Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

Mechanical Reinforcement of Continuous Flow Spun Polyelectrolyte Complex Fibers

A simple continuous flow wet-spinning method to achieve mechanical reinforcement of the two oppositely charged biopolymers chitosan and gellan gum is described. The mechanical properties of these biopolymers are influenced by the order of addition. Using a facile method for mechanical reinforcement of gellan gum/chitosan fibers resulted in increases in Young's modulus, tensile strength, and toughness. Spinning gellan gum into chitosan resulted in the strongest fibers. We show that our fibers can provide a mechanical alternative for bio-fibers without the need of cross-linking. It is demonstrated that the fibers become ionically conducting in the presence of water vapor.

Prostate cancer cell-specific VEGF siRNA delivery system using cell targeting peptide conjugated polyplexes

A polymeric gene carrier was developed to deliver vascular endothelial growth factor (VEGF) small interfering RNA (siRNA) for prostate cancer cells in a target-specific manner. Prostate cancer-binding peptide (PCP) was conjugated with polyethylenimine (PEI) via a poly(ethylene glycol) (PEG) linker (PEI-PEG-PCP). The PEI-PEG-PCP conjugate could effectively condense siRNA to form stable polyelectrolyte complexes (polyplexes) with an average diameter of approximately 150 nm in an aqueous solution. VEGF siRNA/PEI-PEG-PCP polyplexes exhibited significantly higher VEGF inhibition efficiency than PCP-unmodified polycationic carriers (PEI-PEG or PEI) in human prostate carcinoma cells (PC-3 cells). The enhanced gene silencing activity of VEGF siRNA/PEI-PEG-PCP was maintained even under serum conditions, owing to the steric stabilization of the polyplexes with hydrophilic PEG grafts. Confocal microscopic studies revealed that the siRNA/PEI-PEG-PCP polyplexes were delivered into PC-3 cells in a PCP ligand-specific manner.

The effects of charge density and concentration on the composition of polyelectrolyte complexes

Polyelectrolyte complex formation involving carboxymethylcellulose and quaternized poly(vinylpyridine) as the polyions has been studied using viscosity and u.v. spectroscopic methods. The influence of charge density and molecular weight of two polycations on the composition of the complex has been investigated at two different concentrations. The charge density of the polycation is found to have different influences on the composition at different concentrations. The molecular weight of the polycation and the location of the ionic site on the polycation do not show any effect on the composition. A drastic increase in the viscosity of the polyion mixture containing quaternized poly(2-vinylpyridine) in the non-stoichiometric ratio shows evidence for the existence of the soluble polyelectrolyte complex. The results are analysed on the basis of the relative extension of the polyelectrolyte chains.

Effect of block sequence and block length on the stimuli-responsive behavior of polyampholyte brushes: hydrogen bonding and electrostatic interaction as the driving force for surface rearrangement

Diblock polyampholyte brushes with different block sequences (Si/SiO2/poly(acrylic acid)-b-poly (2-vinylpyridine) (PAA-b-P2VP) brushes and Si/SiO2/P2VP-b-PAA brushes) and different block lengths were synthesized by sequent surface-initiated atom transfer radical polymerization (ATRP). The PAA block was obtained through hydrolysis from the corresponding poly(tert-butyl acrylate). The polyampholyte brushes demonstrated unique pH-responsive behavior. In the intermediate pH region, the brushes exhibited a less hydrophilic wetting behavior and a rougher surface morphology due to the formation of polyelectrolyte complex through electrostatic interaction between oppositely charged blocks. In the low pH and high pH regions, the rearrangement of polyampholyte brushes showed great dependence on the block sequence and block length. The polyampholyte brushes with P2VP-b-PAA sequence underwent rearrangement during alternative treatment by acidic aqueous solution (low pH value) and basic aqueous solution (high pH value).

Polyelectrolyte complexes based on chitosan and poly(L-glutamic acid)

Polyelectrolyte complexes (PECs) were prepared by mixing aqueous solutions of chitosan (CS) and poly(L-glutamic acid) (PLGA) at various pH. It was found that the stoichiometry of the PECs depends on pH.An investigation of the PECs using Fourier transform infrared spectroscopy proved that the formation of the complexes is due to electrostatic interaction between –NH3 + groups of CS and –COO− groups of PLGA. The solid PECs were characterized using wide-angle X-ray diffraction, which suggested that a strong interaction occurs between the two polymers at pH = 4 or 5 and relatively weak interaction at pH = 3. These results were further confirmed by thermogravimetric analysis data. Transmission electron microscopy showed that the complexes have a spherical shape. The effect of ionic strength on the size of the PECs was also studied using dynamic light scattering. It was found that the size of the PECs is dependent on pH.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées.

Mise au point de micelles polyioniques pour l'administration de biomacromolécules thérapeutiques : synthèse de polymères et études physicochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Hydrodynamics and solid dosage form disintegration/dissolution : immediate release tablets and novel in situ polyelectrolyte gastroretentive drug delivery systems

Solid oral dosage form disintegration in the human stomach is a highly complex process dependent on physicochemical properties of the stomach contents as well as on physical variables such as hydrodynamics and mechanical stress. Understanding the role of hydrodynamics and forces in disintegration of oral solid dosage forms can help to improve in vitro disintegration testing and the predictive power of the in vitro test. The aim of this work was to obtain a deep understanding of the influence of changing hydrodynamic conditions on solid oral dosage form performance. Therefore, the hydrodynamic conditions and forces present in the compendial PhEur/USP disintegration test device were characterized using a computational fluid dynamics (CFD) approach. Furthermore, a modified device was developed and the hydrodynamic conditions present were simulated using CFD. This modified device was applied in two case studies comprising immediate release (IR) tablets and gastroretentive drug delivery systems (GRDDS). Due to the description of movement provided in the PhEur, the movement velocity of the basket-rack assembly follows a sinusoidal profile. Therefore, hydrodynamic conditions are changing continually throughout the movement cycle. CFD simulations revealed that the dosage form is exposed to a wide range of fluid velocities and shear forces during the test. The hydrodynamic conditions in the compendial device are highly variable and cannot be controlled. A new, modified disintegration test device based on computerized numerical control (CNC) technique was developed. The modified device can be moved in all three dimensions and radial movement is also possible. Simple and complex moving profiles can be developed and the influence of the hydrodynamic conditions on oral solid dosage form performance can be evaluated. Furthermore, a modified basket was designed that allows two-sided fluid flow. CFD simulations of the hydrodynamics and forces in the modified device revealed significant differences in the fluid flow field and forces when compared to the compendial device. Due to the CNC technique moving velocity and direction are arbitrary and hydrodynamics become controllable. The modified disintegration test device was utilized to examine the influence of moving velocity on disintegration times of IR tablets. Insights into the influence of moving speed, medium viscosity and basket design on disintegration times were obtained. An exponential relationship between moving velocity of the modified basket and disintegration times was established in simulated gastric fluid. The same relationship was found between the disintegration times and the CFD predicted average shear stress on the tablet surface. Furthermore, a GRDDS was developed based on the approach of an in situ polyelectrolyte complex (PEC). Different complexes composed of different grades of chitosan and carrageenan and different ratios of those were investigated for their swelling behavior, mechanical stability, and in vitro drug release. With an optimized formulation the influence of changing hydrodynamic conditions on the swelling behavior and the drug release profile was demonstrated using the modified disintegration test device. Both, swelling behavior and drug release, were largely dependent on the hydrodynamic conditions. Concluding, it has been shown within this thesis that the application of the modified disintegration test device allows for detailed insights into the influence of hydrodynamic conditions on solid oral dosage form disintegration and dissolution. By the application of appropriate test conditions, the predictive power of in vitro disintegration testing can be improved using the modified disintegration test device. Furthermore, CFD has proven a powerful tool to examine the hydrodynamics and forces in the compendial as well as in the modified disintegration test device. rn

Fabrication of fibril like aggregates by self-assembly of block copolymer mixtures via interpolymer hydrogen bonding

This paper describes the formation of fibril like aggregates from the self-assembly of block copolymer mixture (polystyrene-b-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) and polystyrene-b-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA)) via interpolymer hydrogen bonding in nonselective solvent. The hydrogen bonding between P4VP and PAA in chloroform leads to the formation of complex. When all the pyridine units in P4VP were all hydrogen bonded to acrylic acid in PAA, the formed complex is insoluble, resulting in the formation of spherical micellar aggregates and nanorods.