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.

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.

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.

Caractérisation de la pharmacocinétique de formulations sensibles au pH et de formulations destinées au traitement des intoxications médicamenteuses

La préparation de formulations à libération contrôlée est le domaine des sciences pharmaceutiques qui vise à modifier l’environnement immédiat des principes actifs pour en améliorer l’efficacité et l’innocuité. Cet objectif peut être atteint en modifiant la cinétique de circulation dans le sang ou la distribution dans l’organisme. Le but de ce projet de recherche était d’étudier le profil pharmacocinétique (PK) de différentes formulations liposomales. L’analyse PK, généralement employée pour représenter et prédire les concentrations plasmatiques des médicaments et de leurs métabolites, a été utilisée ici pour caractériser in vivo des formulations sensibles au pH servant à modifier la distribution intracellulaire de principes actifs ainsi que des liposomes destinés au traitement des intoxications médicamenteuses. Dans un premier temps, la PK d’un copolymère sensible au pH, à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique (MAA) a été étudiée. Ce dernier, le p(NIPAM-co-MAA) est utilisé dans notre laboratoire pour la fabrication de liposomes sensibles au pH. L’étude de PK conduite sur les profils de concentrations sanguines de différents polymères a défini les caractéristiques influençant la circulation des macromolécules dans l’organisme. La taille des molécules, leur point de trouble ainsi que la présence d’un segment hydrophobe à l’extrémité des chaînes se sont avérés déterminants. Le seuil de filtration glomérulaire du polymère a été évalué à 32 000 g/mol. Finalement, l’analyse PK a permis de s’assurer que les complexes formés par la fixation du polymère à la surface des liposomes restaient stables dans le sang, après injection par voie intraveineuse. Ces données ont établi qu’il était possible de synthétiser un polymère pouvant être adéquatement éliminé par filtration rénale et que les liposomes sensibles au pH préparés avec celui-ci demeuraient intacts dans l’organisme. En second lieu, l’analyse PK a été utilisée dans le développement de liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pour le traitement des intoxications médicamenteuses. Une formulation a été développée et optimisée in vitro pour capturer un médicament modèle, le diltiazem (DTZ). La formulation liposomale s’est avérée 40 fois plus performante que les émulsions lipidiques utilisées en clinique. L’analyse PK des liposomes a permis de confirmer la stabilité de la formulation in vivo et d’analyser l’influence des liposomes sur la circulation plasmatique du DTZ et de son principal métabolite, le desacétyldiltiazem (DAD). Il a été démontré que les liposomes étaient capables de capturer et de séquestrer le principe actif dans la circulation sanguine lorsque celui-ci était administré, par la voie intraveineuse. L’injection des liposomes 2 minutes avant l’administration du DTZ augmentait significativement l’aire sous la courbe du DTZ et du DAD tout en diminuant leur clairance plasmatique et leur volume de distribution. L’effet de ces modifications PK sur l’activité pharmacologique du médicament a ensuite été évalué. Les liposomes ont diminué l’effet hypotenseur du principe actif administré en bolus ou en perfusion sur une période d’une heure. Au cours de ces travaux, l’analyse PK a servi à établir la preuve de concept que des liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pouvaient modifier la PK d’un médicament cardiovasculaire et en diminuer l’activité pharmacologique. Ces résultats serviront de base pour le développement de la formulation destinée au traitement des intoxications médicamenteuses. Ce travail souligne la pertinence d’utiliser l’analyse PK dans la mise au point de vecteurs pharmaceutiques destinés à des applications variées. À ce stade de développement, l’aspect prédictif de l’analyse n’a pas été exploité, mais le côté descriptif a permis de comparer adéquatement diverses formulations et de tirer des conclusions pertinentes quant à leur devenir dans l’organisme.

Ionomer Compatibilized Low Density Polyethylene - Tapioca Starch Blends Biodegradability and Photodegradability

Biodegradation is the chemical degradation of materials brought about by the action of naturally occurring microorganisms. Biodegradation is a relatively rapid process under suitable conditions of moisture, temperature and oxygen availability. The logic behind blending biopolymers such as starch with inert polymers like polyethylene is that if the biopolymer component is present in sufficient amount, and if it is removed by microorganisms in the waste disposal environment, then the base inert plastic should slowly degrade and disappear. The present work focuses on the preparation of biodegradable and photodegradable blends based on low density polyethylene incorporating small quantities of ionomers as compatibilizers. The thesis consists of eight chapters. The first chapter presents an introduction to the present research work and literature survey. The details of the materials used and the experimental procedures undertaken for the study are described in the second chapter. Preparation and characterization of low density polyethylene (LDPE)-biopolymer (starch/dextrin) blends are described in the third chapter. The result of investigations on the effect of polyethylene-co-methacrylic acid ionomers on the compatibility of LDPE and starch are reported in chapter 4. Chapter 5 has been divided into two parts. The first part deals with the effect of metal oxides on the photodegradation of LDPE. The second part describes the function of metal stearates on the photodegradation of LDPE. The results of the investigations on the role of various metal oxides as pro-oxidants on the degradation of ionomer compatibilized LDPE-starch blends are reported in chapter 6. Chapter 7 deals with the results of investigations on the role of various metal stearates as pro-oxidants on the degradation of ionomer compatibilized LDPE-starch blends. The conclusion of the investigations is presented in the last chapter of the thesis.

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

Stimuli-responsive Novel Amphiphilic Polymers for Chemical and Biomedical Applications

Amphiphilic polymers are a class of polymers that self-assemble into different types of microstructure, depending on the solvent environment and external stimuli. Self assembly structures can exist in many different forms, such as spherical micelles, rod-like micelles, bi-layers, vesicles, bi-continuous structure etc. Most biological systems are basically comprised of many of these organised structures arranged in an intelligent manner, which impart functions and life to the system. We have adopted the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique to synthesize various types of block copolymer systems that self-assemble into different microstructure when subject to an external stimuli, such as pH or temperature. The systems that we have studied are: (1) pH responsive fullerene (C60) containing poly(methacrylic acid) (PMAA-b-C60); (2) pH and temperature responsive fullerene containing poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (C₆₀-b-PDMAEMA); (3) other responsive water-soluble fullerene systems. By varying temperature, pH and salt concentration, different types microstructure can be produced. In the presence of inorganic salts, fractal patterns at nano- to microscopic dimension were observed for negatively charged PMAA-b-C60, while such structure was not observed for positively charged PDMAEMA-b-C60. We demonstrated that negatively charged fullerene containing polymeric systems can serve as excellent nano-templates for the controlled growth of inorganic crystals at the nano- to micrometer length scale and the possible mechanism was proposed. The physical properties and the characteristics of their self-assembly properties will be discussed, and their implications to chemical and biomedical applications will be highlighted.

Novel temperature-responsive water-soluble copolymers based on 2-hydroxyethylacrylate and vinyl butyl ether and their interactions with poly(carboxylic acids)

Novel water-soluble amphiphilic copolymers have been synthesized by free radical copolymerization of 2-hydroxyethylacrylate with vinyl butyl ether. In water these copolymers exhibit lower critical solution temperature, which depends on the content of hydrophobic vinyl butyl ether units. The interaction between these copolymers and poly(acrylic acid) or poly(methacrylic acid) in aqueous solutions results in formation of interpolymer complexes stabilized by hydrogen bonds and hydrophobic interactions. An increase in hydrophobicity of the copolymers leads to the enhancement of their complex formation ability with respect to poly(acrylic acid) and poly(methacrylic acid). Poly(methacrylic acid) forms stronger complexes with the copolymers when compared with poly(acrylic acid). The complexes exhibit dual sensitivity to pH- and temperature and this property may be easily adjusted regulating the strength of interaction. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Interpolymer complexes of hydroxy-propylmethylcellulose with polycarboxylic acids in aqueous solutions

The interactions between hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) and poly(acrylic acid) (PAA) as well as poly(methacrylic acid) (PMMA) resulting in formation of hydrophobic interpolymer complexes (IPC) via hydrogen bonding have been studied in aqueous solutions in acidic medium. The formation of IPC of two different compositions (2:1 and 4:1) has been detected for complexes of PAA and HPMC. The critical pH values for complexation of HPMC with PAA and PMAA were determined by the turbidimetric method. It was found that PAA shows the lower complexation ability compared to PMAA due to the more hydrophobic nature of the latter polyacid. The temperature-induced phase separation in HPMC-PAA solution mixtures depends greatly on the components ratio and PAA molecular weight. The complexation ability of hydroxypropylmethylcellulose with respect to poly(acrylic acid) was found to be similar to the complexation ability of methylcellulose, lower than that of hydroxypropylcellulose and higher than that of hydroxyethylcellulose. (c) 2006 Society of Chemical Industry.

Probing the mucoadhesive interactions between porcine gastric mucin and some water-soluble polymers

This study investigates the structural features of porcine gastric mucin (PGM) in aqueous dispersions and its interactions with water-soluble polymers (poly(acrylic acid) (PAA), poly(methacrylic acid) (PMAA), poly(ethylene oxide), and poly(ethylene glycol)) using isothermal titration calorimetry, turbidimetric titration, dynamic light scattering, and transmission electron microscopy. It is established that PAA (450 kDa) and PMAA (100 kDa) exhibit strong specific interactions with PGM causing further aggregation of its particles, while PAA (2 kDa), poly(ethylene oxide) (1 000 kDa), and poly(ethylene glycol) (10 kDa) do not show any detectable effects on mucin. Sonication of mucin dispersions prior to their mixing with PAA (450 kDa) and PMAA (100 kDa) leads to more pronounced intensity of interactions.

Fluorescent probes with malononitrile side group in methyl methacrylate copolymers

Fluorescent probes derivated from auramine, 1-aminopyrene, and 9-aminoacridine containing a malononitrile group are copolymerized with methyl methacrylate. These new fluorescent polymeric materials are studied in solution of different solvents by steady-state and time-resolved emission techniques. Their spectroscopic properties and excited state dynamics are driven by charge transfer from the aromatic group to the electron withdrawing CN groups, and this factor is responsible for the non-exponential emission decay behavior. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Evaluation of the Genotoxicity of Chitosan Nanoparticles for Use in Food Packaging Films

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Obtenção de dispersões de complexos polieletrolíticos à base de quitosana e poli(ácido metacrílico) e análise de adsorção de albumina bovina sérica

Dispersions composed of polyelectrolyte complexes based on chitosan and poly(methacrylic acid), PMAA, were obtained by the dropping method and template polymerization. The effect of molecular weight of PMAA and ionic strength on the formation of chitosan/poly(methacrylic acid), CS/PMAA, complexes was evaluated using the dropping method. The increase in molecular weight of PMAA inhibited the formation of insoluble complexes, while the increase in ionic strength first favored the formation of the complex followed by inhibiting it at higher concentrations. The polyelectrolyte complexation was strongly dependent on macromolecular dimensions, both in terms of molecular weight and of coil expansion/contraction driven by polyelectrolyte effect. The resultant particles from dropping method and template polymerization were characterized as having regions with different charge densities: chitosan predominating in the core and poly(methacrylic acid) at the surface, the particles being negatively charged, as a consequence. Albumin was adsorbed on templatepolymerized CS/PMAA complexes (after crosslinking with glutardialdehyde) and pH was controlled in order to obtain two conditions: (i) adsorption of positively charged albumin, and (ii) adsorption of albumin at its isoelectric point. Adsorption isotherms and zeta potential measurements showed that albumin adsorption was controlled by hydrogen bonding/van der Waals interactions and that brushlike structures may enhance adsorption of albumin on these particles

Cytotoxicity of monomers, plasticizer and degradation by-products released from dental hard chairside reline resins

Objectives. The aim of this study was to evaluate the cytotoxic effect of the monomers isobutyl methacrylate (IBMA) and 1,6-hexanediol dimethacrylate (1,6-HDMA), the plasticizer di-n-butyl phthalate (DBP), and the degradation by-products methacrylic acid (MA) and benzoic acid (BA) on L929 cells. Based on previous investigations on the release of these compounds from hard chairside reline resins, a range of concentrations (mu mol/L) were selected for the cytotoxicity tests (IBMA, 5.491406.57; 1,6-HDMA, 1.2239.32; DBP, 1.12143.8; MA, 9.07581; BA, 3.19409).Methods. Cytotoxic effects were assessed using MTT and 3H-thymidine assays after the cells had been exposed to the test compounds at the given concentrations for 24h. Cytotoxicity was rated based on cell viability relative to controls (cells exposed to medium without test substances).Results. DNA synthesis activity was inhibited by all compounds. Mitochondrial dehydrogenase activity decreased in cells treated with monomers, plasticizer and MA by-product, whereas no cytotoxic effect was observed on contact with BA at the majority of concentrations tested. The ranges of suppression for 3H-thymidine assay were: IBMA, 2595%; 1,6-HDMA, 9598%; DBP, 4098%; MA, 9799%; BA, 5471%. For MTT assay, the ranges of suppression were: IBMA, 096%; 1,6-HDMA, 2689%; DBP, 1780%; MA, 5266%; BA, 027%. The 3H-thymidine assay was more sensitive than the MTT assay.Significance. This study evaluated the cytotoxicity of a wide range of concentrations of monomers (IBMA and 1,6-HDMA), plasticizer (DBP) and degradation by-products (MA and BA), including those expected to be released from hard chairside reline resins. The differences observed in the cytotoxicity of these compounds, along with other properties, may assist the dental practitioners in the selection of reline materials with improved service life performance and low risk of adverse reactions in patients who wear relined dentures.

Leachability of degradation products from hard chairside reline resins in artificial saliva: effect of water-bath post-polymerization treatment

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)