Desenvolvimento e caracterização de nanopartículas lipídicas destinadas à aplicação tópica de dapsona

In this work, theospheres (innovative lipid nanoparticles) were prepared by the high pressure homogenization technique using different surfactants for dapsone encapsulation. Mean particle size ranged from 105 to 153 nm and negative zeta potentials were obtained for all theosphere formulations. Atomic force microscopy images confirmed the spherical shape of theospheres. The HPLC method used to determine dapsone-loaded theospheres was selective, linear, exact and precise. The entrapment efficiency of dapsone was 91.4%. Theospheres provided controlled release of idebenone (52.7 ± 1.6%) in comparison to the free drug (103.1 ± 1.9%).

Estudo da liberação controlada do herbicida ametrina em compósitos à base de PVA: carvão ativado

Herbicides have great importance in agricultural productivity for weed control, given their competition with crops. However, inadequate application of herbicides may lead to environmental problems, which can be minimized through controlled release of the active compounds. This may be achieved by protecting the herbicide in a structure with adequate porosity, where the diffusional behavior can determine release. Thus, in this study we evaluated a novel structure, a composite based on activated carbon bonded by polyvinyl alcohol (PVA) as pellets, to deliver a triazine herbicide. The product obtained was shown to be adequate for its purpose, since it was possible to process regular pellets, where the PVA percentage determined the properties.

DEVELOPMENT AND VALIDATION OF ANALYTICAL METHOD FOR PALM OIL DETERMINATION IN MICROCAPSULES PRODUCED BY COMPLEX COACERVATION

The microencapsulation of palm oil may be a mechanism for protecting and promoting the controlled release of its bioactive compounds. To optimize the microencapsulation process, it is necessary to accurately quantify the palm oil present both external and internal to the microcapsules. In this study, we developed and validated a spectrophotometric method to determine the microencapsulation efficiency of palm oil by complex coacervation. We used gelatin and gum arabic (1:1) as wall material in a 5% concentration (w/v) and palm oil in the same concentration. The coacervates were obtained at pH 4.0 ± 0.01, decanted for 24 h, frozen (−40 ºC), and lyophilized for 72 h. Morphological analyzes were then performed. We standardized the extraction of the external palm oil through five successive washes with an organic solvent. We then explored the best method for rupturing the microcapsules. After successive extractions with hexane, we determined the amount of palm oil contained in the microcapsules using a spectrophotometer. The proposed method was shown to be of low cost, fast, and easy to implement. In addition, in the validation step, we confirmed the method to be safe and reliable, as it proved to be specific, accurate, precise, and robust.

Atrazine persistence applied as commercial and xerogel formulations in oxisol

The intensive use of pesticides have contaminated the soil and groundwater. The application of herbicides as controlled release formulations may reduce the environmental damage related to their use because it may optimize the efficiency of the active ingredient and reducing thus the recommended dose. The objective of this study was to evaluate the persistence of the herbicide atrazine applied as commercial formulation (COM) and as controlled release formulation (xerogel - XER) in Oxisol. The experimental design used was split-plot randomized-blocks with four replications, in a (2 x 6) + 1 arrangement. The two formulations (COM and XER) were assigned to main plots and different atrazine concentrations (0, 3.200, 3.600, 4.200, 5.400 and 8.000 g atrazine ha-1) were assigned to sub-plots. Persistence was determined by means of dissipation kinetics and bioavailability tests. The methodology of bioassays to assess the atrazine availability is efficient and enables to distinguish the tested formulations. The availability of atrazine XER is higher than the commercial in two different periods: up to 5 days after herbicide application and at the 35th day after application. The XER formulation tends to be more persistent in relation to COM formulation.

Leaching of Atrazine in Commercial and Xerogel Formulations in Oxisol Using Bioassay and Chromatographic Methods

Mobility of atrazine in soil has contributed to the detection of levels above the legal limit in surface water and groundwater in Europe and the United States. The use of new formulations can reduce or minimize the impacts caused by the intensive use of this herbicide in Brazil, mainly in regions with higher agricultural intensification. The objective of this study was to compare the leaching of a commercial formulation of atrazine (WG) with a controlled release formulation (xerogel) using bioassay and chromatographic methods of analysis. The experiment was a split plot randomized block design with four replications, in a (2 x 6) + 1 arrangement. The main formulations of atrazine (WG and xerogel) were allocated in the plots, and the herbicide concentrations (0, 3200, 3600, 4200, 5400 and 8000 g ha-1), in the subplots. Leaching was determined comparatively by using bioassays with oat and chromatographic analysis. The results showed a greater concentration of the herbicide in the topsoil (0-4 cm) in the treatment with the xerogel formulation in comparison with the commercial formulation, which contradicts the results obtained with bioassays, probably because the amount of herbicide available for uptake by plants in the xerogel formulation is less than that available in the WG formulation.

In vivo photorelease of GABA in the mouse cortex

Electrical stimulation has been used for more than 100 years in neuroscientific and biomedical research as a powerful tool for controlled perturbations of neural activity. Despite quickly driving neuronal activity, this technique presents some important limitations, such as the impossibility to activate or deactivate specific neuronal populations within a single stimulation site. This problem can be avoided by pharmacological methods based on the administration of receptor ligands able to cause specific changes in neuronal activity. However, intracerebral injections of neuroactive molecules inherently confound the dynamics of drug diffusion with receptor activation. Caged compounds have been proposed to circumvent this problem, for spatially and temporally controlled release of molecules. Caged compounds consist of a protecting group and a ligand made inactive by the bond between the two parts. By breaking this bond with light of an appropriate wavelength, the ligand recovers its activity within milliseconds. To test these compounds in vivo, we recorded local field potentials (LFPs) from the cerebral cortex of anesthetized female mice (CF1, 60-70 days, 20-30 g) before and after infusion with caged γ-amino-butyric-acid (GABA). After 30 min, we irradiated the cortical surface with pulses of blue light in order to photorelease the caged GABA and measure its effect on global brain activity. Laser pulses significantly and consistently decreased LFP power in four different frequency bands with a precision of few milliseconds (P < 0.000001); however, the inhibitory effects lasted several minutes (P < 0.0043). The technical difficulties and limitations of neurotransmitter photorelease are presented, and perspectives for future in vivo applications of the method are discussed.

Developments in the use of nanocapsules in oncology

The application of nanotechnology to medicine can provide important benefits, especially in oncology, a fact that has resulted in the emergence of a new field called Nanooncology. Nanoparticles can be engineered to incorporate a wide variety of chemotherapeutic or diagnostic agents. A nanocapsule is a vesicular system that exhibits a typical core-shell structure in which active molecules are confined to a reservoir or within a cavity that is surrounded by a polymer membrane or coating. Delivery systems based on nanocapsules are usually transported to a targeted tumor site and then release their contents upon change in environmental conditions. An effective delivery of the therapeutic agent to the tumor site and to the infiltrating tumor cells is difficult to achieve in many cancer treatments. Therefore, new devices are being developed to facilitate intratumoral distribution, to protect the active agent from premature degradation and to allow its sustained and controlled release. This review focuses on recent studies on the use of nanocapsules for cancer therapy and diagnosis.

Use of the spray chilling method to deliver hydrophobic components: physical characterization of microparticles

Food industry has been developing products to meet the demands of increasing number of consumers who are concerned with their health and who seek food products that satisfy their needs. Therefore, the development of processed foods that contain functional components has become important for this industry. Microencapsulation can be used to reduce the effects of processing on functional components and preserve their bioactivity. The present study investigated the production of lipid microparticles containing phytosterols by spray chilling. The matrices comprised mixtures of stearic acid and hydrogenated vegetable fat, and the ratio of the matrix components to phytosterols was defined by an experimental design using the mean diameters of the microparticles as the response variable. The melting point of the matrices ranged from 44.5 and 53.4 ºC. The process yield was melting point dependent; the particles that exhibited lower melting point had greater losses than those with higher melting point. The microparticles' mean diameters ranged from 13.8 and 32.2 µm and were influenced by the amount of phytosterols and stearic acid. The microparticles exhibited spherical shape and typical polydispersity of atomized products. From a technological and practical (handling, yield, and agglomeration) points of view, lipid microparticles with higher melting point proved promising as phytosterol carriers.

Systèmes vésiculaires colloïdaux pour la vectorisation de la 1-β-D-arabinofuranosylcytosine

La 1-β-D-arabinofuranosylcytosine (ara-C) demeure l’agent anticancéreux principalement utilisé dans le traitement de la leucémie myéloblastique aiguë (LMA), malgré sa dégradation et son élimination rapide après une administration parentérale. Son encapsulation dans des vecteurs pharmaceutiques, majoritairement des liposomes, a permis de surmonter ces inconvénients. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer deux systèmes à libération prolongée, à base de phospholipides, de cholestérol et de poly(éthylène glycol) (PEG) afin d’encapsuler l’ara-C et ultimement, d’améliorer son efficacité dans le traitement de la LMA. Des Sphérulites® (vésicules multilamellaires d’un type particulier) ont d’abord été étudiées pour leur forte capacité d’encapsulation, due à leur mode de préparation. Par la suite, une formulation liposomale capable, d’une part de cibler spécifiquement les cellules leucémiques et, d’autre part, de promouvoir la libération intracellulaire de l’ara-C grâce à sa sensibilité au pH, a été mise au point. Les deux formulations se devaient d’avoir un faible diamètre, une stabilité en présence de fluides biologiques et des temps de circulation prolongés chez l’animal. Une préparation de Sphérulites®, composée de Phospholipon 90G, de Solutol HS15 et de cholestérol, a permis d’obtenir des vésicules de 300 nm de diamètre. Un dérivé lipidique de PEG a pu être fixé à leur surface, sans modifier la disposition concentrique des lamelles, ni changer leur stabilité. Les Sphérulites® PEGylées ont été chargées d’ara-C et injectées chez le rat par la voie intraveineuse. Elles ont démontré des temps de circulation significativement prolongés comparativement aux Sphérulites® sans PEG. Cependant, l’ara-C s’est retrouvée éliminée de la circulation sanguine très rapidement, révélant une libération précoce du principe actif à partir de ces vésicules. Les liposomes sensibles au pH (~150 nm) ont été obtenus suite à l’insertion d’un copolymère à base de dioctadécyle, de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique. L’anticorps anti-CD33, soit complet soit son fragment Fab’, a été fixé à la surface des liposomes afin de cibler les cellules leucémiques. Les essais in vitro ont démontré la spécificité de la formulation pour différentes cellules leucémiques (CD33+), sa stabilité en présence de protéines plasmatiques et la libération intracellulaire d’un marqueur fluorescent et de l’ara-C. Enfin, des études menées chez la souris saine et immunodéprimée inoculée de cellules HL60 ont montré que la formulation exposant le fragment Fab’ possédait un profil pharmacocinétique et une biodistribution semblables à ceux des liposomes contrôles non-ciblés. L’encapsulation de l’ara-C a permis d’améliorer grandement ses temps de circulation après une administration intraveineuse. Cependant, bien que les immunoliposomes ont permis de prolonger la survie des souris leucémiques comparativement à l’ara-C libre, l’addition du polymère sensible au pH n’a pas permis d’apporter de réel avantage à la formulation lorsque administrée in vivo. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ont, dans un premier temps, mis en évidence que les Sphérulites® pourraient s’avérer utiles dans la vectorisation d’agents anticancéreux si leur capacité à retenir le principe actif in vivo était améliorée. Dans un second temps, les données présentées avec les immunoliposomes suggèrent qu’ils pourraient apporter un bénéfice notable dans le traitement de la LMA.

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

Novel non phospholipid liposomes with high sterol content : development and characterization

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments.

Nanonization of megestrol acetate by laser fragmentation in aqueous milieu

Faculté de Pharmacie

Assessment of PEG on Polymeric Particles Surface, a Key Step in Drug Carrier Translation

Injectable drug nanocarriers have greatly benefited in their clinical development from the addition of a superficial hydrophilic corona to improve their cargo pharmacokinetics. The most studied and used polymer for this purpose is poly(ethylene glycol), PEG. However, in spite of its wide use for over two decades now, there is no general consensus on the optimum PEG chain coverage-density and size required to escape from the mononuclear phagocyte system and to extend the circulation time. Moreover, cellular uptake and active targeting may have conflicting requirements in terms of surface properties of the nanocarriers which complicates even more the optimization process. These persistent issues can be largely attributed to the lack of straightforward characterization techniques to assess the coverage-density, the conformation or the thickness of a PEG layer grafted or adsorbed on a particulate drug carrier and is certainly one of the main reasons why so few clinical applications involving PEG coated particle-based drug delivery systems are under clinical trial so far. The objective of this review is to provide the reader with a brief description of the most relevant techniques used to assess qualitatively or quantitatively PEG chain coverage-density, conformation and layer thickness on polymeric nanoparticles. Emphasis has been made on polymeric particle (solid core) either made of copolymers containing PEG chains or modified after particle formation. Advantages and limitations of each technique are presented as well as methods to calculate PEG coverage-density and to investigate PEG chains conformation on the NP surface.

2D, 3D and 4D active compound delivery in tissue engineering and regenerative medicine

Recent advances in tissue engineering and regenerative medicine have shown that controlling cells microenvironment during growth is a key element to the development of successful therapeutic system. To achieve such control, researchers have first proposed the use of polymeric scaffolds that were able to support cellular growth and, to a certain extent, favor cell organization and tissue structure. With nowadays availability of a large pool of stem cell lines, such approach has appeared to be rather limited since it does not offer the fine control of the cell micro-environment in space and time (4D). Therefore, researchers are currently focusing their efforts on developing strategies that include active compound delivery systems in order to add a fourth dimension to the design of 3D scaffolds. This review will focus on recent concepts and applications of 2D and 3D techniques that have been used to control the load and release of active compounds used to promote cell differentiation and proliferation in or out of a scaffold. We will first present recent advances in the design of 2D polymeric scaffolds and the different techniques that have been used to deposit molecular cues and cells in a controlled fashion. We will continue presenting the recent advances made in the design of 3D scaffolds based on hydrogels as well as polymeric fibers and we will finish by presenting some of the research avenues that are still to be explored.

Eficacia de la melatonina en insomnio primario en el adulto mayor: revisión sistemática de la literatura

Introducción: La melatonina, una sustancia cronobiótica endógena, es cada vez más empleada para el manejo de los problemas del sueño en adultos mayores por su aparente eficacia y buen perfil de eventos adversos. En este sentido, se intentó evaluar la eficacia de la melatonina en el tratamiento del insomnio primario en el adulto mayor (≥55 años) comparado con benzodiacepinas, zopiclona y placebo a la luz de la evidencia disponible en los últimos cinco años. Métodos: Revisión sistemática de la literatura. Resultados: En comparación con placebo, al parecer la melatonina mejora la calidad y los hábitos de sueño, no así la latencia de inicio de sueño en mediciones subjetivas ni objetivas (polisomnografía); a diferencia de otros medicamentos hipnóticos, no altera la arquitectura del sueño ni genera síntomas diurnos. Conclusiones: No se encontró evidencia que soporte el uso de melatonina en adultos mayores de 55 años para la reducción de la latencia de sueño, aumento del tiempo total de sueño, mejoría de la eficiencia del sueño, disminución de despertares nocturnos o mejoría de la calidad de sueño. Es necesario adelantar más estudios en comparación con placebo y otros medicamentos.