Chemically-Addressable Protein Entrapment in Silica Sol-Gels

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Development and formulation of wax-based transdermal drug delivery systems

Topical and transdermal formulations are promising platforms for the delivery of drugs. A unit dose topical or transdermal drug delivery system that optimises the solubility of drugs within the vehicle provides a novel dosage form for efficacious delivery that also offers a simple manufacture technique is desirable. This study used Witepsol® H15 wax as a abase for the delivery system. One aspect of this project involved determination of the solubility of ibuprofen, flurbiprofen and naproxen in the was using microscopy, Higuchi release kinetics, HyperDSC and mathematical modelling techniques. Correlations between the results obtained via these techniques were noted with additional merits such as provision of valuable information on drug release kinetics and possible interactions between the drug and excipients. A second aspect of this project involved the incorporation of additional excipients: Tween 20 (T), Carbopol®971 (C) and menthol (M) to the wax formulation. On in vitro permeation through porcine skin, the preferred formulations were: ibuprofen (5% w/w) within Witepsol®H15 + 1% w/w T; flurbiprofen (10% w/w) within Witepsol®H15 + 1% w/w T; naproxen (5% w/w) within Witepsol®H15 + 1% w/w T + 1% C and sodium diclofenac (10% w/w) within Witepsol®H15 + 1% w/w T + 1% w/w T + 1% w/w C + 5% w/w M. Unit dose transdermal tablets containing ibuprofen and diclofenac were produced with improved flux compared to marketed products; Voltarol Emugel® demonstrated flux of 1.68x10-3 cm/h compared to 123 x 10-3 cm/h for the optimised product as detailed above; Ibugel Forte® demonstrated a permeation coefficient value of 7.65 x 10-3 cm/h compared to 8.69 x 10-3 cm/h for the optimised product as described above.

Precipitation casting of drug-loaded microporous PCL matrices:incorporation of progesterone by co-dissolution

Microporous, poly(ε-caprolactone) (PCL) matrices were loaded with progesterone by precipitation casting using co-solutions of PCL and progesterone in acetone. Progesterone loadings up to 32% w/w were readily achieved by increasing the drug content of the starting PCL solution. The kinetics of steroid release in PBS at 37°C over 10 days could be described effectively by a diffusional release model although the Korsmeyer-Peppas model indicated the involvement of multiple release phenomena. The diffusion rate constant (D) increased from 8 to 24 μg/mg matrix/day0.5 as the drug loading increased from 3.6 to 12.4% w/w. A total cumulative release of 75%-95% indicates the high efficiency of steroid delivery. Increasing the matrix density from 0.22 to 0.39 g/cm3, by increasing the starting PCL solution concentration, was less effective in changing drug release kinetics. Retention of anti-proliferative activity of released steroid was confirmed using cultures of breast cancer epithelial (MCF-7) cells. Progesterone released from PCL matrices into PBS at 37°C over 14 days retarded the growth of MCF-7 cells by a factor of at least 3.5 compared with progesterone-free controls. These findings recommend further investigation of precipitation-cast PCL matrices for delivery of bioactive molecules such as anti-proliferative agents from implanted, inserted or topical devices.

Micropartículas contendo nanopartículas de quitosana usando sulfato e genipina para liberação modificada da triancinolona: obtenção, caracterização e estudo em células tumorais

Chitosan is a polymer biocompatibility and biodegradability widely used in drug delivery systems. The co-crosslinking of chitosan with sodium sulfate and genipin, to form particulate systems is related of making them more resistant to acidic pH and to modulate the release kinetics for the oral route. Triamcinolone is a glucocorticoid with anti-inflammatory and immunosuppressive actions. The nanoparticles were prepared by co-crosslinking and characterized for particle size, PDI, zeta potential, crosslinking degree, encapsulation rate, morphology, infrared spectroscopy, thermal analysis, release kinetics and cells studies. The nanoparticles were prepared initially without genipin with sodium sulphate and the particles parameters were monitored in function of different ratio of drug / polymer, different concentrations of sodium sulfate and polysorbate 80 and the drip mode of crosslinkers on polymers. After optimizing conditions, the chosen system parameters without genipin included mean diameter of 312.20 ± 5.70 nm, PDI 0.342 ± 0.013 and zeta potential of 20.18 ± 2.28 mV. The genipin was introduced into the system analyzing different concentrations (0.5, 1.0 and 2.0 mM) and crosslinking times (3, 6, 12 and 24 h). Evaluating crosslinking time with genipin (0.5 mM) it was showed that varying the genipin reaction time the systems size ranged from 235.1 to 334.4 nm, the PDI from 0.321 to 0.392 and zeta potential 20.92 to 30.39 mV. The crosslinking degree that coud vary from 14 to 30 %. Nanoparticles without genipina, 6 h and 24 h crosslinking time were dried by spray-drying method. Analysis by scanning electron micrograph (SEM) revealed that the microparticles showed spherical morphology. The encapsulation rate was 75 ± 2.3 % using validated HPLC methodology. The infrared analysis showed chemical interactions between the components of the formulation. Thermal analysis showed that systems with a higher degree of crosslinking had a higher thermal stability. On release kinetics, increasing the degree of crosslinking was able to decrease the concentration and rate of release of triamcinolone. In studies with liver cancer cells (HepG2) and colon (HT-29), the microparticulate prepared with triamcinolone and 24 h of crosslinking with genipin showed a potential for antitumor activity in hepatic cell line HepG2. Therefore, a new delivery system for triamcinolone on polymeric nanoparticles of chitosan cocrosslinked with genipin and sodium sulfate was obtained with hepatic antitumor potential.

Obtenção e caracterização de sistemas particulados de quitosana para liberação gástrica de amoxicilina

The infection caused by Helicobacter pylori (H. pylori) is associated with gastroduodenal inflammation can lead to the development of gastritis, gastric or duodenal ulcer and gastric cancer (type 1 carcinogen for stomach cancer). Amoxicillin is used as first-line therapy in the treatment of H. pylori associated to metronidazole or clarithromycin, and a proton pump inhibitor. However, the scheme is not fully effective due to inadequate accumulation of antibiotics in gastric tissue, inadequate efficacy of ecological niche of H. pylori, and other factors. In this context, this study aimed to obtaining and characterization of particulate systems gastrorretentivos chitosan - amoxicillin aiming its use for treatment of H. pylori infections. The particles were obtained by the coacervation method / precipitation using sodium sulfate as precipitating agent and crosslinking and two techniques: addition of amoxicillin during preparation in a single step and the sorption particles prior to amoxycillin prepared by coacervation / precipitation and spray drying. The physicochemical characterization of the particles was performed by SEM, FTIR, DSC, TG and XRD. The in vitro release profile of amoxycillin free and incorporated in the particles was obtained in 0.1 N HCl (pH = 1.2). The particles have higher encapsulation efficiency to 80% spherical shape with interconnected particles or adhered to each other, the nanometric diameter to the systems obtained by coacervation / precipitation and fine for the particles obtained by spray drying. The characterization by FTIR, DSC and XRD showed that the drug was incorporated into the nanoparticles dispersed in the polymeric matrix. Thermal analysis (TG and DSC) indicated that encapsulation provides greater heat stability to the drug. Amoxicillin encapsulated in nanoparticles had slower release compared to free drug. The particles showed release profile with a faster initial stage (burst effect) reaching a maximum at 30 minutes 35% of amoxicillin for the system in 1: 1 ratio relative to the polymer and 80% for the system in the ratio 2: 1. Although simple and provide high encapsulation efficiency of amoxicillin, the process of coacervation, precipitation in one step using sodium sulfate as precipitant / cross-linker must be optimized in order to adjust the release kinetics according to the intended application.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

Poly(epsilon-caprolactone)nanocapsules as carrier systems for herbicides: Physico-chemical characterization and genotoxicity evaluation

The toxicity of herbicides used in agriculture is influenced by their chemical stability, solubility, bioavailability, photodecomposition, and soil sorption. Possible solutions designed to minimize toxicity include the development of carrier systems able to modify the properties of the compounds and allow their controlled release. Polymeric poly(epsilon-caprolactone) (PCL) nanocapsules containing three triazine herbicides (ametryn, atrazine, and simazine) were prepared and characterized in order to assess their suitability as controlled release systems that could reduce environmental impacts. The association efficiencies of the herbicides in the nanocapsules were better than 84%. Assessment of stability (considering particle diameter, zeta potential, polydispersity, and pH) was conducted over a period of 270 days, and the particles were found to be stable in solution. In vitro release kinetics experiments revealed controlled release of the herbicides from the nanocapsules, governed mainly by relaxation of the polymer chains. Microscopy analyses showed that the nanocapsules were spherical, dense, and without aggregates. In the infrared spectra of the PCL nanocapsules containing herbicides, there were no bands related to the herbicides, indicating that interactions between the compounds had occurred. Genotoxicity tests showed that formulations of nanocapsules containing the herbicides were less toxic than the free herbicides. The results indicate that the use of PCL nanocapsules is a promising technique that could improve the behavior of herbicides in environmental systems. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Development and pharmacological evaluation of ropivacaine-2-hydroxypropyl-beta-cyclodextrin inclusion complex

Ropivacaine (RVC) is an enantiomerically pure local anesthetic (LA) largely used in surgical procedures, which presents physico-chemical and therapeutic properties similar to those of bupivacaine (BPV), but associated to less systemic toxicity This study focuses on the development and pharmacological evaluation of a RVC in 2-hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (HP-P-CD) inclusion complex. Phase-solubility diagrams allowed the determination of the association constant between RVC and HP-beta-CD (9.46 M-1) and showed an increase on RVC solubility upon complexation. Release kinetics revealed a decrease on RVC release rate and reduced hemolytic effects after complexation. (onset at 3.7 mM and 11.2 mM for RVC and RVCHP-beta-CD, respectively) were observed. Differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray analysis (X-ray) showed the formation and the morphology of the complex. Nuclear magnetic resonance (NMR) and job-plot experiments afforded data regarding inclusion complex stoichiometry (1:1) and topology. Sciatic nerve blockade studies showed that RVCHP-beta-CD was able to reduce the latency without increasing the duration of motor blockade, but prolonging the duration and intensity of the sensory blockade (p < 0.001) induced by the LA in mice. These results identify the RVCHP-beta-CD complex as an effective novel approach to enhance the pharmacological effects of RVC, presenting it as a promising new anesthetic formulation. (c) 2007 Elsevier B.V All rights reserved.

Poly(Lactide-co-Glycolide) Nanocapsules Containing Benzocaine: Influence of the Composition of the Oily Nucleus on Physico-Chemical Properties and Anesthetic Activity

The aim of this work was to investigate the influence of the oily nucleus composition on physico-chemical properties and anesthetic activity of poly (lactide-co-glycolide) nanocapsules with benzocaine.Nanocapsules containing benzocaine were prepared with three different oily nucleus composition and characterized by mean diameter, polydispersivity, zeta potential, pH and stability were investigated as a function of time. In vitro release kinetics were performed in a system with two compartments separated by a cellulose membrane. Intensity and duration of analgesia were evaluated in rats by sciatic nerve blockade.The greatest stability, slower release profile and improvement in the local anesthetic activity of BZC were obtained with the formulation using USP mineral oil as component.Results from our study provide useful perspectives on selection of the primary materials needed to produce suspensions of polymeric nanocapsules able to act as carriers of BZC, with potential future application in the treatment of pain.

Polymeric alginate nanoparticles containing the local anesthetic bupivacaine

Bupivacaine (BVC; S75-R25, NovaBupirelease kinetics showed a different behavior for the release profile of BVC in solution, compared with BVC-loaded alginate nanoparticles. In vitro and in vivo assays showed that alginate-chitosan BVC (BVC(ALG-CHIT)) and alginate-AOT BVC (BVC(ALG-AOT)) presented low cytotoxicity in 3T3-fibroblasts, enhanced the intensity, and prolonged the duration of motor and sensory blockades in a sciatic nerve blockade model.

Development of docetaxel and alendronate-loaded chitosan-conjugated polylactide-co-glycolide nanoparticles: In vitro characterization in osteosarcoma cells

Purpose: To develop docetaxel (DTX)- and alendronate (ALN)-loaded, chitosan (CS)-conjugated polylactide- co-glycolide (PLGA) nanoparticles (NPs) to increase therapeutic efficacy in osteosarcoma cells. Methods: Drug-loaded PLGA NPs were prepared by nanoprecipitation and chemically conjugated by the carboxylic group of PLGA to the amine-bearing CS polymer. The nanocarrier was characterized by dynamic light scattering, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, and differential scanning calorimetry as well as by in vitro drug release and cell culture studies. Results: NP size was within the tumour targeting range (~200 nm) with an effective positive charge (20 mV), thus increasing cellular uptake efficiency. Morphological analysis revealed clear spherical particles with uniform dispersion. The NPs exhibited identical sustained release kinetics for both DTX and ALN. CS-conjugated PLGA with dual-drug-loaded (DTX and AL) NPs showed typical time-dependent cellular uptake and also displayed superior cytotoxicity in MG-63 cells compared with blank NPs, which were safe and biocompatible. Conclusion: Combined loading of DTX and ALN in NPs increased the therapeutic efficacy of the formulation for osteosarcoma treatment, thus indicating the potential benefit of a combinatorial drug regimen using nanocarriers for effective treatment of osteosarcoma.

Controllable drug uptake and nongenomic response through estrogen-anchored cyclodextrin drug complex

Breast cancer is a leading killer of women worldwide. Cyclodextrin-based estrogen receptor-targeting drug-delivery systems represent a promising direction in cancer therapy but have rarely been investigated. To seek new targeting therapies for membrane estrogen receptor-positive breast cancer, an estrogen-anchored cyclodextrin encapsulating a doxorubicin derivative Ada-DOX (CDE1-Ada-DOX) has been synthesized and evaluated in human breast cancer MCF-7 cells. First, we synthesized estrone-conjugated cyclodextrin (CDE1), which formed the complex CDE1-Ada-DOX via molecular recognition with the derivative adamantane-doxorubicin (Ada-DOX) (Kd =1,617 M(-1)). The structure of the targeting vector CDE1 was fully characterized using (1)H- and (13)C-nuclear magnetic resonance, mass spectrometry, and electron microscopy. CDE1-Ada-DOX showed two-phase drug-release kinetics with much slower release than Ada-DOX. The fluorescence polarization analysis reveals that CDE1-Ada-DOX binds to recombinant human estrogen receptor α fragments with a Kd of 0.027 µM. Competition assay of the drug complex with estrogen ligands demonstrated that estrone and tamoxifen competed with CDE1-Ada-DOX for membrane estrogen receptor binding in MCF-7 cells. Intermolecular self-assembly of CDE1 molecules were observed, showing tail-in-bucket and wire-like structures confirmed by transmission electronic microscopy. CDE1-Ada-DOX had an unexpected lower drug uptake (when the host-guest ratio was >1) than non-targeting drugs in MCF-7 cells due to ensconced ligands in cyclodextrins cavities resulting from the intermolecular self-assembly. The uptake of CDE1-Ada-DOX was significantly increased when the host-guest ratio was adjusted to be less than half at the concentration of CDE1 over 5 µM due to the release of the estrone residues. CDE1 elicited rapid activation of mitogen-activated protein kinases (p44/42 MAPK, Erk1/2) in minutes through phosphorylation of Thr202/Tyr204 in MCF-7 cells. These results demonstrate a targeted therapeutics delivery of CDE1-Ada-DOX to breast cancer cells in a controlled manner and that the drug vector CDE1 can potentially be employed as a molecular tool to differentiate nongenomic from genomic mechanism.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

The impact of the gut microbiota on drug metabolism and clinical outcome

The significance of the gut microbiota as a determinant of drug pharmacokinetics and accordingly therapeutic response is of increasing importance with the advent of modern medicines characterised by low solubility and/or permeability, or modified-release. These physicochemical properties and release kinetics prolong drug residence times within the gastrointestinal tract, wherein biotransformation by commensal microbes can occur. As the evidence base in support of this supplementary metabolic “organ” expands, novel opportunities to engineer the microbiota for clinical benefit have emerged. This review provides an overview of microbe-mediated alteration of drug pharmacokinetics, with particular emphasis on studies demonstrating proof of concept in vivo. Additionally, recent advances in modulating the microbiota to improve clinical response to therapeutics are explored.