Controlled Drug Delivery for Cancer Treatment Using Electrospun Structure

Le cancer étant l'une des premières causes de décès dans les pays développés, les chercheurs doivent continuer à mettre au point de nouvelles stratégies eÿcaces pour traiter les patients. De nombreux traitements couramment utilisés agissent souvent sur des processus cellulaires de base, entraînant des e˙ets secondaires et nuisant à la qualité de vie du patient. En outre, ces médicaments ont souvent des fenêtres thérapeutiques très étroites et, en raison de leur mode d'administration, leur concentration initiale dépassera le seuil de toxicité. Les stratégies récemment développées pour répondre à ces problèmes sont la combinaison d'une administration contrôlée et ciblée des médicaments, visant un traitement localisé avec un dosage plus faible libéré sur une plus longue période. D'autre part, l'électrofilage et l'électronébulisation sont des méthodes qui suscitent un intérêt croissant pour la fabrication de composés pharmaceutiques. Ces techniques partagent une configuration simple qui permet une grande polyvalence, permettant même l'électrofilage de plusieurs solutions à la fois, en électrofilage coaxial. Cette caractéristique permet d'obtenir des particules noyau-enveloppe en une seule étape, di˙éremment de la plupart des méthodes actuellement employées pour ce faire. Ce projet vise à utiliser la technique d'électronébulisation pour concevoir et tester un vecteur d'administration de médicaments. La littérature a été examinée afin de trouver un agent pharmaceutique présentant un profil de toxicité qui nécessiterait le plus une libération pro-gressive, in situ. En fait, le médicament choisi, doxorubicin (DOX), est connu pour aug-menter les risques de cardiomyopathies à long terme, même à très faible dose. Le délai et les conditions les plus appropriés pour l'administration ont ensuite été recherchés, afin de comprendre les exigences que le matériau de piégeage devrait avoir. Cela a abouti au choix d'un copolymère 50/50 poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), qui serait capable de perdre lentement de la masse et de libérer le médicament sur une période de trois à quatre semaines. Afin de réduire les coûts et les risques, l'ibuprofène a été choisi comme médicament test lors des étapes préliminaires des travaux. L'optimisation du processus d'électronébulisation, par un mélange d'analyse de la littérature et d'essais et erreurs, a permis d'obtenir des particules de 598 ±286 nm. Malheureusement, les expériences se sont arrêtées lorsque les mesures contre le Covid-19 ont été mises en place et une fois l'accès aux laboratoires rétabli, les conditions environnementales ont changé et les paramètres optimisés n'ont pas donné les mêmes résultats. Après une phase de tests visant à rétablir les conditions idéales pour les paramètres optimisés, la production a été transférée dans une installation di˙érente, équipée d'un système capable de surmonter les problèmes. Grâce aux connaissances acquises lors de la précédente optimisation, des particules de 685,9±286 nm ont été rapidement produites, permettant au projet de passer à la phase suivante. La dégradation du polymère et l'administration du médicament ont été caractérisées par une série de tests qui ont consisté à immerger deux groupes d'échantillons de particules pendant 28 jours, un groupe dans une solution de PBS avec un pH de 7.4, l'autre dans une solution similaire avec un pH de 6.6, afin d'imiter l'environnement acide que l'on trouve dans les tissus cancéreux. Le pH des échantillons, ainsi que leur perte de poids, ont été suivis au fil des semaines, tandis que des spectres FTIR étaient acquis pour caractériser la libération du médicament et que les échantillons étaient mis de côté pour être lyophilisés et observés plus tard avec MEB. La baisse du pH a permis de confirmer la dégradation du PLGA. L'observation avec le MEB a montré que les particules avaient formé des agglomérats en PBS. En ce qui concerne l'administration du médicament, la présence d'agglomérats plus gros a certainement retardé le délai prévu. Si ces tests ont permis d'avoir une première idée du comportement des particules, plusieurs problèmes rencontrés ont mis en évidence la nécessité de les répéter afin de fournir un aperçu beaucoup plus précieux des structures produites. Enfin, les travaux présentés ici ont permis de tester la faisabilité de l'utilisation de la technique d'électro-pulvérisation coaxiale comme autre moyen de produire des particules nanométriques cœur-enveloppe. Deux questions principales ont permis de conclure que cette technique pourrait être mieux appliquée à l'échelle micrométrique. En e˙et, si les particules peuvent être obtenues à plus petite échelle, le processus d'optimisation peut être long et il peut y avoir des concessions à faire en ce qui concerne leur morphologie. En outre, le rendement a tendance à être très faible et devrait certainement être amélioré pour être compétitif dans un cadre industriel.

Abstract

With cancer being one of the first causes of death in developed countries, researchers need to keep coming up with new, eÿcient strategies to treat patients. Many of the treatments commonly employed often act on basic cellular processes, causing side e˙ects and hindering the patient's quality of life. Moreover, these drugs often have very narrow therapeutic win-dows and, due to their administration methods, their initial concentration will overshoot the toxicity threshold. The recent strategies developed to address these issues are the combina-tion of controlled and targeted drug delivery, aiming for a localized treatment with a lower dosage released over a longer time. On the other hand, the electrospinning and electrospraying are methods gaining increased interest for the fabrication of pharmaceutical compounds. These techniques share a simple set-up that allows for great versatility, even allowing for the electrospinning of multiple solution at once, in coaxial electrospinning. This feature can obtain core-shell particles in a single step, di˙erently than most methods currently employed to do so. This project set out to employ the coaxial electrospraying technique to design and test a drug delivery carrier. The literature was looked into to find a pharmaceutical agent with a toxicity profile that would most need a gradual, in situ release. In fact, the chosen drug, doxorubicin (DOX), is known to increase risks of long-term cardiomyopathies even with very low dosages. The most appropriate time frame and conditions for the delivery were then researched, to understand the requirements that the entrapping material would need have. This resulted in the choice of a 50/50 poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) copolymer, which would be able to slowly lose mass and release the drug over the course of three to four weeks. To reduce costs and risks, ibuprofen was selected as a test drug during the preliminary steps of the work. The optimization of the electrospraying process, through a mix of literature review and trial and error, allowed to obtain particles of 598 ±286 nm. Unfortunately, the experiments came to a halt as measures against Covid-19 were put in place and once access to the laboratories was reestablished the environmental conditions had changed and the optimized parameters were not achieving the same results. After a phase of tests geared towards restoring the ideal conditions for the optimized parameters, the production moved to a di˙erent set-up, equipped with a system able to overcome the issues. Thanks to the knowledge acquired with the previous optimization, particles of 685.9 ±286 nm were quickly produced, allowing the project to proceed to its next phase.The degradation of the polymer and the delivery of the drug were characterized in a series of tests which involved submerging two sample groups of particles over the course of 28 days, one group in a PBS solution with a 7.4 pH, the other in a similar solution with a 6.6 pH, in order to mimic the acidic environment found in cancer tissues. The pH of the samples, as well as their weight loss was monitored through the weeks, while FTIR spectra were being taken to characterize the drug release and samples were put aside to be freeze dried and later observed with SEM. The pH decrease was able to confirm the degradation of PLGA. The SEM observation showed that the particles had formed agglomerates in PBS. For what concerns the drug delivery, the presence of bigger clusters has certainly delayed the expected time frame. While these tests allowed for an initial outlook over the particles' behaviour, several issues encountered highlighted the need to repeat them in order to provide a much more valuable insight regarding the structures produced. Finally, the work here presented was able to test the feasibility of employing the coaxial electrospraying technique as an alternative way to produce nanometric core-shell particles. Two main issues brought to the conclusion that this technique might be better applied to the micrometric scale. In fact, while particles can be obtained in the smaller scale, the optimization process can be lengthy and there might be concessions to be made for what concerns their morphology. Moreover, the yield tends to be very poor and would need to be certainly improved to be competitive in an industrial setting.