Mise en forme de biomolécules par compression : maîtrise des paramètres de formulation et de procédé afin de garantir efficacité biologique et stabilité

Tableting biomolecules by compression : mastering formulation and process parameters to ensure biological efficacy and stability

• Auteur / Autrice : Charbel Madi
• Direction : Virginie Busignies, Pierre Tchoreloff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 20/09/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Mehdi Cherif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Cazalbou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Charrueau, Tahmer Sharkawi
• DOI : 10.70675/f9c791fbzb80ez45adza847za6477e0ef170

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lyophilisation

Atomisation

Biomolécules

Propriétés physico-chimiques

Propriétés mécaniques

Procédés de fabrication

Mots clés libres

Lyophilisation

Compression

Atomisation

Procédés

Propriétés physico-Chimiques

Propriétés mécaniques

Freeze-drying

Compression

Spray-drying

Process

Physico-chemical properties

Mécanical properties

Résumé

Depuis la découverte de l’insuline en 1921, les protéines et peptides thérapeutiques sont de plus en plus étudiés en vue du développement de nouveaux médicaments. Dans la plupart des cas, ces molécules biologiques sont administrées par voie parentérale. Cependant, elles sont souvent sujettes à des instabilités sous forme liquide, nécessitant un stockage à basse température, impliquant une logistique complexe. Pour remédier à ces contraintes, les industries pharmaceutiques travaillent activement sur le développement de comprimés contenant des biomolécules, visant à réduire les instabilités lors du stockage. La première étape pour fabriquer des comprimés à partir de formulations liquides consiste à sécher les formulations afin d’obtenir une poudre, qui sera ensuite comprimée. Plusieurs techniques de séchage telles que la lyophilisation ou l’atomisation permettent d'obtenir une poudre à partir d'une formulation liquide. Toutefois, pour stabiliser les biomolécules durant ces procédés, les formulations doivent intégrer des excipients tels que des lyo ou cryoprotecteurs comme le tréhalose et le saccharose (sucres non réducteurs), le lactose (sucre réducteur), des agents de masse comme le mannitol, des surfactants, des agents tampons, etc. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié la faisabilité du développement de comprimés contenant une protéine modèle, plus précisément la lactate déshydrogénase (LDH). Différents excipients et conditions de lyophilisation et de compression ont été évalués. Initialement, des formulations placebo contenant du tréhalose, du saccharose, du lactose ou du mannitol ont été lyophilisées, puis leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées. Ces poudres ont ensuite été comprimées, et leur comportement lors de la compression a été caractérisé. Il a été démontré que le tréhalose et le lactose, une fois lyophilisés puis comprimés, étaient amorphes et présentaient des propriétés mécaniques spécifiques telles qu’une résistance mécanique élevée des comprimés obtenus dès les faibles pressions de compression, un comportement fragile très marqué de ces comprimés et des profils de recouvrement élastique spécifiques, différents des profils des poudres cristallines commerciales. En revanche, le mannitol, cristallin après lyophilisation, a montré un comportement en compression différent, avec un profil de compressibilité différent des excipients amorphes et des propriétés mécaniques des comprimés réalisés également différenciées. Finalement, la caractérisation du comportement en compression du saccharose lyophilisé a été difficile à évaluer en raison de son hygroscopicité élevée. La seconde partie de l'étude a impliqué la modification des formulations en augmentant la concentration du tréhalose ou du lactose dans les solutions lyophilisées dans l’objectif d’améliorer les propriétés d'écoulement des poudres obtenues après séchage, afin d’anticiper sur les difficultés de remplissage de la matrice de compression, en vue d’une transposition industrielle. Cette modification s’est avérée insuffisante pour améliorer les propriétés d'écoulement et oriente donc vers d’autres solutions technologiques. Finalement, l'addition de la LDH aux formulations contenant du tréhalose et du lactose a été réalisée dans différentes conditions de concentration et en faisant varier les paramètres procédés[...]

Since the discovery of insulin in 1921, therapeutic proteins and peptides have been increasingly studied for the development of new medications. In most cases, these biological molecules are administered parenterally. However, they are often subject to instability in liquid form, requiring low-temperature storage and involving complex logistics. To address these constraints, pharmaceutical industries are actively working on the development of tablets containing biomolecules, aiming to reduce instabilities during storage. The first step in manufacturing tablets from liquid formulations is to dry the formulations to obtain a powder, which is then compressed. Several drying techniques, such as freeze-drying or spray-drying, can produce a powder from a liquid formulation. However, to stabilize the biomolecules during these processes, the formulations must include excipients such as lyoprotectants or cryoprotectants like trehalose and sucrose (non-reducing sugars), lactose (reducing sugar), bulking agents like mannitol, surfactants, buffer agents, etc. In this thesis, we studied the feasibility of developing tablets containing a model protein, specifically lactate dehydrogenase (LDH). Various excipients and freeze-drying and compression conditions were evaluated. Initially, placebo formulations containing trehalose, sucrose, lactose, or mannitol were freeze-dried, and their physicochemical properties were studied. These powders were then compressed, and their behavior during compression was characterized. It was demonstrated that trehalose and lactose, once lyophilized and then compressed, were amorphous and exhibited specific mechanical properties such as high mechanical resistance of the tablets obtained at low compression pressures, a pronounced fragile behavior of these tablets, and specific elastic recovery profiles different from those of commercial crystalline powders. In contrast, mannitol, crystalline after freeze-drying, showed different compression behavior, with a compressibility profile different from the amorphous excipients and differentiated mechanical properties of the tablets produced. Finally, the characterization of the compression behavior of freeze-dried sucrose was difficult to assess due to its high hygroscopicity. The second part of the study involved modifying the formulations by increasing the concentration of trehalose or lactose in the lyophilized solutions with the aim of improving the flow properties of the powders obtained after drying, to anticipate difficulties in filling the compression die for industrial transposition. This modification proved insufficient to improve flow properties, indicating the need for other technological solutions. Finally, the addition of LDH to formulations containing trehalose and lactose was carried out under different concentration conditions and by varying the process parameters. It was shown that it is possible to preserve 100% of the enzymatic activity of LDH after freeze-drying. Conversely, this part of the study showed an almost total loss in the presence of mannitol. Moreover, trehalose and lactose powders containing LDH, obtained after freeze-drying and then compressed at pressures ranging from 12.5 MPa to 250 MPa, maintained the enzymatic activity of LDH entirely, despite the mechanical stresses generated by the compression operation. Finally, a stability study on freezedried LDH in trehalose or lactose matrices, compressed at 50 MPa and stored between 4 °C and 40 °C, confirmed the total preservation of its enzymatic activity for 4 months, regardless of the temperature conditions.