Développement de systèmes de délivrance de médicament à base de pullulane pour le traitement du cancer

Desenvolvimento de sistemas liberação de fármaco a base de pululana para o tratamento do câncer

Development of pullulan-based delivery systems for cancer treatment

• Auteur / Autrice : Layde Teixeira de Carvalho
• Direction : Maria Inês Ré, Simone de Fátima Medeiros Sampaio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux en cotutelle avec Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de Lorena
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Escola de Engenharia de Lorena. Laboratório de Pesquisa e Aplicações de Biopolímeros - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Jean Coudane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Inês Ré, Simone de Fátima Medeiros Sampaio, Abdelhamid Elaissari, Pedro Fardim, Ângela Maria Moraes, Ana Paula Lemes, Sérgio Paulo Campana Filho
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhamid Elaissari, Pedro Fardim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Particules (matière)

Médicaments-retard

Protéines -- Fractionnement

Pullulane

Mots clés libres

Pullulane

Modification chimique

Système de délivrance de médicaments

Microparticules

Nanoparticules

Particules solides

Pululana

Modificação química

Sistemas de liberação de fármaco

Micropartículas

Nanoparticulas

Sólidos particulados

Pullulan

Chemical modification

Drug delivery system

Microparticles

Nanoparticles

Particulate solids

Résumé

Le pullulane (PULL) est un polysaccharide produit par le champignon Aureobasidium Pullulans, largement exploité comme support polymérique pour le développement de systèmes d'administration de médicaments. Le grand nombre de groupes hydroxyles dans la chaîne du pullulane le rend facilement modifiable, permettant ainsi d'obtenir un polymère aux propriétés intéressantes pour les applications pharmaceutiques. Les dernières décennies, de nombreux nouveaux agents thérapeutiques sont apparus pour le traitement du cancer, notamment les petites molécules inhibitrices de tyrosine kinase (smTKI). L'erlotinib (ERL), un membre de la famille des smTKI, a été proposé pour la chimiothérapie orale comme alternative à la thérapie parentérale plus invasive. En raison de la faible solubilité aqueuse et de la mauvaise biodisponibilité de l'ERL, les systèmes d'administration de médicaments est nécessaire pour améliorer l'efficacité de la chimiothérapie orale avec l'ERL. Cette thèse porte sur la préparation de pullulane cationique et amphiphile cationique, et son utilisation pour le développement de systèmes d'administration d'ERL destinés à l'administration orale et à la libération contrôlée de médicaments dans le tractus gastro-intestinal. Deux réactions ont été effectuées pour modifier chimiquement le pullulane, d'abord avec la DEAE, pour la préparation du polysaccharide hydrophile cationique PULL-DEAE, puis par copolymérisation avec poly(Z-L-lysine), en utilisant différentes proportions du monomère, ce qui a permis d'obtenir trois pullulanes amphiphiles cationiques, PULL-DEAE-g-PZLL 25, 40 et 55%. La modification chimique a été confirmée par RMN et FTIR. Le potentiel zêta a démontré le caractère cationique du polysaccharide modifié, en même temps que la concentration critique d'agrégation a montré la capacité d'auto-agrégation du copolymère. Après la synthèse, les polysaccharides ont été utilisés pour la préparation de différents systèmes d'administration de médicaments basés sur les particules solides : dispersions solides par séchage par atomisation (microparticules de PULL et PULL-DEAE), dispersions solides amorphes par extrusion à chaud (microparticules de PULL, PULL-DEAE et PULL-DEAE-g-PZLL ASD) et dispersions solides par nanoprécipitation par dialyse (nanoparticules PULL-DEAE-g-PZLL). Chaque formulation a été évaluée en termes de profil de libération du médicament, en utilisant deux milieux différents pour simuler l'administration orale de l'ERL. Tout d'abord, la dissolution a été réalisée dans un pH acide, simulant les conditions de l'estomac, puis en changeant le pH à des conditions neutres après deux heures pour simuler le passage gastrique-intestinal. Les résultats ont démontré une libération contrôlée des microparticules PULL :ERL et PULL-DEAE :ERL par rapport à l'ERL libre dans des conditions acides. Pour les microparticules PULL, PULL-DEAE et PULL-DEAE-g-PZLL ASD, contenant 30% d'ERL, en plus d'une libération contrôlée, les formulations ont également montré un retard initial de la recristallisation de l'ERL en milieu basique. Les nanoparticules PULL-DEAE-g-PZLL ont montré un comportement similaire à celui des microparticules préparées par extrusion à chaud. Le pullulane chimiquement modifié a démontré un potentiel d'encapsulation de l'ERL, avec la modification de la libération du médicament dans l'environnement gastro-intestinal simulé.

A pululana trata-se de um polissacarídeo produzido pelo fungo Aureobasidium Pullulans, que tem sido amplamente avaliado como um carreador polimérico para o desenvolvimento de sistemas de liberação de medicamentos. A grande quantidade de grupos hidroxila presentes ao longo de sua cadeia, faz com que a pululana seja facilmente modificada, resultando em um polímero com propriedades interessantes para aplicação farmacêutica. Nas últimas décadas, novos agentes terapêuticos foram desenvolvidos para o tratamento do câncer, entre eles, as moléculas pequenas inibidoras da tirosina quinase (smTKI). O erlotinibe (ERL), uma molécula pertencente à família smTKI, foi proposto para quimioterapia oral como uma alternativa à terapia parenteral mais invasiva. Devido à baixa solubilidade em meio aquoso e à baixa biodisponibilidade do ERL, são necessários sistemas de liberação de medicamentos para aumentar a eficácia da quimioterapia oral com ERL. Esta tese se concentra na preparação de pululana catiônicas anfifílica e hidrofílica e seu uso no desenvolvimento de sistemas de liberação de ERL visando à administração oral e à liberação controlada no trato gastrointestinal. Foram realizadas duas reações para modificar quimicamente a pululana, primeiro com DEAE, para a preparação do polissacarídeo hidrofílico catiônico PULL-DEAE, seguido pela copolimerização com poli(Z-L-lisina), usando diferentes proporções do monômero, obtendo três pululanas anfifílicas catiônicas, PULL-DEAE-g-PZLL 25, 40 e 55%. A modificação química foi confirmada por análise química, incluindo NMR e FTIR. O resultado do potencial zeta demonstrou o caráter catiônico do polissacarídeo quimicamente modificado, enquanto a concentração de agregação crítica mostrou a capacidade de autoagregação do copolímero final. Após a síntese, os polissacarídeos foram aplicados na preparação de diferentes sistemas de liberação de fármacos com base em sólidos particulados: incluindo dispersões sólidas por secagem por spray (micropartículas PULL:ERL e PULL-DEAE:ERL) e dispersão sólida amorfa por extrusão a quente (micropartículas PULL, PULL-DEAE e PULL-DEAE-g-PZLL ASD) e dispersão sólida por nanoprecipitação por diálise (nanopartículas PULL-DEAE-g-PZLL). Cada formulação foi avaliada em termos de seu perfil de liberação do fármaco, usando dois meios diferentes para simular a administração oral de ERL. Primeiro, a dissolução foi realizada em pH ácido, simulando as condições do estômago, alterando o pH para condições neutras após duas horas para simular a passagem gastro-intestinal. Os resultados demonstraram uma liberação controlada das micropartículas PULL:ERL e PULL-DEAE:ERL em comparação com a ERL livre em condições ácidas. Para as micropartículas produzidas por extrusão à quente (HME), PULL, PULL-DEAE e PULL-DEAE-g-PZLL ASD, contendo 30% de ERL, além da liberação controlada, as formulações também demonstraram um atraso inicial na recristalização do ERL em meio básico. As nanopartículas PULL-DEAE-g-PZLL apresentaram um comportamento semelhante ao das micropartículas produzidas por HME. Portanto, a pululana quimicamente modificada demonstrou potencial para encapsular a ERL, modificando a liberação do fármaco no ambiente gastrointestinal simulado.

Pullulan (PULL) is a polysaccharide produced by the fungus Aureobasidium Pullulans, which has been widely evaluated as a polymeric carrier for the development of drug delivery systems. The high amount of hydroxyl groups along its backbone makes pullulan easily modified, resulting in a polymer with interesting properties for pharmaceutical applications. In recent decades, many new therapeutic agents have emerged aiming for cancer treatment, among them, small molecules Tyrosine Kinase Inhibitor (smTKI). Erlotinib (ERL), a molecule belonging to the smTKI family has been proposed for oral chemotherapy as an alternative to the more invasive parenteral therapy. Due to the poor solubility in aqueous medium and low bioavailability of ERL, drug delivery systems are needed to enhance the efficacy of oral ERL chemotherapy. This thesis focuses on the preparation of cationic and cationic amphiphilic pullulans, and the use of these chemically modified pullulans for the development of ERL delivery systems aiming at oral administration and controlled drug release in the gastrointestinal tract. Two reactions were performed to chemically modify pullulan, first with Diethylaminoethyl (DEAE), for the preparation of cationic hydrophilic polysaccharide PULL-DEAE, followed by the copolymerization with poly(Z-L-lysine), using different proportion of the monomer, obtaining three cationic amphiphilic pullulan, PULL-DEAE-g-PZLL 25, 40 and 55%. The chemical modification was confirmed by chemical analysis, including NMR and FTIR. Zeta potential result demonstrated the cationic character of the chemically modified polysaccharide, while critical aggregation concentration showed the self-aggregation capacity of the final copolymer. After the synthesis, the polysaccharides were applied in the preparation of different drug delivery systems based on particulate solids: including solid dispersions by spray-drying (PULL:ERL and PULL-DEAE:ERL microparticles) and amorphous solid dispersion by hot-melt extrusion (PULL, PULL-DEAE and PULL-DEAE-g-PZLL ASD microparticles) and solid dispersion by dialysis nanoprecipitation (PULL-DEAE-g-PZLL nanoparticles). Each formulation was evaluated in terms of its drug delivery profile, using two different media to simulate the oral administration of ERL. First, the dissolution was performed in acid pH, simulating the stomach conditions, changing the pH to neutral conditions after two hours to mimic the passage from stomach to duodenum condition. The results demonstrated a controlled release from PULL:ERL and PULL-DEAE:ERL microparticles compared to free ERL in acidic conditions. For PULL, PULL-DEAE, and PULL-DEAE-g-PZLL ASD microparticles, containing 30% of ERL, besides the controlled release, the formulations also demonstrated an initial delay on ERL recrystallization in basic medium, keeping the same concentration after pH change for 5-15 minutes. PULL-DEAE-g-PZLL nanoparticles showed similar behavior to (Hot-Melt Extrusion) HME microparticles. The chemically modified pullulan has demonstrated a potential for encapsulation of chemotherapeutic drugs such as ERL, modifying the drug release in the simulated gastrointestinal environment.