cyclodextrines amphiphiles et leurs applications
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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
Académie de Pharmacie - 4 Mai 2011
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
Académie de Pharmacie - 4 Mai 2011
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
Académie de Pharmacie - 4 Mai 2011
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
+
Académie de Pharmacie - 4 Mai 2011
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
Académie de Pharmacie - 4 Mai 2011
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
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2. Auto-organisation en milieu aqueux:
Echelle moléculaire Echelle supramoléculaire
Nanoparticules Nanoparticules chargées
molécule bioactive
≈ 1nm ≈ 2nm 50 à 1000nm
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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
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• 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
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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
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3. Encapsulation de molécule bioactive-
Etude de leur libération
Echelle moléculaire Echelle supramoléculaire
Nanoparticules Nanoparticules chargées
Molécule bioactive
≈ 1nm ≈ 2nm 50 à 1000nm
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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
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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
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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
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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
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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
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Merci pour votre attention