Modélisation physique de la délivrance transdermique électrostimulée de médicaments

Physical modelling of electrostimulated transdermal drug delivery

• Auteur / Autrice : Georgios Kougkolos
• Direction : Emmanuel Flahaut, Zarel Valdez Nava
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Dagreou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Frenea-Robin, Antoni Ivorra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Médicaments -- Administration par voie transcutanée

Électroporation

Mots clés libres

Électroporation de la peau

Délivrance de médicaments

Nanotubes de carbone

Hydrogels

Skin electroporation

Drug delivery

Carbon nanotubes

Hydrogels

Résumé

L'électroporation de la peau pour l'administration transdermique de médicaments comprend l'application de champs électriques pulsés (PEF) sur la peau pour perturber sa fonction de barrière de manière temporaire et non invasive, augmentant ainsi l'absorption des médicaments. Elle représente une alternative potentielle aux méthodes d'administration conventionnelles qui sont invasives (par exemple les injections) ou limitées (les médicaments pris par voie orale subissent un métabolisme de premier passage). Parmi ses avantages, on note une biodisponibilité accrue, des concentrations sanguines stables et soutenues, une auto-administration indolore et une réduction de la fréquence des prises, ce qui améliore la compliance du patient et sa qualité de vie. Nous avons mis au point un système d'administration de médicaments par hydrogel nanocomposite en combinant le polymère d'agarose hydrophile et biocompatible avec des nanotubes de carbone biparois conducteurs d'électricité. L'hydrogel a servi de réservoir pour le médicament et d'électrode conductrice pour l'application d'impulsions électriques sur la peau. Les hydrogels ont été séchés à l'air puis gonflés dans une solution aqueuse avec une molécule d'intérêt, absorbant 2,7 fois leur masse sèche. L'incorporation de nanotubes de carbone dans les hydrogels d'agarose a augmenté leur conductivité électrique de deux ordres de grandeur. En parallèle, nous avons testé l'impact de nombreux paramètres (concentration en nanomatériaux, méthode de traitement, agent dispersant, polymère) sur le taux de gonflement et la conductivité électrique des hydrogels. Nous avons utilisé une approche multi-échelle pour étudier le système d'administration de médicaments sur un modèle de peau de souris, au travers de mesures électriques, de la modélisation numérique et de la microscopie à fluorescence. Les propriétés électriques ont révélé un comportement électrique fortement non linéaire de la peau. La résistance moyenne de la peau diminue avec l'augmentation de la tension appliquée, et la résistance instantanée diminue pendant l'application des impulsions électriques. Les mesures de courant et de tension ont été utilisées pour étudier la récupération de la peau après l'électroporation et pour valider le modèle numérique. La simulation de la distribution du champ électrique dans la peau a permis de calculer des intensités de champ électrique dans la gamme de l'électroporation tissulaire réversible (400-1200 V/cm) dans les couches de peau viables, pour des PEF de 300 V. La microscopie à fluorescence a révélé une absorption accrue de molécules fluorescentes (utilisées comme modèles de médicaments) par rapport au contrôle non pulsé. Nous avons signalé trois domaines d'effets des PEF sur la peau : (1) dès 50 V PEF, des voies conductrices se sont formées à travers l'épiderme, diminuant la résistance de la peau, (2) à 100 V PEF, les premières régions de transport local sont apparues dans les lipides extracellulaires de la couche cornée, (2) à 100 V PEF, les premières régions de transport local sont apparues dans les lipides extracellulaires de la couche cornée, démontrées par une marquage accrue de jaune lucifer, un petit fluorophore hydrophile et (3) à 300 V PEF, la première perméabilisation des cellules nucléées s'est produite, démontrée par la fluorescence accrue de l'iodure de propidium, un agent d'intercalation de l'ADN imperméable à la membrane.

Skin electroporation for transdermal drug delivery involves the application of Pulsed Electric Fields (PEFs) on the skin to disrupt its barrier function in a temporary and non-invasive manner, increasing the uptake of drugs. It represents a potential alternative to conventional delivery methods that are invasive (e.g. injections) or limited (orally-taken medication undergoes first-pass metabolism). Advantages include increased bioavailability, sustained steady-state blood concentration levels, painless self-administration and reduced frequency of dosing, which in turn improve patient compliance and quality of life. We have developed a nanocomposite hydrogel drug delivery system by combining the hydrophilic and biocompatible agarose polymer with electrically conductive double-wall carbon nanotubes. The hydrogel acted as a reservoir for the drug and as a conductive electrode for the application of electrical pulses on the skin. The hydrogels were air-dried and then swollen in an aqueous solution with a molecule of interest, absorbing 2.7 times their dry mass. The incorporation of double-wall carbon nanotubes in the agarose hydrogels increased their electrical conductivity by two orders of magnitude. In parallel, we tested the impact of numerous parameters (nanomaterial concentration, processing method, dispersing agent, polymer) on the swelling ratio and electrical conductivity of the hydrogels. We employed a multi-scale approach to investigate the drug delivery system on a mouse skin model, through electrical measurements, numerical modeling and fluorescence microscopy. Electrical properties indicated a highly nonlinear skin electrical behavior. The average resistance of the skin decreased with increasing applied voltage, and the instantaneous resistance decreased during the application of the electrical pulses. The current and voltage measurements were used to study skin recovery after electroporation and to validate the numerical model. The simulation of electric field distribution in the skin calculated electric field strengths in the range of reversible tissue electroporation (400-1200 V/cm) in the viable skin layers, for PEFs of 300 V. Fluorescence microscopy revealed increased uptake of fluorescent molecules (used as drug models) compared to the non-pulsed control. We reported three domains of effect of PEFs on the skin: (1) already at 50 V PEF conductive pathways were formed through the epidermis, decreasing the resistance of the skin, (2) at 100 V PEF, the first local transport regions appeared in the extracellular lipids of the stratum corneum, demonstrated by an increased uptake of lucifer yellow, a small hydrophilic fluorophore and (3) at 300 V PEF, the first permeabilization of nucleated cells occurred, evidenced by the increased fluorescence of propidium iodide, a membrane-impermeable DNA intercalating agent.