improve the quality and safety of liquid foods. The first chapter evaluated the effect of the addition of components naturally present in food (proteins, lipids, carbohydrates, organic acids and ethanol) on the antimicrobial activity of certain EOCs (carvacrol, eugenol, geraniol, thymol and vanillin) in their free form. In this first part, the influence of these food components on the antimicrobial activity of vanillin immobilized on silicon oxide particles was also evaluated. The results showed that bovine serum albumin (BSA), sunflower oil and some carbohydrates were the food components that most inhibited the antimicrobial activity of the free EOCs, with some exceptions. In media containing BSA the antimicrobial activity of geraniol was not inhibited. The same occurred with eugenol in media containing sunflower oil, or with carvacrol, eugenol, geraniol and thymol in media with D-lactose. Immobilized vanillin confirmed the inhibitory effect of the proteins, lipids and carbohydrates on the antimicrobial activity, but citric acid and ethanol enhanced the antimicrobial activity. These results demonstrate the importance of considering the composition of the food matrix when selecting an antimicrobial compound. The second chapter evaluated the application of EOCs against the growth and production of guaiacol by a spoilage and heat-resistant microorganism such as Alyciclobacillus acidoterrestris in orange juice. For this purpose, EOCs immobilized on silicon oxide particles were used with two different approaches: as additives and as processing aids. The presence of EOCs causes a microbial reduction and an inhibition of guaiacol production, maintaining their effectiveness after immobilization. This fact is of great interest, since immobilization avoids the problem of organoleptic alteration of the product, derived from the application of these antimicrobials in free form. In the third chapter, the antiviral activity of EOCs, both in free and immobilized form, against Tulane virus in water was studied. The application of EOCs in free form achieved a reduction in infectivity of only 1 log10, equivalent concentrations of immobilized antimicrobial reduced infectivity to more than 4.5 log10. On the other hand, it has been demonstrated that the antiviral mechanism is based on the ability of immobilized antimicrobials to modify or disrupt the viral capsid. Furthermore, it was determined that immobilized EOCs are not cytotoxic at effective antiviral concentrations. Despite the efficacy observed after immobilization of EOCs against bacteria and viruses, their practical application in the food industry presents several challenges, one of them is the acceptance of this technology by consumers. Thus, the last chapter studied the perception of consumers regarding the use of nanotechnology in food processing. The evaluation of the different foods in which nanotechnology had been applied in their processing or packaging was generally positive, and most consumers would buy them. Of all the products, those in which nanotechnology was not part of the food received the best evaluation. Considering this result, immobilized EOCs applied as processing aids would be the most highly valued, and therefore could be an excellent alternative to conventional preservation treatments, to control both viruses and bacteria during food production and storage. / This research forms part of project PID2021-128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. H.G.LL. acknowledges the Universitat Politécnica de València for his predoctoral fellowship. The authors acknowledge native English translator Helen Warburton for editing the text. The authors gratefully acknowledge the financial support from the project PID2021-128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work is also granted by the project TED2021- 132035B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”. CG-B thanks the financial support received from the Spanish State Agency of Research (PID2022-136963OBI00/AEI/10.13039/501100011033), the Xunta de Galicia [ED431C 2021/29 and Centro singular de investigación de Galicia accreditation 2019-2022 (ED431G 2019/03)], and the European Regional Development Fund (ERDF). H.G.LL. acknowledges the Universitat Politècnica de València for his predoctoral fellowship. The authors gratefully acknowledge the financial support from the project PID2021- 128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work is also granted by the project TED2021-132035B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”. H.G.LL. acknowledges the Universitat Politècnica de València for his predoctoral fellowship.The authors gratefully acknowledge the financial support for the experiment reported herein from the Spanish Government (RTI2018-101599-B-C21-AR). Héctor Gómez Llorente wishes to thank the Universitat Politècnica de València for the FPI Grant. / Gómez Llorente, H. (2024). New Strategies to Enhance the Quality and Safety of Liquid Foods Based on the Use of Natural Antimicrobial Compounds [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207284 / Compendio