Comparison of topical quercetin nanoformulations for skin protection

par Taher Hatahet

Thèse de doctorat en Sciences physico-chimiques et ingénierie appliquée à la santé

Sous la direction de Sylvie Bégu Soulié.

Soutenue le 15-09-2016

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Comparaison de nanoformulations de quercétine pour la protection cutanée


  • Résumé

    Les flavonoïdes sont des pigments d’origine naturelle conférant leurs couleurs aux fleurs et aux fruits, identifiés dans plus de quatre milles espèces. Les flavonoïdes sont classés selon leur structure chimique de base formée par deux cycles aromatiques reliés par trois carbones : C6-C3-C6, chaîne souvent fermée en un hétérocycle oxygéné hexa- ou pentagonal. Les flavonoïdes présentent des activités physiologiques qui leurs permettent d’être utilisés comme médicaments notamment pour leur pouvoir à piéger les radicaux libres. Les activités de flavonoïdes ont fait l’objet de nombreux articles de revue. Parmi les flavonoïdes, la quercétine est la molécule la plus distribuée dans la nature qui présente la meilleure activité anti radicalaire et aussi antiinflammatoire comparativement aux autres molécules de la même famille. En général, les flavonoïdes et la quercétine en particulier présentent une solubilité très limitée dans l’eau, cette limitation réduit leur absorption/pénétration et donc leur efficacité. En partant de l’idée que la peau est le l’organe le plus grand du corps humain et aussi l’organe le plus exposé au stress oxydant lié aux radiations UV et aux produits corrosifs et irritants, la quercétine est donc une molécule antioxydante de choix pour être appliquée sur la peau. Le premier objectif de thèse a été de développer plusieurs formulations nanométriques de quercétine afin d'augmenter sa solubilité dans l’eau et améliorer ses propriétés physico chimiques. Le deuxième objectif sera de comparer ces formulations en termes de capacité de chargement de quercétine, de toxicité vis à vis des cellules HaCaT (kératinocytes) THP-1 (monocytes) et Vero (épithéliale), et enfin le maintien de l’activité de la quercétine sur les cellules in vitro, pour mettre in fine en évidence une augmentation de la pénétration cutanée la quercétine in vivo.Dans ce projet, trois approches de formulations nanométriques (smartCrystals®, nanocapsules lipidiques et liposomes) ont été testées pour améliorer la solubilité de la quercétine. Les formulations sont optimisées en termes de procédé de préparation (transposition industrielle) et de composition des excipients pour augmenter la quantité de quercétine formulée. Les formulations ont été caractérisées sur plusieurs paramètres : taille, PDI, taux de chargement en quercétine, état cristallin et cinétique de libération de quercétine in vitro. Ensuite, les formulations ont été comparées entre elles sur les cellules HaCaT et THP-1 avec détermination de leur toxicité et activité protectrice. Enfin, deux formulations (quercétine smartCrystals® avec le TPGS et quercétine LNC 20) ont été sélectionnées et comparées in vivo pour évaluer l’amélioration de la pénétration cutanée de quercétine. Ce projet propose une solution pour formuler la quercétine d’une façon pertinente et efficace qui pourra être extrapolée au niveau industriel pour des applications cutanées de molécules peu solubles dont l'efficacité est limitée par leur faible pénétration cutanée.


  • Résumé

    Flavonoids are plants pigments. Flavonoids can be observed by the naked eye as they form the amazing colors of flower petals. Flavonoids are classified on the basis of their chemical structure composed of two aromatic cycles connected by three carbons: C6-C3-C6, chains are closed in hexa- or pentagonal oxygenated heterocyclic ring. Flavonoids present interesting physiological activates that permit their usefulness as medicaments, especially for their free radical scavenging ability. Indeed, flavonoids activates were the object of numerous review articles.Among flavonoids, quercetin is the molecule the most distributed in nature that presents the strongest antioxidant and antiinflammatory activities in comparison to other molecules of this family. In general flavonoids and specially quercetin present poor water solubility, thus limiting their absorption/penetration and as a result their efficiency.Starting for the idea that the skin is the largest organ of the human body and the organ, which the most exposed to oxidative stress due to UV irradiation or other corrosive and irritating chemicals. Quercetin is a candidate for skin supplementation with exogenous antioxidant. The first objective of the thesis is to develop several formulations at the nanometric range for quercetin, in order to increase its water solubility and to enhance its physicochemical properties. The second objective is to compare these formulations in terms of quercetin loading capacity, cellular toxicity of quercetin and its formulations on HaCaT cells (keratinocytes), THP-1 cells (monocytes) and Vero cells (epithelial). Then, the protective activity of quercetin in vitro on cells to finally put in evidence the increase of quercetin in vivo skin penetration in formulations.In this project, three nanoformulations approaches (smartCrystals®, lipid nanocapsules and liposomes) were tested for the increase of quercetin water solubility. The formulations were optimized for scale up to industrial scale at the level of preparation method, also in the excipients compositions for higher affinity to quercetin. The formulations were characterized in terms of particle size, PDI, quercetin loading, crystallinity evaluation and quercetin in vitro release profile. Then, formulations were compared in interaction with HaCaT and THP-1 cells for their cellular toxicity and protective activity. Finally, two formulations (quercetin smartCrystals® with TPGS and quercetin lipid nanocapsules 20) were selected and compared for the enhancement of the in vivo skin penetration of quercetin.This project propose a solution for the successful formulation of quercetin enabling its efficient skin delivery. This project can be extrapolated to industrial level for quercetin and other poorly water soluble molecules that present limited efficiency due to their low skin penetration capacity.


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