Développement d'un modèle prédictif du dépôt d'aérosol chez le macaque et moyens d'administrations associés

Development of a predictive model of aerosol deposition in macaque and administration means associated

• Auteur / Autrice : Justina Creppy
• Direction : Frédéric Ducancel, Laurent Vecellio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 29/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Immunologie des maladies virales, auto-immunes, hématologiques et bactériennes (Fontenay-aux-Roses, Hautes-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Elias Fattal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Ader, Jean-Christophe Dubus, Sandrine Marchand, Jean-Nicolas Tournier, Branka Horvat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Ader, Jean-Christophe Dubus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spores bactériennes

Anticorps antivirus

Primates

Aérosols

Atomiseurs

Mots clés libres

Nébuliseurs

Aérosols

Modèle alternatif

Macaque

Spores bactériennes

Anticorps thérapeutique inhalé

Nebulizers

Aerosols

Alternative model

Macaque

Bacterial spores

Inhaled therapeutic antibody

Résumé

Les aérosols sont des particules présentes dans l'air et qui pénètrent dans les voies respiratoires.Ces particules peuvent être toxiques ou thérapeutiques. Afin de comprendre leurs effets chez l'Homme, des études précliniques utilisant des modèles animaux comme le Primate Non Humain (PNH), sont essentielles et règlementairement exigées pour les produits administrés par voie respiratoire chez l'Homme. Ces études permettent de prédire le dépôt et l'effet des aérosols dans les voies respiratoires supérieures et inférieures. La voie inhalée étant la porte d'entrée naturelle des pathogènes elle peut être facilement utilisée pour des attaques bioterroristes. Le PNH a été identifié comme un modèle animal pertinent pour les études d'inhalation, compte tenu de sa proximité anatomique et physiologique avec l'Homme. Nous avons étudié les dépôts des aérosols dans ce modèle afin de proposer des outils d'administration appropriés pour des particules pathogènes ou thérapeutiques. Tout en utilisant le PNH comme modèle préclinique nous avons tenu à respecter la règle des 3 R (Remplacer, Réduire et Raffiner) dans notre étude dont l'objectif principal était de développer un modèle anatomique in vitro “3DCast” des voies respiratoires hautes et basses pour prédire le dépôt d'aérosols radio marquées chez le macaque. Pour cela, des impressions en 3D de modèles anatomiques des voies aériennes ont été réalisées à partir de scans de macaques adultes cynomolgus et ont été couplées à des systèmes simulant la ventilation pulmonaire. Une comparaison entre le dépôt des aérosols radio marqués dans les modèles anatomiques et le dépôt chez l'animal a été réalisée au moyen d'une méthode par imageries cintigraphique. Celle-ci a confirmé la pertinence des modèles in vitro pour prédire le dépôt in vivo. Sur la base de ce modèle anatomique, nous avons ensuite développé trois prototypes de systèmes d'administration d'aérosol pour le PNH. Il s'agissait de concevoir et de tester un dispositif d'administration par inhalation d'aérosols thérapeutiques (anticorps thérapeutiques) et/ou d'aérosols de pathogènes (spores) permettant de maitriser le dépôt d'aérosols dans les voies respiratoires, dans des conditions de sécurité biologique de niveau 3 (BSL 3). La quantification du dépôt des aérosols a été réalisée par imagerie gamma caméra et par TEP/TDM chez le macaque sans contamination extérieure, validant ainsi le fonctionnement du prototype innovant. Des essais ont été réalisés avec des spores de Bacillus atrophaeus et des anticorps thérapeutiques contre SARS-CoV-2démontrant la capacité du système nébuliseur prototype à administrer ces aérosols biologiques en quantité suffisante dans les voies respiratoires du macaque.

Aerosols are particles in the air that enter the respiratory tract. These particles can be toxic or therapeutic.In order to understand their effects on humans, preclinical studies using animal models such as the Non-Human Primate (NHP) are essential. They are required by regulation for products administered by the respiratory route in humans. These studies are used to predict the deposition and effect of aerosols in the upper and lower respiratory tract. The inhalation route is the natural entry point for pathogens and can be easily used for bioterrorist attacks. Given its anatomical and physiological proximity to humans, the NHP has been identified as a relevant animal model for inhalation studies. We have studied aerosol deposition in this model to propose appropriate delivery tools for pathogen or therapeutic pathogenic particles. While using the NHP as a preclinical model, we were keen to respect the 3Rs rule (Replace, Reduce, and Refine) in our study, the main objective was to develop an in vitro ''3D Cast'' anatomical model of the upper and lower airways to predict the deposition of radiolabelled aerosols in the macaque. For this purpose, 3D cast anatomical models of the airways were made from scans of adult cynomolgus macaques and were coupled with a system simulating pulmonary ventilation. A comparison between the deposition of radio labeled aerosols in the anatomical models and deposition in the animal was conducted using ascintigraphy imaging method. This confirmed the relevance of in vitro models in predicting in vivo deposition. Based on this anatomical model, we then developed three prototype of aerosol delivery systems for the NHP. The goal was to design and test an inhalation delivery device for therapeutic aerosols (therapeutic antibodies) and/or pathogen aerosols (spores) to control aeroso deposition in the respiratory tract under BSL 3 conditions. Quantification of aerosol deposition was performed through gamma camera imaging and PET/CT scans in the macaque without external contamination, thereby validating the functionality of the innovative prototype. Tests were performed with Bacillus atrophaeus spores and therapeutic antibodies against SARS-CoV2,demonstrating the ability of the prototype nebulizer system to deliver these biological aerosols in sufficient quantities into the macaque's respiratory airways tract.