Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Abstract

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Biodegradable polymeric nanoparticles (NPs) have emerged as promising drug delivery carriers for the controlled drug release and targeting. The first part of this study aimed to develop biodegradable NPs from functionalized copolymers of poly (D,L-Lactide) (PLA). Those copolymers were explored as drug delivery systems in attempt to improve the drug delivery performance of conventional PLA NPs. The effect of PLA functionalization (insertion of chemical substituents onto PLA backbone) on the physicochemical properties of the obtained NPs was investigated. Moreover, the effect of polymer architecture (mode of organization of polymer chains in the resultant copolymer) on various drug delivery aspects was also studied. To reach those goals, various PLA based copolymers namely poly(ethylene glycol) (PEG) grafted on PLA backbone at 2.5% & 7% mol/mol of lactic acid monomers (PEG2.5%-g-PLA and PEG7%-g-PLA, respectively), palmitic acid grafted on PLA backbone at 2.5% grafting density (palmitic acid2.5%-g-PLA), and multiblock copolymer of PLA and PEG, (PLA-PEG-PLA)n were synthesized. In the second part, the effect of different PEG grafting densities over PLA backbone on the properties of PEG-g-PLA NPs either physicochemical or biological properties was investigated to reveal the optimal PEG grafting density required to develop stealth particles (long circulating NPs). Finally, functionalized PEG/PLA copolymers that showed the most satisfactory results in terms of various drug delivery aspects, such as size and size distribution, surface charge, drug loading, and controlled drug release were selected for encapsulation of itraconazole (ITZ) to improve its aqueous solubility, bioavailability and hence its antifungal activity. NPs were first prepared from functionalized PLA copolymers then analyzed for their major physicochemical parameters such as encapsulation efficiency, size and size distribution, surface charge, thermal properties, surface chemistry, % poly(vinyl alcohol) (PVA) adsorbed at the surface of NPs, and drug release pattern. Surface chemistry analysis using x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and atomic force microscopy (AFM) phase imaging were used to study the chain organization behavior of each functionalized copolymer during NPs formulation. Generally speaking, functionalized PEG/PLA copolymers showed improved drug delivery behavior in terms of narrow size and size distribution, enhanced loading efficiency, less plasma protein adsorption onto their surfaces and less macrophage uptake, and finally better antifungal activity for ITZ loaded NPs. For the surface chemistry analysis, AFM phase imaging and XPS studies revealed the possibility of existence of more PEG chains at the surface of PEG-g-PLA NPs than (PLA-PEG-PLA)n during NPs formation. Our results demonstrate that properties of PLA-based NPs can be tuned by proper selection of both polymer composition and polymer architecture. Results also suggest that PEG-g-PLA copolymers could be used efficiently as a nanocarrier to improve various drug properties e.g. solubility, stability, and bioavailability.