Synthèse et étude de la biocompatibilité de composés macrocycliques

Biocompatibility evaluation and synthesis of macrocyclic compounds

• Auteur / Autrice : Eszter Roka
• Direction : Caroline Félix, Florent Perret, Ildikó Bácskay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 21/02/2017
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Debreceni egyetem (Debrecen, Hongrie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICBMS - Institut de Chimie et Biochimie Moléculaires et Supramoléculaires - UMR 5246 (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Árpád Tósaki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Le Borgne, Géza Regdon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Fruit, Romána Zelkó

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodisponibilité

Biocompatibilité

Calixarènes

Cyclodextrines

Mots clés libres

Cyclodextrin

Calixarène

Biocompatibilité

Biodisponibilité

Cytotoxicité

Hémolyse

Synthèse

Transport

Cyclodextrin

Calixarene

Biocompatibility

Bioavailability

Cytotoxicity

Hemolysis

Synthesis

Transport

Résumé

La faible solubilité de certains médicaments cause des problèmes majeurs dans les formulations pharmaceutiques, puisque la solubilité dans l'eau est un critère indispensable pour la biodisponibilité. Les composés macrocycliques tels que les CDs et les calixarènes ont une cavité relativement hydrophobe, leur permettant ainsi d'encapsuler de nombreuses molécules. Les CDs ont déjà été utilisées comme excipients pharmaceutiques pour l'amélioration de la solubilité. La structure de ces macrocycles permet d'effectuer de nombreuses modifications, qui causent des changements tant au niveau de leurs caractéristiques physico-chimiques que sur leurs effets sur les organismes vivants. Ainsi, l'évaluation de la biocompatibilité de ces dérivés est primordiale en vue de leur utilisation en pharmacie. Puisque l'étude de la biocompatibilité de plusieurs dérivés de β-CD a déjà été étudiée, l'objectif de cette recherche était d'étendre ces expériences à des dérivés de l'α-CD qui sont disponibles dans le commerce. Nous nous sommes intéressés aux relations entre structure et toxicité. Ainsi les dérivés alkyl éther d'α-CD, avec des chaînes alkyle de longueur croissante et substitués sur différentes positions, ont été synthétisés et leur toxicité étudiée. Les para-sulphonato-calix[n]-arènes quant à eux, ont souvent été étudiés et ont montré une forte capacité à complexer de nombreux médicaments. Ils ont aussi démontré une activité biologique polyvalente. Néanmoins, leurs effets sur le mécanisme de transport paracellulaire n'a jamais été évaluée. Les tests de viabilité cellulaire et d'hémolyse nous ont permis d'une part de classer les α-CDs et de choisir les dérivés les plus sûrs, et d'autre part de comparer leur effets toxiques dans des systèmes différents. La comparaison des α- et ß-CDs portant les mêmes modifications chimiques nous a montré l'importance du nombre d'unités de construction. Le rapport entre l'effet cytotoxique et le nombre de groupes hydroxyles libres est également très important. Les dérivés portant de longues chaînes alkyles possèdent une faible solubilité, ce qui nous a conduits vers d'autres modifications chimiques : la sulfonation de ces derniers dérivés semble avoir un impact bénéfique sur la biocompatibilité de CDs. Elle a aussi amélioré la solubilité des calixarènes. Les calix[4] et [8]arène sulphonates ont prouvé leur effet positif sur l'absorption paracellulaire, tandis que le calix[6]arène sulphonate n'a pas eu d'effet similaire. Notre recherche conclut que les changements structurels sur les anneaux macrocycliques peuvent avoir un impact majeur sur la biocompatibilité. Comme les possibilités de modification sont pratiquement illimitées, l'évaluation de la structure et de l'activité est indispensable pour faciliter les choix les plus sûrs dans les applications pharmaceutiques à venir

The low solubility of drug candidates cause a major problem in pharmaceutical formulations, as the aqueous solubility is an indispensable criterion for appropriate bioavailability. Macrocyclic compounds possess a relatively hydrophobic cavity, which is suitable for guest molecule inclusion. Cyclodextrins and calixarenes are widely studied organic host-compounds, and CDs have already been used as pharmaceutical excipients for solubility enhancement. The macrocycles’ chemical structure allows their versatile modification, which eventuates changes not only in physicochemical characteristics, but in their effects on living organisms, as well. Thus, the biocompatibility evaluation of the derivatives is fundamental. Owing to the already performed assessment of numerous β-CD derivatives’ biocompatibility, the aim of this research was to extend these experiments to commercially available α-CDs. They have been used less frequently, however several derivatives, which have not been tested yet in vitro, have the possibility of future pharmaceutical use. Their importance is also certified by their benefits in nanoparticle formation. We have been interested in concrete structure-toxicity correlations, thus alkyl ether α-CD derivatives were synthetized bearing increasing length alkyl chains, in different positions. Para-sulphonato-calix[n]-arenes have already been widely examined due to their efficient drug complexation and versatile biological activity, however, their effects on paracellular transport mechanism have not been evaluated until now.The cell viability and hemolysis tests have allowed us to rank the α-CDs and to choose the safest derivatives, also to compare their toxic effects in different systems. The comparison of α- and β-CDs bearing the same chemical modifications highlighted the importance of the number of building units. Important information has been evaluated regarding the connection between the cytotoxic effect and the number of free hydroxyl groups. Derivatives with long alkyl chains possess low solubility, which led us towards further chemical modifications. Sulfonation seemed to have beneficial impact on the biocompatibility. Sulfonation also improved the solubility of calixarenes. C4S and C8S proved their positive effect on paracellular absorption in a non-toxic concentration range, however C6S had no similar effect, thus their behaviour in in vitro absorption model system arose forward-looking questions.Our research concludes, that the structural changes on the macrocyclic rings may have major impact on the biocompatibility. As the modification possibilities are practically unlimited, the evaluation of structure and activity cannot be avoided, facilitating the safest choice for further pharmaceutical use

A gyógyszerhatóanyagok rossz vízoldékonysága nagy kihívást jelent formulálásuk során, ugyanis a vízoldékonyság elengedhetetlen feltétele a megfelelő biohasznosulásnak. A makrociklusos vegyületek belső ürege viszonylag hidrofób, ez alkalmassá teszi őket vendégmolekulákkal való komplexképzésre. A ciklodextrinek és kalixarének széles körben tanulmányozott vegyületek, egyes CD-ek bejegyzett oldékonyságnövelő segédanyagok. A makrociklusok felépítése számos kémiai módosításra ad lehetőséget, amelyek nem csupán a fiziko-kémiai tulajdonságok változását eredményezik, hanem az élő organizmusokra kifejtett hatásokat is módosítják. Ezen származékok biokompatibilitás vizsgálata tehát elengedhetetlen. Számos β-CD származék biokompatibilitása ismert már, így kutatásunk célul tűzte ki ezen vizsgálatok α-CD-ekre történő kiterjesztését. Az α-CD-ek alkalmazása ritkább, azonban vannak származékok, amelyek in vitro vizsgálata még nem történt meg, de jelentőségük a nanopartikulum-képzésben már igazolt. A szerkezet-toxicitás összefüggések feltárása érdekében olyan alkil-éter CD származékokat szintetizáltunk, amelyek növekvő szénatomszámú alkil-csoportokkal rendelkeznek, eltérő pozíciókban. A para-szulfonáto-kalix[n]aréneket hatóanyag-komplexáló tulajdonságuk, valamint sokoldalú biológiai aktivitásuk miatt széles körben tanulmányozták már, azonban a paracelluláris anyagtranszportra gyakorolt hatásuk ezidáig még nem volt ismert. A sejtéletképességi és hemolízis vizsgálatok hozzásegítettek az egyes α-CD-ek rangsorolásához, továbbá a vegyületek különböző rendszerekben mért toxikussága is összevethetővé vált. A megegyező kémiai módosításokon átesett α- és β-CD-ek biokompatibilitása rávilágított a CD-gyűrű mértének jelentőségére. Egyértelmű összefüggést fedeztünk fel a toxicitás és a szabad hidroxil-csoportok száma között. A hosszú alkil-csoporttal rendelkező CD-ek rossz oldékonysága további kémiai módosításokat tett szükségszerűvé; a szulfát csoportok jelenléte jótékony hatással volt az oldhatóságra, és a citotoxicitásra is. A szulfatálás a kalixarének oldékonyságát is növelte. A C4S és C8S vegyületek növelték a paracelluláris felszívódás mértékét szubtoxikus koncentrációban, azonban a C6S nem mutatott hasonló hatást. Ezen eredmények további kérdéseket vetnek fel a pontos hatásmechanizmusról. Eredményeink rávilágítanak a makrociklusok szerkezetének és biokompatibilitásának összefüggéseire, valamint ezen ismeretek fontosságára annak érdekében, hogy minden formulációban a legbiztonságosabb segédanyagok legyenek alkalmazhatóak