Mise au point galénique et évaluation

[
Ecole Doctorale Biosanté
4 rue Michel Brunet – Bât B27 Chimie – TSA 51106 – 86073 Poitiers cedex 09
: 33 (0)5 49 45 35 88 - fax: 33 (0)5 49 45 35 80
Appel à
candidature
Contrat doctoral
2014
Intitulé du sujet
Mise au point galénique et évaluation pharmacocinétique de microparticules hybrides
chargées en fluoroquinolones pour inhalation
Laboratoire d’accueil : Inserm U1070 – Pharmacologie des Anti-infectieux
Pôle n° : ………… Axe stratégique : ……………………………………………………………………………..
Directeur de thèse : William Couet (HDR) à 50%
Taux d’encadrement de thèses : au 1er Mars 2014
Nom du doctorant :.Matthieu Jacobs..à …50…% Nom du doctorant :.......................................à ………%
Nom du doctorant :.......................................à ………% Nom du doctorant :.......................................à ………%
Nom du doctorant :.......................................à ………%
Co-Directeur de thèse : et Frédéric Tewes (non HDR) à 50%
Taux d’encadrement de thèses : au 1er Mars 2014
Nom du doctorant :.......................................à ………% Nom du doctorant :.......................................à ………%
Nom du doctorant :.......................................à ………% Nom du doctorant :.......................................à ………%
Nom du doctorant :.......................................à ………%
Description du sujet de thèse :
L’utilisation d’antibiotiques (ATB) est la seule mesure qui s’avère efficace contre les infections
chroniques bactériennes pulmonaires. Néanmoins, du fait d’une mauvaise utilisation des ATB
présents à des concentrations sub-optimales dans les fluides pulmonaires, la sélection sur le
long terme de bactéries résistantes aux antibiotiques tend à diminuer leur efficacité. Ces faibles
concentrations en antibiotiques sont la conséquence de posologies mal adaptées. Dans un
contexte de pénurie de nouveaux ATB, il convient de développer de nouvelles stratégies
d’administration des ATB existants. L’administration pulmonaire d’antibiotiques sous forme
d’aérosol permet de cibler directement les poumons et d’augmenter l'index effet
thérapeutique/effets secondaires systémiques. Ainsi, l’effet direct au niveau des tissus cibles
permet l’administration de faibles doses tout en ayant des concentrations locales élevées. Les
principaux défis liés à cette voie d'administration sont le contrôle du dépôt de l’aérosol dans
l’arbre pulmonaire et pour certaines molécules l’absorption systémique rapide via l’épithélium
pulmonaire. La première partie de ce défi peut être résolu par le développement de
microparticules de faible densité chargées en antibiotiques et ayant des propriétés
aérodynamiques appropriés pour atteindre les poumons profonds quand elles sont administrées
au moyen d'un inhalateur de poudre. Un point important est que ces microparticules peuvent
être développées pour contrôler le profil de libération du principe actif et l’adapté au schéma
posologique afin d’obtenir une efficacité maximale. Aussi, le développement de microparticules
permettant d’obtenir une libération prolongée d’antibiotique au sein du poumon permettrait de
diminuer la fréquence des inhalations, d’augmenter la compliance au traitement et le confort du
patient. Actuellement, seule la tobramycine et la colistine sont utilisées en nébulisation pour
traiter les infections pulmonaires. L’inhalation de poudre sèche chez le patient traité en
ambulatoire est beaucoup plus pratique que la nébulisation classique pour cette application car
1
elle réduit considérablement le temps pour l'administration d'une dose et nécessite peu
d’entretien. Aussi, l’antibiothérapie pulmonaire utilisant un inhalateur de poudre est en plein
essor. La tobramycine a récemment (2012) été approuvée pour une utilisation via un inhalateur
(TOBI® Podhaler™) pour le traitement des infections à P. aeruginosa chez les patients atteints
de mucoviscidose. Les fluoroquinolones (FQs) sont des antibiotiques utilisés par voie orale pour
le traitement intermittent des infections pulmonaires chroniques à P. aeruginosa [1, 2], mais
sont maintenant envisagés pour être développés sous forme d’inhalateur de poudre. Entre 2012
– 2013, des études cliniques de phase 2 et 3 supportées par Novartis et Bayer healthcare ont
montré des données prometteuses après inhalation de poudre de FQs [2-5]. Cependant,
l’absorption systémique des FQs après inhalation pulmonaire est très rapide (tmax< 5 min) et
les profils de concentrations plasmatiques sont identiques à ceux obtenus après injection
intraveineuse [6, 7]. Aussi, il serait intéressant de diminuer la vitesse d’absorption des FQs afin
d’augmenter leur effet local au sein du poumon. Les FQs interagissent avec les cations
métalliques, ce qui diminue leur vitesse d’absorption par voie orale [8-12]. Cet effet pourrait être
utilisé pour ralentir l’absorption pulmonaire des FQs et augmenter leur effet local.
L’INSERM U1070 étudie l’aspect pharmacologique-pharmacocinétique de nombreuses FQs
depuis plusieurs années [6, 13-19]. Tout d’abord des études in vitro nous ont permis de mieux
comprendre les mécanismes de diffusion et de transport des FQs à travers l’épithélium
pulmonaire et ceci grâce à un modèle cellulaire composé de cellules Calu-3 cultivées sur inserts
[13, 14]. Par la suite le développement dans notre laboratoire de la technique de lavage
broncho-alvéolaire (LBA) chez le rat nous a permis d’étudier les cinétiques de diffusion
pulmonaire de différents ATBs que ce soit après nébulisation ou administration I.V. [20]. Le LBA
permet de suivre les concentrations en antibiotiques dans le film liquidien épithélial pulmonaire
(epithelial lining fluid (ELF)) qui reflètent la concentration active en antibiotique à comparer aux
concentrations en ATBs. Après administration intraveineuse et pulmonaire de solutions de FQs
chez le rat nous avons ainsi pu mettre en évidence une distribution et une absorption rapides de
la plupart des FQs. Les concentrations intra-pulmonaires de ces deux FQs s’équilibrent
rapidement avec les concentrations plasmatiques. Ainsi, ces premiers résultats supportent la
nécessité d’une forme galénique ralentissant l’absorption des FQs au niveau pulmonaire.
Ainsi, l’objectif de ce projet est de développer des microparticules composées de FQs et cations
di- ou trivalents (Ca2+, Mg2+, Cu2+, Zn2+) aérosolisables par inhalateur de poudre sèche et
permettant la libération contrôlée de l’antibiotique au sein du poumon afin de lutter contre les
infections pulmonaires bactériennes chronique. Cette approche novatrice devrait permettre de
traiter plus efficacement les infections pulmonaires chroniques et réduire l'incidence de
bactéries résistantes aux ATB, ce qui est un problème majeur chez ces patients.
Méthodologie
Le plan de ce projet est basé sur un criblage successif en 5 étapes à partir de 4 FQs
(ciprofloxacine, levofloxacine, moxifloxacine, pefloxacine) et 5 cations (Ca2+, Mg2+, Ag+, Cu2+,
Zn2+): (A) Les constantes d’association et la stoechiométrie des interactions FQ-cation seront
étudiées par spectrophotométrie afin de sélectionner les couples FQ-cation les plus stables. (B)
L’effet des cations sur le transport des FQs à travers un modèle d’épithélium pulmonaire
(cellules Calu-3) sera évalué afin de prédire les profils d’absorption pulmonaire.
En parallèle, la toxicité potentielle des couples FQ-cation sera évaluée in vitro et in vivo et
l’activité antibactérienne sera vérifiée. L’ensemble de ces données permettra de choisir les
couples FQ/cation candidats à la formulation de microparticules par spray drying. (C) Les
microparticules seront évaluées en fonction de par leur propriétés aérodynamiques et profil de
libération. (D) Les profils pharmacocinétique des FQ après inhalation des meilleurs formulations
chez le rat sain seront déterminés et (E) leur efficacité sera étudier in-vivo sur un modèle animal
d'infection.
Références Bibliographiques
[1] Hurley M, Smyth A. Fluoroquinolones in the treatment of bronchopulmonary disease in cystic
fibrosis. Ther Adv Respir Dis. 2012;6:363-73.
2
[2] Antonela Antoniu S. Inhaled ciprofloxacin for chronic airways infections caused by
Pseudomonas aeruginosa. Expert Review of Anti-infective Therapy. 2012;10:1439-46.
[3] Wilson R, Welte T, Polverino E, De Soyza A, Greville H, O'Donnell A, et al. Ciprofloxacin
dry powder for inhalation in non-cystic fibrosis bronchiectasis: a phase II randomised study.
European Respiratory Journal. 2013;41:1107-15.
[4] Antoniu S, Azoicai D. Ciprofloxacin DPI in non-cystic fibrosis bronchiectasis: a Phase II
randomized study. Expert Opinion on Investigational Drugs. 2013;22:671-3.
[5] Wilson R, Welte T, Polverino E, Soyza AD, Greville H, O'Donnell A, et al. Ciprofloxacin
DPI in non-cystic fibrosis bronchiectasis: a phase II randomised study. European Respiratory
Journal. 2012.
[6] Gontijo AVL, Marchand S, Brillault J, Gobin P, Couet W. Characterisation of
fluoroquinolones bioavailability in rats after pulmonary delivery. 22nd European Congress of
Clinical Microbiology and Infectious Diseases (ECCMID). London2012.
[7] Zhanel GG, Noreddin AM. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of the new
fluoroquinolones: focus on respiratory infections. Current opinion in pharmacology. 2001;1:45963.
[8] Helena M, Teixeira SF, Vilas-Boas LF, Gil VMS, Teixeira F. Complexes of Ciprofloxacin with
Metal Ions Contained in Antacid Drugs. Journal of Chemotherapy. 1995;7:126-32.
[9] Mulcahy H, Lewenza S. Magnesium Limitation Is an Environmental Trigger of the
Pseudomonas aeruginosa Biofilm Lifestyle. PLoS ONE. 2011;6:e23307.
[10] Navarro AS, Cabarga MM, Hurlé AD-G. Comparative study of the influence of Ca2+ on
absorption parameters of ciprofloxacin and ofloxacin. Journal of Antimicrobial Chemotherapy.
1994;34:119-25.
[11] Neuhofel A, Wilton J, Victory J, Hejmanowsk L, Amsden G. Lack of bioequivalence of
ciprofloxacin when administered with calcium-fortified orange juice: a new twist on an old
interaction. The Journal of Clinical Pharmacology. 2002;42:461-6.
[12] Refat MS. Synthesis and characterization of norfloxacin-transition metal complexes (group
11, IB): spectroscopic, thermal, kinetic measurements and biological activity. Spectrochim Acta A
Mol Biomol Spectrosc. 2007;68:1393-405.
[13] Brillault J, De Castro WV, Couet W. Relative contributions of active mediated transport and
passive diffusion of fluoroquinolones with various lipophilicities in a Calu-3 lung epithelial cell
model. Antimicrob Agents Chemother. 2010;54:543-5.
[14] Brillault J, De Castro WV, Harnois T, Kitzis A, Olivier JC, Couet W. P-glycoproteinmediated transport of moxifloxacin in a Calu-3 lung epithelial cell model. Antimicrob Agents
Chemother. 2009;53:1457-62.
[15] Chenel M, Limosin A, Marchand S, Paquereau J, Mimoz O, Couet W. Norfloxacin-induced
electroencephalogram alteration and seizures in rats are not triggered by enhanced levels of
intracerebral glutamate. Antimicrob Agents Chemother. 2003;47:3660-2.
[16] Gregoire N, Raherison S, Grignon C, Comets E, Marliat M, Ploy MC, et al. Semimechanistic
pharmacokinetic-pharmacodynamic model with adaptation development for time-kill
experiments of ciprofloxacin against Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob Agents Chemother.
2010;54:2379-84.
[17] Marchand S, Chenel M, Lamarche I, Pariat C, Couet W. Dose ranging pharmacokinetics and
brain distribution of norfloxacin using microdialysis in rats. J Pharm Sci. 2003;92:2458-65.
[18] Marchand S, Forsell A, Chenel M, Comets E, Lamarche I, Couet W. Norfloxacin bloodbrain barrier transport in rats is not affected by probenecid coadministration. Antimicrob Agents
Chemother. 2006;50:371-3.
[19] Marchand S, Frasca D, Dahyot-Fizelier C, Breheret C, Mimoz O, Couet W. Lung
microdialysis study of levofloxacin in rats following intravenous infusion at steady state.
Antimicrob Agents Chemother. 2008;52:3074-7.
[20] Marchand S, Gobin P, Brillault J, Baptista S, Adier C, Olivier JC, et al. Aerosol therapy with
colistin methanesulfonate: a biopharmaceutical issue illustrated in rats. Antimicrob Agents
Chemother. 2010;54:3702-7.
Signature du porteur du projet
F Tewes
Signature du Directeur de Laboratoire
W Couet
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