caractérisation des processus de dégradation de nouveaux anticoagulants et d’un cytotoxique en milieu aqueux avec évaluation des impacts pharmaceutiques et environnementaux

characterization of the degradation process of new anticoagulants and cytotoxic drugs in aqueous media and assessment of pharmaceutical and environmental impacts

• Auteur / Autrice : Philippe-Henri Secrétan
• Direction : Bernard Do
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pharmacotechnie et biopharmacie
• Date : Soutenance le 26/11/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Matériaux et santé (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Do, Philippe Maître, Philippe Cardot, Jean-Marc Chovelon, Yves Lévi, Najet Yagoubi, Robert Barouki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cardot, Jean-Marc Chovelon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anticancéreux

Polluants organiques persistants

Anticoagulants

Mots clés libres

Médicaments

Dégradation

Spectrométrie de masse

Ab initio

In silico

Drug

Degradation

Mass spectometry

Ab initio

In silico

Résumé

Au cours de son cycle de vie, le principe actif se retrouve en solution dans différentes situations : dans desformes pharmaceutiques liquides, dans l’organisme et dans les eaux usées. Or, par rapport à l’état solide, lamise en solution du principe actif l’expose davantage à des facteurs susceptibles de conduire à sa dégradation.Les transformations modifient sa structure chimique et donc potentiellement ses activités pharmacologiques ettoxicologiques.L’objectif de ce travail de thèse est de présenter une méthodologie et des études visant à prédire le devenir ensolution de principes actifs et les impacts potentiels consécutifs à leur dégradation.Trois principes actifs ont été sélectionnés pour la réalisation de ce travail. Ils ont en commun de présenter,d’une part, une activité pharmacologique élevée corrélée à une toxicité potentielle de leurs produits dedégradation et, d’autre part, l'absence de données sur leurs comportements en solution. Dans tous les cas,bien que le contexte soit singulier pour chaque molécule, l’approche méthodologique suivie intègre aussi biendes travaux expérimentaux que des études ab initio et in silico.La première étude porte sur le devenir de l’apixaban, principe actif actuellement commercialisé sous formeorale solide, en solution aqueuse. Les données expérimentales ont mis en évidence des groupementschimiques du principe actif pouvant contribuer à son instabilité. L’approche ab initio a permis d’expliquer larégio-spécificité de la réaction d’hydrolyse dépendamment du pH. À partir de la structure des produits dedégradation caractérisés, l’étude de leur potentiel toxique a été réalisée par approche in silico. Ces donnéesconcourent à la démarche d'analyse et évaluation des risques déployée lors de développements de formespharmaceutiques liquides ou des situations particulières impliquant la mise en solution de l'apixaban aumoment de l'administration.De telles approches ont également été employées pour caractériser les mécanismes de photodégradation del’argatroban et évaluer le potentiel toxique des produits de dégradation. Les processus initiant laphotodégradation ont fait l’objet d’études complémentaires reposant sur des calculs d’énergies. Cesconnaissances pourront apporter le rationnel nécessaire au choix de procédés capables de réduire laphotodégradation de l’argatroban et son impact sur les patients. Elles pourront également servir à anticiper lessituations d’écarts pouvant mettre en jeu le rapport bénéfice risque du médicament telles que le mésusage oula modification de la forme pharmaceutique administrée.Enfin, dans un contexte autre que le contexte pharmaceutique, une étude de dégradation du pémétrexed parphotocatalyse via un procédé d'oxydation avancée a été réalisée. Il s'agit d'un procédé particulièrement étudiépour sa capacité à réduire l’empreinte environnementale de composés organiques en accélérant leurdégradation. Le choix de ce principe actif utilisé comme anticancéreux a été justifié par son caractère toxiqueet rémanent dans les eaux de surface, ce qui en fait un produit à haut risque environnemental. Ce travail amontré que des produits de plus faible masse résultant de la transformation photocatalytique du pémétrexedsont malheureusement plus toxiques et encore plus rémanents que la molécule mère elle-même. Ces résultatscontribuent donc à souligner que les procédés d'oxydation avancée, bien qu'efficaces pour l'élimination despolluants médicamenteux, sont à évaluer au regard de l'existence d'un risque accru pour l'environnementavant toute perspective d'utilisation à grande échelle.Les approches et les résultats présentés dans cette thèse pourront être employés pour d’autres études visant àprédire, prévenir et réduire l’impact de la dégradation du principe actif sur le patient et l’environnement.

During its life cycle, an active substance is in solution for various reasons: in a liquid pharmaceutical form, in the body and in wastewater. However, compared to the solid state, the active substance in solution exposes it more to factors likely to cause its degradation. The transformations modify its chemical structure and thus potentially its pharmacological and toxicological activities.The objective of this thesis is to present a methodology and studies aiming to predict the fate in solution of active substances and the potential impacts following their degradation.Three active ingredients have been selected for this work. They have in common, on the one hand, a high pharmacological activity correlated to a potential toxicity of their degradation products and, on the other hand, the fact that there is little information on their behaviour in solution. In all cases, although the context is specific to each molecule, the methodological approach followed integrates both experimental work and ab initio and in silico studies.The first study concerns the fate of apixaban, an active substance currently marketed in solid oral form, in aqueous solutions. The experimental data made it possible to highlight chemical groups of the active ingredient that could contribute to its own instability. The ab initio approach explained the regio-specificity of the hydrolysis reaction as a function of pH. Based on the structure of the characterized degradation products, their toxic potential was studied using an in silico approach. These data contribute to the risk analysis and evaluation process deployed at different stages of development of liquid pharmaceutical forms or in particular situations involving the solution of apixaban at the time of administration.Such approaches have also been used to characterize the photodegradation mechanisms of argatroban and assess the toxic potential of degradation products. The processes that initiate photodegradation were also addressed by calculating the energies potentially involved. This knowledge provides a rational basis for the choice of processes and formulations to limit photodegradation of argatroban and its impact on patients. They also make it possible to anticipate situations where the benefit/risk ratio of the medicinal product may be modified, such as incorrect handling or modification of the pharmaceutical form administered.Finally, in a context other than the pharmaceutical context, a study of degradation of pemetrexed by photocatalysis via an advanced oxidation process was carried out. This process is particularly studied for its ability to reduce the environmental footprint of organic compounds by accelerating their degradation. The choice of this active substance as an anti-cancer agent was justified by its toxic and persistent nature in surface waters, making it a product with a high environmental risk. This work has shown that products of lower mass produced by photocatalytic transformation of pemetrexed are unfortunately more toxic and even more persistent than the parent molecule itself. These results underline the fact that advanced oxidation processes, although effective in removing drug pollutants, must be evaluated because of an increased risk to the environment before any prospect of large-scale use.The approaches and results presented in this thesis can be used for other studies to predict, prevent and reduce the impact of active ingredient degradation on the patient and the environment.