Cyclodextrines amphiphiles et leurs applications

Cyclodextrines amphiphiles et leurs applications:

Nanoparticules pour l’inclusion de molécules bioactives

Pr. Hélène Parrot-Lopez, Université Claude Bernard Lyon1

http://www.univ-lyon1.fr

Académie de Pharmacie - 4 Mai 2011

Les Complexes d’inclusion: domaine pharmaceutique

Stabilisation de principe actif

Lumière, UV

Température

Hydrolyse

Oxydation

Simplicité de stockage

Réduction de volatilité

Conversion en solide

Augmentation de la biodisponibilité:

Vitesse de dissolution et solubilité

Réduction de la cristallisation

Qualité d’absorption

Gout masqué

Réduction des odeurs désagréables

Réduction des irritations

Gastro-intestinale

Oculaire

Dermique


Nanoparticules de b-cyclodextrine 1

1. Dubes, A.; Parrot-Lopez, H.; Abdelwahed, W.; Degobert, G.; Fessi, H.; Shahgaldian, P.; Coleman, A. W. Eur. J. Pharm. Biopharm., 2003, 55, 279.

Introduction de groupements hydrophobes sur la CD

CDs peracylées sur la face secondaire

Augmentation de la quantité

de principe actif (PA) transportée

Libération contrôlée

Délivrance par voie parentérale envisageable

PA adsorbé à la surface des NPs

Effet retard limité (1h)

Cyclodextrines perfluorées: pourquoi?

Caractéristiques des chaînes perfluoroalkyles (CnF2n+1) :

- importante hydrophobicité

- capable d’auto-organisation en milieu aqueux

- faible perméabilité

- faible toxicité

Association des propriétés des cyclodextrinesamphiphiles et celles des chaînes perfluoroalkyles


H.Parrot-Lopez;F.Perret; B.Bertino-Ghera, Annales Pharmaceutiques, revue générale , 2010, 68, 12-26.

Objectifs :

Echelle moléculaire Echelle supramoléculaire

Nanoparticules Nanoparticules chargées

Molécule bioactive

≈ 1nm ≈ 2nm 50 à 1000nm


1.Stratégie de Synthèse d’ a-cyclodextrines amphiphiles:

Modification de la face primaire

Modification de la longueur de la chaîne

Variation du nombre de chaînes greffées

Jonction thio-ether

Analogues hydrocarbonés

Y = I or OMs

Z = H ou C(NH2)2+, I-

R = C4F9, C6F13 ou C8F17

+


1.Voie d’accès aux chaînes perfluoroalkyles

Rf I

OH

Cu Rf OH

I

H2 10bars

Pd/C 10%, K2CO3

AcOEt/EtOH Rf OH

Rf I

KI, P2O5

H3PO4 85%

1) Thiourea

THF/H2ORf SH

Rf : C4F9, C6F13, C8F17

71% to 94% 80% to 97%

79% to 91% 2) NH4OH

3) HCl

Rf I

Thiourea

AcetoneRf S

I

65% to 87%

NH2

NH2

Rf S RfS


1.Synthèse des dérivés persubstitués d’a-cyclodextrine:

OOHO

OH

I

O

OHO

OHO

I

O

OH

OHO I

OOH

HO

I

O

OOH

OOH

I

O

HO

OHI

OOHO

OH

OH

O

OHO

OHO

OH

O

OH

OHO OH

OOH

HO

OH

O

OOH

OOH

HO

O

HO

OHHO

i ii

82%

(i) PPh3, I2, DMF, 18h, 80°C ; (ii) Cs2CO3, RC3H6SC(NH2)2+, X -, DMF, 3 jours, 70°C.

C4F9 59% C6F13 93% C8F17 96%

C4H9 69% C6H13 90% C8H17 68%

Bertino Ghera, B.; Perret, F.; Baudouin, A.; Coleman, A.W.; Parrot-Lopez, H. New J. Chem., 2007, 31, 1899.

OOHO

OH

S

O

OHO

OHO

S

O

OH

OHO S

O

OHHO

S

O

OOH

OOH

S

O

HO

OHS

R

R

R

R

R

R

Faible Solubilité

1.Synthèse des dérivés per-O-methylés:

Bertino Ghera, B.; Perret, F.; Baudouin, A.; Coleman, A.W.; Parrot-Lopez, H. New J. Chem., 2007, 31, 1899.

ii

OOHO

OH

OTBS

O

OHO

OHO

OTBS

O

OH

OHO OTBS

OOH

HO

OTBS

O

OOH

OOH

TBSO

O

HO

OHTBSO

OOHO

OH

OH

O

OHO

OHO

OH

O

OH

OHO OH

OOH

HO

OH

O

OOH

OOH

HO

O

HO

OHHO

iii

OOO

O

OTBS

O

OO

OO

OTBS

O

O

O O OTBS

OO

O

OTBS

O

OO

OO

TBSO

O

O

OTBSO

OOO

O

OH

O

OO

OO

OH

O

O

O O OH

OO

O

OH

O

OO

OO

HO

O

O

OHO

i

iv

OOO

O

OMs

O

OO

OO

OMs

O

O

O O OMs

OO

O

OMs

O

OO

OO

MsO

O

O

OMsO

v

86% 81% 75%

98% 51 à 63%

(i) TBSCl, Imidazole, DMF, 2h, r.t. ; (ii) NaH, MeI, DMF, 15h, r.t ; (iii) TBAF, THF, 3h, reflux ; (iv) MsCl, Pyridine, 15h, 5°C ; (v) Cs2CO3, RC3H6SC(NH2)2

+, X -, DMF, 3days, 70°C.

OOO

O

S

O

OO

OO

S

O

O

O O S

OO

O

S

O

OO

OO

S

O

O

OS

R

R

R

R

R

R

1.Synthèse des dérivés di-substitués

C4F9 52% C6F13 54% C8F17 56%

C4H9 53% C6H13 77% C8H17 62%

MsCl

Pyridine

Quantitative

OBnOBn

OOHO

OH

OH

O

OHO

OHO

OH

O

OH

OHO OMs

OOH

HO

OH

O

OOH

OOH

HO

O

HO

OHMsO

OOHO

OH

OH

O

OHO

OHO

OH

O

OH

OHO S

OOH

HO

OH

O

OOH

OOH

HO

O

HO

OHS

R

R

H2 10 bars

Pd/C 10%

AcOEt/MeOH

92%

OBn

OOBnO

OBn

O

OBnO

OBnO

OBn

O

OBn

OBnOOH

O

OBn

OBn

O

OOBn

OOBn

BnO

OOBn

HOBnO

OBn

OOBnO

OBn

O

OBnO

OBnO

OBn

O

OBn

OBnOOMs

O

OBn

OBn

O

OOBn

OOBn

BnO

OOBn

MsOBnO

Cs2CO3, DMF

SRf NH2+

NH2I-

MsO

OMs

MsO

OMs

HO

OH

OBnOBn H2 1atm

Pd/C 10%

AcOEt/MeOH

OBn

OOBnO

OMe

O

OBnO

OBnO

OBn

O

OBn

OBnOOBn

O

OBn

OMe

O

OOBn

OOBn

BnO

OOBn

BnOBnO

OBn

OOBnO

OH

O

OBnO

OBnO

OBn

O

OBn

OBnOOBn

O

OBn

OH

O

OOBn

OOBn

BnO

OOBn

BnOBnO

OH

OOHO

OH

OMe

O

OHO

OHO

OH

O

OH

OHO OH

O

OH

OMe

O

OOH

OOH

HO

O

HO

OHHO

OH

OOHO

OH

OMe

O

OHO

OHO

I

O

OH

OHO I

O

OH

OMe

O

OOH

OOH

I

O

HO

OHI

OH

OOHO

OH

OMe

O

OHO

OHO

S

O

OH

OHO SOH

OMe

O

OOH

OOH

S

O

HO

OHS

R

R

R

R

O

PPh3, I2

DMF

64%

SRf NH2+

NH2

Cs2CO3, DMF

I-

NaH, MeI

DMF

98% 98%

C4F9 85% C6F13 93% C8F17 86%

C4H9 86% C6H13 81% C8H17 65%

OMe

OMe

I

I

I

I

OMe

OMe

OH

OH

OMe

OMe

1.Synthèse des dérivés tétra-substitués:

1. Conclusion de la partie synthèse:

Synthèse de 15 nouvelles a-cyclodextrines amphiphiles perfluoroalkyles

variation du nombre et de la longueur des chaînes hydrophobes

Synthèse régiosélective permettant un accès facile aux cyclodextrines possédant 2 ou 4 groupements partants en face primaire:

Di-O-Ms-a-CD : 4 étapes, Yield= 75%

Tetra-iodo-a-CD : 5 étapes, Yield= 50%

Amélioration de la solubilité par méthylation de la face secondaire


2. Auto-organisation en milieu aqueux:



molécule bioactive

≈ 1nm ≈ 2nm 50 à 1000nm


1. Fessi, H.; Devissaguet, J.-P.; Puisieux, F.; Thies, C. EP0275796, 1993,“Process for the

preparation of dispersible colloidal systems of a substance in the form of nanoparticules”

2- Préparation de Suspensions de Nanoparticules par Nanoprécipitation Spontanée de Cyclodextrines

Amphiphiles

Phase aqueuse

Phase organique

PREPARATION des PHASES

Phase organique(cyclodextrin,Acétone ou THF )

Phase aqueuse( Eau)

Emulsion O/W

Addition de la phase organique

Evaporation de l’ acétone

2.Nanoparticules des dérivés di-substitués: Série des OH


• NPs sphériques• Deux populations de taille :

90nm 400nm

• NPs moins sphériques• Tailles supérieures à celles mesurées en DDL (200nm vs 125nm)

R= C6F13

R= C8F17

2. Nanoparticules des dérivés di, tri et tétra-substitués:

C4

H9

C6

H13

C8

H17

C4

F9

C6

F13

C8

F17

0,000

0,100

0,200

0,300

PI

C4

H9

C6

H13

C8

H17

C4

F9

C6

F13

C8

F17

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

NPs

Siz

es(

nm)

Di

Tétra

Per

2. Nanoparticules : Série des OMe

Composés Diamètre (nm) PI

C4F9 99.2 0.2 0.143 0.011

C6F13 95.9 0.2 0.065 0.022

C8F17 109.0 1.7 0.190 0.007

C4H9 135.6 3.1 0.031 0.025

C6H13 142.8 2.1 0.007 0.007

C8H17 176.7 5.0 0.037 0.032

Nanoparticules sphériquesDiamètre identique par DDL et par TEM

2. Etudes de Stabilité: Série OMe

Stabilité de taille des NPs après 9 mois

Conservation 9 mois à +4°C

C4

H9

/EtO

H

C6

H13

/EtO

H

C8

H17

/EtO

H

C4

F9

/EtO

H

C6

F13

/EtO

H

C8

F17

/EtO

H

C4

F9

/TH

F

C6

F13

/TH

F

C8

F17

/TH

F

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

NPs

siz

e (n

m)

Begining

1 month

3 months

5 months

9 months


2. Conclusion Nanoparticules

Toutes les cyclodextrines amphiphiles , fluorées ou non , sont capables de former des Nanoparticules:

OMe : nanoprecipitation classique

OH : sonication-nanoprecipitation

NPs série des OH :

120 à 200nm polydispersité élevée

Aggrégation des particules dans le temps

NPs série des OMe :

100-110nm pour les fluorées 140nm pour les hydrocarbonées

Suspensions homogènes

Stabilité de 9 mois.

NPs OMe : Bons Candidats pour le Transport des Molécules Bioactives


3. Encapsulation de molécule bioactive-

Etude de leur libération



Molécule bioactive

≈ 1nm ≈ 2nm 50 à 1000nm


3. Complexation d’un anti-viral :Acyclovir

CD/(CD+ACV) = 0,50

Complex 1/1

Actif contre le virus de l’Herpès

Molécule hydrophile(SH20= 1.4g/L)

N

NH

N

N

H2N

O

O OH

Acyclovir (ACV)

Méthode Job – spectroscopie UV/Visible

64894225C8H17

6631746C6H13

8290687C4H9

192133725C8F17

183782560C6F13

194381427C4F9

e11(L·mol-1·cm-1)

K11(M-1)

CDs

64894225C8H17

6631746C6H13

8290687C4H9

192133725C8F17

183782560C6F13

194381427C4F9

e11(L·mol-1·cm-1)

K11(M-1)

CDs

Challenge : difficulté d’encapsulation de PA hydrophile


3. Taux d’encapsulation d’acyclovir dans les NPs

Composé Taille(nm)

Ip Encapsulation(%)

C4H9 115 0.07 41

C6H13 115 0.09 25

C8H17 130 0.09 41

C4F9 120 0.15 45

C6F13 150 0.14 39

C8F17

Centrifugation des Suspensions de NPs afin d’éliminer les molécules adsorbées

ACV


aggrégats

3. Libération ACV:

CDs/ACV NPs

Boudin de dialyse(5kDa)

PBS

Dialyse

Prélèvement à plusieurs intervalles de temps et mesure de la DO par UV : Détermination du % d’ACV libéré


3. . Libération ACV:

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Time (min)

% r

elea

sed

ACV

C4F9

C6F13

C8H17

•Sans NPs, équilibre atteint en 30 min

• Avec NPs la libération est totale après 3 heures (sauf C4F9)

• Importance de la longueur de la chaîne fluorée


4. Conclusion

• Synthèse des a-Cyclodextrines amphiphiles fluorées :

• Di, tétra, per- substitution

• Augmentation de la solubilité (Per-OMe)

• Analogues hydrocarbonés

• Auto-organisation en Nanoparticules :

• Préparation par émulsification

• Stabilité de 9 mois

• Encapsulation de principes actifs :

• Taux d’encapsulation (42%)

• Libération contrôlée (3h)

Application potentielle dans la libération contrôlée de molécules bio-actives

(hydrophiles ou lipophiles) par des nanoparticules de cyclodextrines amphiphiles

perfluoroalkyléesAcadémie de Pharmacie - 4 Mai 2011

Remerciements:

Physicochimie

Dr Anthony Coleman

Dr Hanna Mouaziz

Analyses

Dr Anne Baudoin,

Dr Bernard Fenet

Dr Michel Becchi,

Dr Denis Bouchu

Equipe de Chimie Supramoléculaire Appliquée

€€ Financement €€

Synthèse

Dr Bernard Bertino

Dr Florent Perret

Marine Dufour

Formulation: Dr Yves Chevalier, LAGEP, UMR CNRS 5007


Merci pour votre attention

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Cyclodextrines amphiphiles et leurs applications