Synthèse et évaluation de prodrogues polymères stimuli-sensibles pour la thérapie combinée et l'administration sous-cutanée de médicaments anticancéreux irritants

Synthesis and evaluation of stimuli-responsive polymer prodrugs for combination therapy and subcutaneous administration of irritant anticancer drugs

• Auteur / Autrice : Léa Guerassimoff
• Direction : Julien Nicolas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pharmacotechnie et biopharmacie
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• 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 : Institut Galien Paris-Saclay (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1998-....)
• 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 : Christine Ménager, Teresa Simon-Yarza, Stefaan De Smedt, Bruno De Geest, Jean-Christophe Leroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Ménager, Teresa Simon-Yarza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères conjugués

Voie sous-cutanée

Anticancéreux

Mots clés libres

Prodrogues polymères

Sensibilité aux stimuli

Formulation eau dans eau

Thérapie combinée

Administration sous-Cutanée

Cancer

Polymer prodrugs

Stimuli-Responsive

All-Aqueous formulation

Combination therapy

Subcutaneous administration

Cancer

Résumé

Depuis de nombreuses années, la thérapie anticancéreuse repose sur la chimiothérapie conventionnelle qui présente néanmoins d'importantes limitations tant pour le patient que pour la structure hospitalière, notamment : (i) une distribution non-spécifique du principe actif ; (ii) une résistance cellulaire ; (iii) une toxicité associée au principe actif et (iv) un coût thérapeutique élevé. L'utilisation de nanotechnologies au service de l'administration de principe actifs anticancéreux a été largement développée afin de surmonter ces limites notamment via des nanoparticules polymères en raison de leur facilité de fonctionnalisation permettant l'insertion de motifs chimiques nécessaires au ciblage actif et à une sensibilité aux stimuli. Néanmoins, ces nanoparticules polymères font toujours face à une délivrance initiale incontrôlée et abrupte du principe actif avant qu'il n'atteigne la zone cible (aussi appelé « burst release »), à une absence de dégradation lors de l'utilisation de polymères vinyliques et à la présence de traces de solvants organiques toxiques provenant du procédé de formulation. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer de nouvelles prodrogues polymères thermo-sensibles visant à (i) réduire le « burst release » des NPs par l'administration d'une forme inactivée du principe actif à l'aide de prodrogues, (ii) améliorer la biocompatibilité des NPs polymères par une méthode de formulation exclusivement dans l'eau, (iii) surmonter la résistance aux principe actifs en concevant des vecteurs de prodrogues thermosensibles contenant deux principes actifs pour une thérapie combinée, (iv) faciliter l'élimination du polymère en utilisant des polymères rapidement dégradables et (v) proposer l'administration sous-cutanée (SC) moins coûteuse et plus confortable pour le patient de prodrogues thermosensibles. Des prodrogues polymères de gemcitabine (Gem) LCST et sensibles au pH ont été synthétisées et leur température de transition (Tcp) optimisée afin de développer une méthode innovante de formulation régie par la température et uniquement dans l'eau. L'évaluation in vitro de ces nanoparticules sur plusieurs lignées cellulaires cancéreuses a montré une toxicité significative. Ce processus de formulation a été étendu à l'encapsulation physique de doxorubicin (Dox) pour la thérapie combinée, aboutissant à des nanoparticules contenant deux principes actifs (Gem et Dox) et capable d'induire un effet synergétique in vitro, confirmé par le calcul de l'index de combinaison.Des prodrogues polymères de Gem dégradables UCST ont été développées dans le prolongement de précédents travaux de notre groupe portant sur les systèmes P(AAm-co-BMDO). L'optimisation du ratio de monomères a conduit à une Tcp autour de 34 °C, menant à une complète solubilité de la prodrogue au niveau du tissu SC et à une dégradation très rapide en conditions physiologiques, assurant une excrétion efficace du matériel. Après avoir montré une toxicité significative in vitro, ces prodrogues ont été appliquées à l'administration par voie SC in vivo démontrant une absence d'effet irritant par rapport à la Gem libre, même à des doses élevées.Ce travail a présenté des prodrogues stimuli-sensibles menant à une méthode de formulation non-toxique pour faciliter la translation clinique de vecteurs de médicaments et à une administration efficace et plus sûre des chimiothérapies en utilisant une voie d'administration moins coûteuse.

For years, cancer therapy has relied on the use of conventional chemotherapy which however presents major limitations, both for the patient and for the hospital including: (i) off-target toxicity; (ii) drug cell resistance; (iii) toxicity from the drugs and (iv) high cost. The use of nanotechnology to deliver anticancer drugs has been extensively developed to overcome such limitations especially via polymer nanoparticles, that have gained interest regarding their ease of functionalization allowing the facile insertion of chemical moieties required for active targeting and stimuli-responsiveness. However, polymer nanoparticles are still facing an abrupt and uncontrolled release of the drug post-administration (i.e., burst release), degradation issues when vinyl polymers are employed and remaining traces of toxic organic solvent from formulation processes. During this PhD, we developed thermoresponsive polymer prodrugs to overcome major challenges of chemotherapy, notably by: (i) reducing the off-target toxicity and burst release of nanocarriers via the administration of an inactivated form of the drug using polymer prodrugs, (ii) improving the biocompatibility of polymeric NPs by formulating them only in water using the thermosensitivity of polymer prodrugs, (iii) overcoming the drug resistance by designing thermosensitive polymer prodrug nanocarriers that contain two active anticancer ingredients for combination therapy, (iv) facilitating the nanocarrier clearance using rapidly degradable polymers and (v) proposing a less-costly and more comfortable administration of chemotherapeutics by designing thermosensitive polymer prodrugs suitable for subcutaneous (SC) administration. LCST and pH-sensitive polymer prodrugs of gemcitabine (Gem) were synthesized and their transition temperature (Tcp) was adjusted to develop an innovative all-aqueous thermo-driven formulation method. In vitro evaluation of the resulting nanoparticles led to significant toxicity on different cancer cell lines. This new formulation process was also extended to the physical encapsulation of doxorubicin (Dox) as a second anticancer agent for combination therapy purposes, leading to dual-drug Gem/Dox nanoparticles able to induce a synergistic effect in vitro, confirmed by the calculation of the combination index.UCST and degradable polymer prodrugs of Gem were developed by extension of the previous work on P(AAm-co-BMDO) copolymers. The optimization of the monomer ratio led to a Tcp of around 34 °C, allowing a complete water-solubility in the SC tissue and fast hydrolytic degradation under physiological conditions, ensuring rapid and complete excretion of the materials. After demonstrating significant in vitro cytotoxicity, these Gem-based prodrugs were applied to the SC administration in vivo resulting in the absence of irritant effect conversely to free Gem even at high doses.This work has presented stimuli-responsive prodrugs devoted to a non-toxic formulation method for easier clinical translation of drug delivery nanocarriers and to an efficient and safer administration of chemotherapeutics using a less-costly administration route.