A Phase I Clinical Study of Cisplatin-Incorporated Polymeric Micelles (NC-6004) in Patients with Solid Tumors

BACKGROUND: On the basis of preclinical studies of NC-6004, a cisplatin-incorporated micellar formulation, we hypothesised that NC-6004 could show lower toxicity than cisplatin and show greater anti-tumour activity in phase I study. METHODS: A total of 17 patients were recruited in a range of advanced solid tumour types. NC-6004 was administered intravenously (i.v.) every 3 weeks. The dose escalation started at 10?mg?m(-2) and was increased up to 120?mg?m(-2) according to the accelerated titration method and modified Fibonacci method. RESULTS: One dose-limiting toxicity (DLT) occurred in a patient who was given 90?mg?m(-2) of NC-6004, otherwise any significant cisplatin-related toxicity was not observed or generally mild toxicity was observed. Despite the implementation of post-hydration and pre-medication regimen, renal impairment and hypersensitivity reactions still developed at 120?mg?m(-2), which led to the conclusion that the maximum tolerated dose was 120?mg?m(-2), and the recommended dose was 90?mg?m(-2), although DLT was not defined as per protocol. Stable disease was observed in seven patients. The maximum concentration and area under the concentration-time curve of ultrafilterable platinum at 120?mg?m(-2) NC-6004 were 34-fold smaller and 8.5-fold larger, respectively, than those for cisplatin. CONCLUSION: The delayed and sustained release of cisplatin after i.v. administration contributes to the low toxicity of NC-6004.

Imitating micelles as a way to control coordination self-assembly: cage-polymer switching directed rationally by solvent polarity or pH

Disguising a metal complex as a micelle by using amphiphilic phosphine ligands enables it to switch between a coordination polymer and a discrete cage in response to solvent polarity or pH; this medium-dependent behaviour of the complex is rational because it parallels that of true micelles.

Topochemical polymerization in self-assembled rodlike micelles of bisurea bolaamphiphiles

Rod-like micelles, formed from bolaamphiphiles with oligo(ethylene oxide) hydrophilic outer segments and a hydrophobic segment with diacetylene flanked by two urea moieties, were covalently fixated by topochemical photopolymerization to high degrees of polymerization by optimizing the hydrophobic core and the hydrophilic periphery of the bolaamphiphiles. Analysis of the polymerized product with dynamic light scattering in chloroform showed degrees of polymerization of approximately 250. Cryo-TEM of bolaamphiphiles before and after UV irradiation showed that the morphology of the rods was conserved upon topochemical polymerization. © 2014 The Royal Society of Chemistry.

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.

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.

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

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.

Capillary flow behavior of worm-like micelles studied by small-angle X-ray scattering and small angle light scattering

A novel capillary flow device has been developed and applied to study the orientation of worm-like micelles, among other systems. Small-angle X-ray scattering (SAXS) data from micelles formed by a Pluronic block copolymer in aqueous salt solution provides evidence for the formation of worm-like micelles, which align under flow. A transition from a rod-like form factor to a less persistent conformation is observed under flow. Flow alignment of worm-like micelles formed by the low molar mass amphiphile system cetyl pyridinium chloride+sodium salicylate is studied for comparative purposes. Here, inhomogenous flow at the micron scale is revealed by streaks in the small-angle light scattering pattern perpendicular to the flow direction. Copyright (c) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Impact of saturated, polyunsaturated and monounsaturated fatty acid-rich micelles on lipoprotein synthesis and secretion in Caco-2 cells

Meal fatty acids have been shown to modulate the size and composition of triacylglycerol (TAG)-rich lipoproteins influencing the magnitude and duration of the postprandial plasma TAG response. As a result there is considerable interest in the origin of these meal fatty-acid induced differences in particle composition. Caco-2 cells were incubated over 4 days with fatty acid mixtures resembling the composition of saturated (SFA), monounsaturated (MUFA) and polyunsaturated fatty acid (PUFA)-rich meals fed in a previous postprandial study to determine their impact on lipoprotein synthesis and secretion. The MUFA- and PUFA-rich mixtures supported greater intracellular TAG, but not cholesterol accumulation compared with the SFA-rich mixture (P < 0.001). The MUFA-rich mixture promoted significantly greater TAG and cholesterol secretion than the other mixtures and significantly more apolipoprotein B-100 secretion than the PUFA-rich mixture (P < 0.05). Electron microscopy revealed the SFA-rich mixture had led to unfavourable effects on cellular morphology, compared with the unsaturated fatty acid-rich mixtures. Our findings suggest the MUFA-rich mixture, may support the formation of a greater number of TAG-rich lipoproteins, which is consistent with indirect observations from our human study. Our electron micrographs are suggestive that some endocytotic uptake of MUFA-rich taurocholate micelles may promote greater lipoprotein synthesis and secretion in Caco-2 cells.

Molecular dynamics simulations of threadlike cetyltrimethylammonium chloride micelles: effects of sodium chloride and sodium salicylate salts

We use atomistic molecular dynamics simulations to probe the effects of added sodium chloride (NaCl) and sodium salicylate (NaSal) salts on the spherical-to-threadlike micelle shape transition in aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) surfactants. Long threadlike micelles are found to be unstable and break into spherical micelles at low concentrations or NaCl, but remain stable for 20 ns above a threshold value of [NaCl] approximate to 3.0 M, which is about 2.5 times larger than the experimental salt concentration at which the transition between spherical and rodlike micelles occurs. The chloride counterions associate weakly oil the surface of the CTAC micelles with the degree of counterion dissociation decreasing slightly with increasing [NaCl] on spherical micelles, but dropping significantly on the threadlike micelles tit high [NaCl]. This effect indicates that the electrolyte ions drive the micellar shape transition by screening the electrostatic repulsions between the micellar headgroups, The aromatic salicylate counterions, on the other hand, penetrate inside the micelle with their hydrophilic groups staying in the surfactant headgroup region and the hydrophobic groups partially embedded into the hydrophobic core of the micelle. The strong association of the salicylate ions with the surfactant headgroups leads to dense packing of the surfactant molecules, which effectively reduces the surface area per surfactant, and increases intramicellar ordering of the surfactant headgroups, favoring the formation of long threadlike micelles. Simulation predictions of the geometric and electrostatic properties of the spherical and threadlike micelles are in good agreement with experiments.

Puroindoline-a, a lipid binding protein from common wheat, spontaneously forms prolate protein micelles in solution

The self-assembly in solution of puroindoline-a (Pin-a), an amphiphilic lipid binding protein from common wheat, was investigated by small angle neutron scattering, dynamic light scattering and size exclusion chromatography. Pin-a was found to form monodisperse prolate ellipsoidal micelles with a major axial radius of 112 +/- 4.5 A ˚ and minor axial radius of 40.4 +/- 0.18 A ˚ . These protein micelles were formed by the spontaneous self-assembly of 38 Pin-a molecules in solution and were stable over a wide pH range (3.5–11) and at elevated temperatures (20–65 degC). Pin-a micelles could be disrupted upon addition of the non-ionic surfactant dodecyl-b-maltoside, suggesting that the protein self-assembly is driven by hydrophobic forces, consisting of intermolecular interactions between Trp residues located within a well-defined Trp-rich domain of Pin-a.