Jusqu'à aujourd'hui, le traitement des maladies oculaires postérieures, telles que la dégénérescence maculaire liée à l'âge, la rétinopathie diabétique et l'uvéite, reste difficile. L'œil avec ses différentes barrières oculaires est bien protégé des agressions extérieures. Ces barrières réduisent également la biodisponibilité des médicaments pour le vitré. Après une administration topique, seule une quantité limitée (0,001 - 0,0004 %) permet d'atteindre le vitreux. Ceci est causé par exemple par une dilution des larmes et une faible perméabilité cornéenne du médicament. Après une administration systémique ou orale, les barrières hémato-oculaires empêchent le médicament d'entrer et seulement environ 2 % du médicament administré se trouve dans le vitré. Afin d'atteindre des concentrations thérapeutiques, une dose élevée doit être administrée, ce qui augmente le risque d'effets secondaires. La façon la plus efficace de traiter les maladies postérieures restent l'injection intravitréenne. Cependant, de petites molécules lipophiles comme la dexaméthasone peuvent facilement se diffuser à travers la rétine et les barrières oculaires et ont donc une demi-vie limitée de quelques heures seulement. Étant donné que de nombreuses maladies postérieures sont chroniques, une injection intravitréenne fréquente serait nécessaire. Chaque injection comporte des risques de décollement de la rétine, d'hémorragie et d'autres effets secondaires. Les implants biodégradables pour administration intravitréenne peuvent prolonger la libération du médicament et en diminuer les effets secondaires. PLGA est un polymère largement utilisé qui est biocompatible et biodégradable. Il peut également soutenir la libération du médicament de quelques jours à plusieurs mois. Dans cette étude, les implants de formation in situ (ISFI) et les implants préformés préparés par extrusion à chaude ont été étudié en profondeur. L'objectif de ce travail était (i) d'étudier l'impact du volume du rejet (ii) évaluer le comportement de libération, de gonflement et de dégradation des implants préformés préparés avec différentes charges de médicament et différents types de polymères, (iii) visualiser la libération de médicament et l'absorption d'eau des implants préformés et de l'ISFI en utilisant des médicaments modèles colorés et (iv) étudier l'effet des quantités variables des différents additifs sur les caractéristiques essentielles de l'ISFI. Ces informations peuvent aider à fabriquer des implants avec différents profils de libération. Nos études montrent que l'ISFI est assez robuste en ce qui concerne les différents volumes de l'humeur vitreuse que l'on peut rencontrer in vivo. Cependant, le poids moléculaire et la concentration du polymère ont une forte influence sur la morphologie et le gonflement de l'implant. Par conséquent, la dégradation et la libération du médicament sont affectées. Pour les implants préformés, le gonflement "orchestre" la libération du médicament. Au début, seule une quantité limitée d'eau peut se diffuser dans les implants. Ainsi, seules des quantités insignifiantes du médicament sont dissoutes et peuvent être libérées. Lorsque le PLGA commence à se dégrader, le polymère devient plus hydrophile et de plus grandes quantités d'eau peuvent pénétrer. Ce gonflement du polymère facilite la dissolution et la diffusion du médicament et déclenche la libération du médicament. Les études utilisant des médicaments modèles colorés corroborent le rôle de la pénétration de l'eau et de la dissolution du médicament pour les implants préformés. En ce qui concerne l'ISFI, il a visualisé l'importance de la concentration du polymère sur la structure interne de l'implant qui en résulte et par conséquent l'absorption d'eau et la libération du médicament. Le comportement de gonflement et la morphologie de l'ISFI pourraient également être modifiés de manière significative en utilisant différents additifs. L'effet global sur la libération du médicament a été limité. / Until today, the treatment of posterior eye diseases, such as age-related macular degeneration, diabetic retinopathy and uveitis, remains challenging. The eye with its different ocular barriers is well protected from external factors. Those barriers also reduce the bioavailability of drugs to the vitreous. After a topical administration, only a limited amount (0.001 – 0.0004 %) reaches the vitreous. This is caused by for example reflexive blinking, tear dilution and a low corneal permeability of the drug. After a systemic or oral administration, the blood-aqueous and the blood-retinal barrier hinder the drug from entering and only around 2 % of the administered drug is found in the vitreous. In order to reach therapeutic concentrations, a high dose has to be given which in turn increases the risk for systemic side effects. The most efficient way to treat posterior diseases remains the intravitreal injection. However, small lipophilic molecules like dexamethasone can easily diffuse through the retina and the blood-ocular barriers and, thus, have a limited half-life of just a few hours. Since many of the posterior diseases are chronic, a frequent intravitreal injection would be necessary. Every intravitreal injection bears the risks for retinal detachment, hemorrhage, and other side effects. Biodegradable implants for intravi-treal administration can prolong the drug release and in turn decrease the side effects. Poly(lac-tic-co-glycolic acid) (PLGA) is a widely used polymer that is biocompatible and biodegrada-ble. It can also sustain the drug release from a few days up to several months. In this study, in-situ forming implants (ISFI) and pre-formed implants prepared via hot melt extrusion were studied in depth. The aim of this work was (i) to study the impact of the volume of the release medium, polymer type and concentration as well as drug content of different ISFI, (ii) to eval-uate the drug release, swelling and degradation behavior of pre-formed implants prepared with different drug loadings and polymer types, (iii) to visualize the drug release and water uptake of ISFI and pre-formed implants using colored model drugs and (iv) to investigate the effect of varying amounts of different additives on key features of ISFI. This knowledge can help to manufacture implants with different release profiles. Our studies show that ISFI are rather ro-bust regarding different volumes of the vitreous humor that could be encountered in vivo. How-ever, the polymer molecular weight and polymer concentration have a strong influence on the morphology and swelling behavior of the implants. Consequently, the degradation and drug release are affected. For pre-formed implants the swelling “orchestrates” the drug release. In the beginning only limited amounts of water can diffuse into the implants. Thus, only insignif-icant amounts of the drug are dissolved and can be released. When the PLGA starts to degrade, the polymer becomes more hydrophilic and bigger amounts of water can penetrate. This poly-mer swelling facilitates drug dissolution and diffusion and initiates the drug release. The studies using colored model drugs corroborate the role of water penetration and drug dissolution for pre-formed implants. Concerning ISFI, it visualized the importance of the polymer concentra-tion on the resulting inner implant structure and consequently the water uptake and drug release. The swelling behavior and morphology of ISFI could also be significantly altered using differ-ent additives. The overall effect on the drug release was limited.

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Les études de libération de substance active à partir de système polymériques tels que des microparticules à base d’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) ont été largement explorées au cours de ces dernières décennies . L’objectif principal de ce travail consiste à mieux comprendre les mécanismes de transport de masse contrôlant la libération de substance active à partir des microparticules de PLGA. Un nouvel aperçu devait être acquis sur la base de suivi expérimental de la cinétique de gonflement de microparticules. Dans un premier temps, des microparticules à base de PLGA chargées de différents types de substances actives (acide, base et neutre), tels que kétoprofen, prilocaine base libre et dexamethasone ont été préparées par simple émulsion (huile dans eau) en utilisant une méthode d'extraction/évaporation du solvant. Les microparticules obtenues avaient des taux d’efficacité d’encapsulation qui sont variables selon la substance active utilisée. Une caractérisation des propriétés clés des microparticules obtenues a été réalisée en utilisant différentes techniques (microscopie optique, microscopie électronique). La chromatographie par permeation de gel a été utilisé pour déterminer le poids moléculaire du PLGA après exposition des microparticules au milieu de libération à différents temps afin d’évaluer la cinétique de dégradation du polymère. La diffraction des rayons X et la calorimétrie différentielle à balayage étaient utilisés pour étudier l’état physique du polymère, de la substance active pure ainsi que les microparticules chargées en substance active. Les études de libération ont montré deux types de profils de libération : un profil tri-phasique et un profil plus ou moins mono-phasique. Le profil tri-phasique observé est constitué de trois phases : une phase de libération initiale rapide suivie d’une libération constante qui est suivie ; à son tour ; par une seconde phase de libération rapide. En revanche, les différentes phases étaient difficilement distinguées pour le deuxième type de profil obtenu, du fait de la libération rapide de substance active ce qui permet de dire que les profils obtenus étaient plus ou moins mono-phasique. L’élucidation des mécanismes de libération de substance active était basée sur le suivi expérimental de la cinétique de gonflement des microparticules. Comme pour les cinétiques de libération obtenues à partir des microparticules à base de PLGA, différentes phases peuvent être distinguées pour les profils de gonflement. Les transitions d’une phase à une autre semblent s’accorder entre le profil de libération et celui du gonflement. Ainsi, le gonflement des microparticules pourrait contribuer au contrôle de la libération de la substance active à partir des microparticules à base de PLGA. / The drug release studies from polymeric system such as Poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA)-based microparticles have been widely investigated during recent decades. The main objective of this work is to better understand the mass transport mechanisms controlling the drug release kinetics from PLGA microparticles. New insight was to be gained based on the experimental monitoring of the swelling kinetics of single microparticle. Initially, PLGA microparticles containing different type of drugs (acidic, basic and neutral), such as ketoprofen, prilocaine free base and dexamethasone were prepared using simple oil in water emulsion extraction/evaporation solvent technique. The characterization of the key properties of microparticles was performed using different techniques (optical microscopy, electron microscopy). The gel permeation chromatography was used to determine the molecular weight of PLGA following exposure of microparticles to the release medium at various times to assess the kinetic degradation of the polymer. The X-ray diffraction and differential scanning calorimetry were used to study the physical state of the polymer, drug and drug-loaded microparticles. Release studies have shown two types of release profiles: tri-phasic and more or less mono-phasic profile. The tri-phasic profile is composed of three phases: an initial rapid release phase followed by a constant release which is followed by a second phase of rapid release. In contrast, at the investigated higher initial drug loadings, different release phases could hardly be distinguished: The profiles were more or less mono-phasic. The elucidation of drug release mechanisms was based on the experimental results of the swelling kinetics of single microparticles. As for drug release, distinct phases can be distinguished for microparticles swelling. The transition from one phase to another seem to coincide for microparticle swelling and drug release. Thus also microparticle swelling might contribute to a significant extent to the control of drug release.

Le travail de recherche mené au cours de cette thèse a été effectué dans le cadre d’une collaboration industrielle et a porté sur l’étude des caractéristiques physico-chimiques d’une matrice lipidique à libération prolongée. L’originalité de cette dernière tient à sa forme galénique, des microsphères calibrées d’environ 400 µm de diamètre, fabriquées par procédé de prilling puis conditionnées en sachets.Les caractérisations entreprises au cours de cette thèse ont été menées progressivement en partant de l’étude du comportement thermique individuel des constituants (excipients lipidiques et principe actif), puis de leurs mélanges pour définir les conditions d’existence et les caractéristiques structurales des phases solides qu’ils engendrent, notamment lors du prilling. Plusieurs diagrammes d’état partiels ont été construits pour permettre de cerner l’organisation de la matrice formant le produit fini et disposer de leviers fiables pour corriger d’éventuelles déviations du procédé de fabrication. Cette analyse était également indispensable pour décrire précisément le processus de libération du principe actif et en déterminer les paramètres cinétiques. / The research conducted in this thesis, during an industrial collaboration, is focused on the study of physicochemical characteristics of a sustained release lipid matrix. The originality of this matrix is its dosage form, microspheres of 400 microns in diameter, manufactured by a prilling process and packaged in stick-packs.The characterizations conducted during this thesis have been carried out gradually starting from the study of the thermal behavior of individual components (lipidic excipients and drug) and their mixtures to define the phase formation conditions and the structural characteristics of the solid phases generated, especially during the prilling process. Partial phase diagrams were constructed to understand the final product matrix organization and to identify actions to correct any deviations in the process. This analysis was also needed to accurately describe the drug release mechanism and to determine the kinetic parameters.

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An implantable closed-loop insulin delivery device (INsmart device) containing a glucose responsive gel has been developed within the INsmart research group, over a period of 10 years, to mimic pancreas. In this thesis, the reliability and performance capability of the INsmart device was studied for future clinical use. Investigations into the device material compatibility with insulin solution, assessed by monitoring insulin loss and degradant formation over a period of 31 days using RP-HPLC have shown that stainless steel and titanium are the most compatible materials. Polycarbonate contributes to insulin loss after 11 days, resin might not be the best material and polyurethane is the least compatible for future device designs. To study insulin delivery mechanism and kinetics from the device, fluorescently labelled human insulin (FITC-insulin) was synthesised and characterised using RP-HPLC and MS, to produce a product with predominantly di-labelled conjugate (>75%) with no unreacted FITC or native insulin. Clinically used insulin analogues were also fluorescently labelled to produce predominantly di-labelled FITC-insulin conjugate with potential future biological and in vitro applications. The drug release mechanism from the glucose sensitive gel held in the INsmart device, studied using fluorescein sodium was determined as a Fickian diffusion controlled release mechanism. The diffusion coefficient (D) for FITC-insulin in the non-polymerised dex2M-conA gel (NP gel) determined using mathematical models, QSS and TL slope methods was 1.05 ± 0.02 x 10-11 m2/s and in the cross-linked dex500MA-conAMA gel (CL gel) was 0.75 ± 0.06 x 10-11 m2/s. In response to physiologically relevant glucose triggers in the NP gel, the diffusivity of FITC-insulin increases with increasing glucose concentrations, showing a second order polynomial fit, device thus showing glucose sensitivity and graded response, mimicking pancreas. Rheological measurements further confirmed the gel glucose responsiveness demonstrated by a third order polynomial fit between FITC-insulin D and the NP complex viscosity in response to increasing glucose concentration. The knowledge of FITC-insulin diffusion kinetics in the gel has aided in making some theoretical predictions for the capability and performance of the INsmart device. Alternate device geometry and design optimisation is also explored.

Heteropolymeric O antigen (O-Ag)-capped lipopolysaccharide is the principal constituent of the Gram-negative bacterial cell surface. It is assembled via the integral inner membrane (IM) Wzx/Wzy-dependent pathway. In Pseudomonas aeruginosa, Wzx translocates lipid-linked anionic O-Ag subunits from the cytoplasmic to the periplasmic leaflets of the IM, where Wzy polymerizes the subunits to lengths regulated by Wzz1/2. The Wzx and Wzy IM topologies were mapped using random C-terminal-truncation fusions to PhoALacZα, which displays PhoA/LacZ activity dependent upon its subcellular localization. Twelve transmembrane segments (TMS) containing charged residues were identified for Wzx. Fourteen TMS, two sizeable cytoplasmic loops (CL), and two large periplasmic loops (PL3 and PL5 of comparable size) were characterized for Wzy. Despite Wzy PL3–PL5 sequence homology, these loops were distinguished by respective cationic and anionic charge properties. Site-directed mutagenesis identified functionally-essential Arg residues in both loops. These results led to the proposition of a “catch-and-release” mechanism for Wzy function. The abovementioned Arg residues and intra-Wzy PL3–PL5 sequence homology were conserved among phylogenetically diverse Wzy homologues, indicating widespread potential for the proposed mechanism. Unexpectedly, Wzy CL6 mutations disrupted Wzz1-mediated regulation of shorter O-Ag chains, providing the first evidence for direct Wzy–Wzz interaction. Mutagenesis studies identified functionally-important charged and aromatic TMS residues localized to either the interior vestibule or TMS bundles in a 3D homology model constructed for Wzx. Substrate-binding or energy-coupling roles were proposed for these residues, respectively. The Wzx interior was found to be cationic, consistent with translocation of anionic O-Ag subunits. To test these hypotheses, Wzx was overexpressed, purified, and reconstituted in proteoliposomes loaded with I−. Common transport coupling ions were introduced to “open” the protein and allow detection of I− flux via reconstituted Wzx. Extraliposomal changes in H+ induced I− flux, while Na+ addition had no effect, suggesting H+-dependent Wzx gating. Putative energy-coupling residue mutants demonstrated defective H+-dependent halide flux. Wzx also mediated H+ uptake as detected through fluorescence shifts from proteoliposomes loaded with pH-sensitive dye. Consequently, Wzx was proposed to function via H+-coupled antiport. In summary, this research has contributed structural and functional knowledge leading to novel mechanistic understandings for O-Ag biosynthesis in bacteria. / Bookmarks within the document have been provided for ease of access to a particular section in the body of the thesis. Each entry in the Table of Contents, List of Tables, and List of Figures has been "linked" to its respective position and as such can be clicked for direct access to the entry. Similarly, each in-text Figure or Table reference has been "linked" to its respective figure/table for direct access to the entry. / 1.) Canadian Institutes of Health Research (CIHR) Frederick Banting and Charles Best Canada Graduate Scholarship doctoral award, 2.) CIHR Michael Smith Foreign Study Award, 3.) Cystic Fibrosis Canada (CFC) doctoral studentship, 4.) University of Guelph Dean's Tri-Council Scholarship, 5.) Ontario Graduate Scholarship in Science and Technology, 6.) Operating grants to Dr. Joseph S. Lam from CIHR (MOP-14687) and CFC