Nanosystèmes multifonctionnels pour une délivrance contrôlée des principes actifs

Multifunctional nanocomposites for precise control over drug delivery

• Auteur / Autrice : Valentina Andretto
• Direction : Giovanna Lollo, Alexandra Clayer, Stéphanie Briançon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie pharmaceutique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Nancey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanna Lollo, Stefaan De Smedt, Stefano Salmaso, Kerstin Hoffmann, Enrico Mastrobattista
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stefaan De Smedt, Stefano Salmaso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes dynamiques hybrides

Emploi en thérapeutique -- Essais

Nanoparticules

Recherche

Thérapeutique

Maladies inflammatoires chroniques de l'intestin

Génie biomédical

Mots clés libres

Nanosystèmes

Délivrance orale

ARN messager

Systèmes hybrides

Biomatériaux

Hydrogel

Maladies inflammatoires chroniques de l’intestin

Délivrance contrôlée

Nanosystems

Controlled delivery

Oral delivery

Messenger RNA

Hybrid systems

Biomaterials

Hydrogel

Inflammatory Bowel Diseases

Résumé

Les récentes avancées dans les domaines des nanotechnologies, sciences des matériaux et ingénierie des polymères ont permis de surmonter les obstacles associés aux formulations pharmaceutiques conventionnelles. Au sein de ce manuscrit, des systèmes de délivrance pharmaceutiques hybrides rassemblant les avantages technologiques et structurels des composants lipidiques et polymères ont été développés. La conception de la formulation a été pensée selon les propriétés spécifiques de la voie d’administration envisagée et les caractéristiques intrinsèques des classes de substances actives choisies. Dans la première partie de cette thèse, les systèmes hybrides ont été conçus pour l’administration orale de petites molécules hydrophobes afin de répondre à un besoin médical : augmenter les effets anti-inflammatoires locaux pour le traitement des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI). Les nanocomposites macroscopiques formés par l’encapsulation de nanoémulsions (NEs) dans une matrice d’hydrogel à base de peptides ont d’abord été développés et caractérisés afin d’investiguer les propriétés mécanistiques qui pourraient permettre de les administrer oralement. Les études de biodistribution in vivo ont démontré la capacité des nanocomposites hybrides à agir comme “dépôt” dans l’estomac via la précipitation des peptides. Le comportement, dépendant du pH, des nanocomposites hybrides permet la reconstitution de l’hydrogel au niveau intestinal où ils peuvent adhérer à la surface de l'épithélium et ainsi libérer les NEs conférant alors une plus longue durée d’action. Les études d’efficacité sur des souris atteintes de colite ont démontré le potentiel de cette formulation en tant que traitement innovant pour les MICI. Ensuite, des nanocomposites hybrides sous forme de microsphères ont été préparés en incorporant les NEs au sein d’une matrice polysaccharidique. L’alginate a été utilisé pour ses propriétés bioadhésives connues pour augmenter la durée de rétention intestinale. La formulation des nanoparticules a été optimisée par un procédé microfluidique et la caractérisation in vitro a été réalisé sur des lignées cellulaires spécifiques. Les résultats obtenus soulignent l’efficacité des NEs pour le passage du principe actif à travers les muqueuses et l'épithélium intestinal au sein d’un modèle de co-culture ainsi que son activité sur des monocytes. Les études ex-vivo sur des intestins de rats excisés ont démontré les propriétés bioadhésives des nanocomposites, leur conférant une durée de rétention prolongée. La seconde partie de ce travail de thèse repose sur l’administration d’ARN messagers via la conception de systèmes hybrides polymères-lipides créant ainsi une plateforme versatile pour le traitement potentiel d’une large variété de pathologies. Des lipoplexes conventionnels ont été initialement formés à partir d’un mélange innovant de lipides et caractérisés en vue d’obtenir les propriétés physico chimiques recherchées. L’innovation de ce travail consiste en l’addition d’un élément important, une enveloppe électrostatique de polymères liée à la surface des lipoplexes, afin d’améliorer leur stabilité, apporter une charge de surface différence et permettre une fonctionnalisation pour une délivrance ciblée. Les deux systèmes ont été comparés sur leur capacité à transfecter à la fois in vitro et in vivo. Les biodistributions des systèmes ont également été comparées. Les résultats obtenus soulignent que les lipoplexes et leurs homologues enveloppés ont des comportements similaires, démontrant ainsi que la composition des lipides est le paramètre majeur affectant ces propriétés, et non leur charge de surface ni leur fonctionnalisation. Finalement, ce travail de thèse offre une étude complète des stratégies de formulation de systèmes hybrides polymères-lipides ayant pour but de franchir les barrières biologiques pour une administration précise de principes actifs.

Remarkable developments in the field of nanotechnology, material science, and polymer engineering have enabled the growth of multidisciplinary approaches, aiming at overcoming the hurdles associated with conventional drug formulations. In the present manuscript this integrative modus operandi has been applied to the field of drug delivery to design hybrid multifunctional drug delivery systems merging the technological and structural advantages of two individual lipid and polymeric components. The formulation design was shaped in function of the specific properties related to the administration route and the intrinsic characteristics of the chosen active substances. In the first part of the thesis, hybrid systems were designed for the oral administration of small, hydrophobic molecules, to answer the medical need of increasing locally the anti-inflammatory effects of actives for the treatment of inflammatory bowel diseases (IBDs). Firstly, nanocomposites created by the embodiment of nanoemulsions (NEs) in a peptide-based hydrogel matrix were developed and characterized to dig on the mechanical properties that could allow their application upon oral administration. In vivo biodistribution studies showed the ability of the hybrid nanocomposite to act as “depot” in the stomach, where the peptide collapse. The pH-dependent behavior of the formulated hybrid nanocomposite, allow the hydrogel reconstitution at the intestinal level, where it can adhere to the epithelium surface slowly releasing the NEs, thus allowing a longer local drug effect. Efficacy studies on colitic mice models proved the potential of this formulation as innovative treatment for IBDs. Next, hybrid nanocomposites shaped as microspheres were prepared by incorporating NEs into a polysaccharide matrix. Alginate was used for its known bioadhesive properties to increase the system residence time by interacting with the intestinal mucosa. An optimization of nanoparticles formulation strategy by using microfluidic and an in-depth in vitro characterization of the system on relevant cell-lines, together with the design of a stable approach to create the nanocomposite, were the key facets of this work. The results obtained outlined the efficacy of the NEs to allow drug internalization through a mucus layer and intestinal epithelium on a co-culture model, as well as its activity on monocytes. Ex vivo studies on excised intestines of rats confirmed the bioadhesive properties of the nanocomposites, allowing a prolonged residence time compared to the NEs alone. The second part of the thesis aimed at designing lipid-polymer hybrid systems for the administration of mRNA, to create a versatile platform to address different diseases. Lipoplexes were prepared and characterized to ensure a product bearing define physicochemical qualities. The innovation relies in the addition of a polymeric shell electrostatically bound to their surface, to improve stability and to allow a further functionalization in sight of a targeted delivery. Both systems were studied for their ability to transfect in vitro and in vivo, and for their fate once injected in animals. As results, similar behaviors were obtained for the lipoplexes and their coated counterpart, evidencing that the lipid composition is the feature affecting the particle behavior, rather than surface charge and functionalization. Overall, this thesis provided an extensive investigation on lipid-polymer hybrid formulation strategies aimed at overcoming the biological hurdles for precise drug delivery.