Particulate systems for lung delivery of pyrazinamide for tuberculosis treatment

par Dinh duy Pham

Thèse de doctorat en Pharmacotechnie et biopharmacie

Sous la direction de Nicolas Tsapis.

Le président du jury était Elias Fattal.

Le jury était composé de Nicolas Tsapis, Elias Fattal, Paolo Colombo, Marie-Pierre Flament, Franck Boury.

Les rapporteurs étaient Paolo Colombo, Marie-Pierre Flament.

  • Titre traduit

    Systèmes particulaires pour la délivrance pulmonaire de pyrazinamide afin de traiter la tuberculose


  • Résumé

    La pyrazinamide est le seul anti-tuberculeux de première intention actif sur la formedormante de Mycobacterium tuberculosis. Sa prescription par voie orale permet de réduire la durée du traitement de 9 à 6 mois. Nous avons développé des formes galéniques de pyrazinamide administrables directement au niveau des poumons afin d'augmenter localement la concentration de pyrazinamide au site pathologique afin de réduire la durée du traitement. Deux formes galéniques de pyrazinamide ont été optimisées: une poudre sèche pour inhalation et des nanoparticules polymères administrables par nébulisation liquide ou sous forme de poudre sèche.La poudre sèche pour inhalation est composée de particules obtenues par atomisation-séchage. La pyrazinamide a été solubilisée dans un mélange 70/30 v/véthanol/eau. Après atomisation-séchage de cette solution, nous avons obtenu des particules cristallines instables et non adaptées à l'administration pulmonaire du fait de leur grande taille. Afin d'obtenir des poudres adaptées à une administration pulmonaire dans le poumon profond, et stables en termes de taille et de caractéristiques physico-chimiques, nous avons passé en revue toute une série d'excipients: phospholipides, bicarbonate d'ammonium, leucine, acide hyaluronique.Nous avons montré qu'en associant tous ces excipients au principe actif, on pouvait obtenir des particules d'environ 6 microns, de faible densité tassée et stables pendant 4 semaines dans des conditions de stockage classiques.L'évaluation aérodynamique in vitro de la poudre optimisée a révélé l'existence de deux populations de particules: de grosses particules pauvres en pyrazinamide et de petites particules riches en pyrazinamide. Ces deux populations proviennent d'une ségrégation des différents composants lors du processus de séchage. Pour remédier à ce phénomène et obtenir des particules de composition homogène, la vitesse de séchage a été diminuée. En conséquence, nous avons obtenu des poudres homogènes avec de bonnes propriétés aérodynamiques pour délivrance dans les poumons: fraction de particules fines de 40,1 ± 1,0% et fraction alvéolaire de 29,6 ±3,1%. Cette poudre a alors été évaluée in vivo chez le rat sain et nous avons mesuré les concentrations de pyrazinamide dans le plasma et le liquide de lavage bronchoalvéolaire après insufflation intratrachéale de la poudre, par comparaison avec une administration intraveineuse d'une solution de pyrazinamide. L'insufflation intratrachéale de poudre et l'administration intraveineuse conduisent à des paramètres pharmacocinétiques similaires prouvant que les particules se dissolvent rapidement lors du dépôt et que la molécule traverse efficacement la barrière pulmonaire pour atteindre la circulation systémique. De manière surprenante, la pyrazinamide est éliminée plus rapidement du liquide pulmonaire lorsqu'elle est administrée par insufflation intratrachéale que par voie intraveineuse. La délivrance pulmonaire de pyrazinamide apparaît comme une alternative intéressante à l'administration orale de la molécule et doit maintenant être testée dans un modèle d'animal infecté pour évaluer son efficacité contre Mycobacterium tuberculosis.En parallèle, nous avons optimisé l'encapsulation de pyrazinamide dans des nanoparticules polymères de poly(lactide-co-glycolide) PLGA monodisperses de taille inférieure à 200nm, grâce un plan d'expériences. Les nanoparticules de PLGA chargées en pyrazinamide ont été préparées par la méthode d'émulsion double. La méthode de Taguchi a été utilisée pour optimiser les paramètres de formulation. Le type de solvant, le rapport en poids pyrazinamide/ PLGA et le rapport des volumes des phases aqueuse et organique étaient les paramètres pertinents. La méthode de Taguchi s'est avérée efficace pour optimiser les nanoparticules d'environ 170nm avec un indice de polydispersité ˂ 0,1, un potentiel zêta d'environ -1mV et une efficacité d'encapsulation de 7-8% soit 3% de taux de charge de la pyrazinamide.


  • Résumé

    Pyrazinamide is the only first intention anti-TB drug active on the dormant form ofMycobacterium tuberculosis. Its oral prescription reduces treatment duration from 9to 6 months. We have developed dosage forms of pyrazinamide to administer directlyto the lungs to locally increase the concentration of pyrazinamide at the diseased siteand further reduce the duration of treatment. Two dosage forms of pyrazinamidewere optimized: a dry powder for inhalation and polymer nanoparticles administrableeither by liquid nebulization or as a dry powder.The dry powder for inhalation is composed of particles obtained by spray-drying.Pyrazinamide was dissolved in a mixture 70/30 v/v ethanol/water. After spray-dryingthe solution, we obtained large crystalline particles that were unstable and notsuitable for pulmonary administration because of their large sizes. To obtain powderssuitable for pulmonary delivery to the deep lungs, and stable in terms of size andphysico-chemical characteristics, we reviewed a variety of excipients: phospholipids,ammonium bicarbonate, leucine, hyaluronic acid. We have shown that by combiningall these excipients with the drug, one could obtain particles of about 6 microns, witha low tapped density and stable for 4 weeks under conditions of conventionalstorage.The in vitro aerodynamic evaluation of the optimized powder showed the existence oftwo populations of particles: large particles with a low content of pyrazinamide andsmall particles with high pyrazinamide content. These two populations derived fromthe segregation of different components during the drying process. To obtainparticles of uniform composition, the drying rate was decreased. As a result, weobtained homogeneous powders with good aerodynamic properties for delivery intothe lungs: fine particle fraction of 40.1 ± 1.0% and alveolar fraction of 29.6 ± 3.1%.This powder was then evaluated in vivo in healthy rats and we measured theconcentrations of pyrazinamide in plasma and bronchoalveolar lavage fluid afterintratracheal insufflation of the powder in comparison with intravenous administrationof a solution of pyrazinamide. The intratracheal insufflation of the powder and theintravenous injection lead to similar pharmacokinetic parameters proving that theparticles dissolve rapidly after deposition and pyrazinamide crosses efficiently thelung barrier to reach the systemic circulation. Surprisingly, pyrazinamide disappears4faster form lung lining fluid when administered by pulmonary insufflation than afterintravenous administration. Pulmonary delivery of pyrazinamide appears as anattractive alternative to oral administration of the drug and must now be tested in ananimal model of infection to assess its efficacy against Mycobacterium tuberculosis.In parallel, we have optimized the encapsulation of pyrazinamide in polymericnanoparticles of poly (lactide-co-glycolide) PLGA lower than 200 nm andmonodisperse, using experimental design. The pyrazinamide-loaded PLGAnanoparticles were prepared by the double emulsion method. The Taguchi methodwas used to optimize the formulation parameters. The type of solvent, thepyrazinamide / PLGA weight ratio and aqueous to organic phases volume ratio wererelevant parameters. The Taguchi method has proven effective to optimizenanoparticles of about 170nm with a polydispersity index < 0.1, a zeta potential ofapproximately -1mV and an encapsulation efficiency of 7-8% or 3% pyrazinamide drugloading.


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