Carbon nanotubes for electro-stimulated transdermal delivery of therapeutic molecules
Nanotubes de carbone pour la délivrance transdermique électrostimulée de molécules thérapeutique
Résumé
The delivery of hydrophilic molecules and macromolecules through the skin thanks to electroporation is a promising alternative approach to intradermal injection. Recently, we developed a nanocomposite material composed of double-walled carbon nanotubes (CNT) and an agarose hydrogel that can be used as both an electrode and a reservoir to apply this technique. In this material, CNT are entrapped in the agarose matrix in order to exploit their mechanical and electrical properties, while avoiding the toxicity concerns possibly raised by their use. In the work presented here, we deepened the characterization of such a two-in-one device and evaluated its potential for non- invasive transdermal drug delivery using skin electroporation. The first part of this work details the improvement of the nanocomposite elaboration and the characterization of its properties. At first, we evaluated the impact of the addition of a CNT dispersant (Carboxymethyl cellulose, CMC) on the nanocomposites' preparation and properties. Furthermore, others nanocomposite processing methods were explored, aiming to improve the uniformity of the samples. Subsequently, we used a 4kDa fluorescent dextran (FD4) as a model molecule to assess and compare the capacity of those different nanocomposites to store and release a drug. We measured the mechanical properties of the materials using rheometry. Finally, we compared their electrical conduction properties. Those analyses confirmed that the addition of CMC led to a better dispersion of CNT within the nanocomposites. However, the CNT concentration mostly used in this work revealed itself not enough to cause significant variations of the properties of the material. The second part of this work focuses on the use of those nanocomposites as delivery platforms in hairless mice skin model ex vivo. The electrodes layout and configuration used here are different from the literature relative to electroporation. As such, the first step was to answer fundamental questions. We first demonstrated the efficiency of the device to permeabilize cells located in the epidermis of murine skin and identified the reversible nature of the induced permeability. In a second step, we investigated how the physicochemical properties (mass and charge) of the molecules influence their delivery. We also studied the respective role of phenomena driving the delivery such as electrophoresis and passive diffusion. Our observations allowed us to uncover for the first time to our knowledge, an asymmetry between the cathode and the anode in the permeabilization pathways generated inside the stratum corneum during skin electroporation. Finally, we assayed CNT toxicity on different skin cell lines and did not observe any harmful effects of the latter in our experimental conditions. The work conducted during this thesis allowed us to demonstrate the relevance of a two-in-one device for non- invasive transdermal delivery of hydrophilic molecules using skin electroporation. We were able to determine the available levers for the optimization of the properties of the electrodes/reservoir nanocomposites. Finally, we deepened our understanding of the mechanisms involved during transdermal drug delivery assisted by electroporation, paving the way for further works.
La délivrance de molécules hydrophiles et de macromolécules à travers la peau grâce à l'électroporation est une approche alternative prometteuse à l'injection intradermique. Récemment, nous avons développé un matériau nanocomposite composé de nanotubes de carbone biparois (NTC) et d'un hydrogel d'agarose, pouvant servir à la fois d'électrode et de réservoir adapté à cet objectif. Dans ce matériau, les NTC sont piégés au sein de la matrice d'agarose afin de pouvoir exploiter leurs propriétés mécaniques et électriques, tout en s'affranchissant des questions de toxicité potentielle que leur utilisation soulève. Dans les travaux présentés ici, nous avons approfondi la caractérisation de ce dispositif deux-en-un et évalué son potentiel pour permettre la délivrance transdermique non- invasive de principes actifs par électroporation de la peau. La première partie de ces travaux détaille l'amélioration de l'élaboration du matériau nanocomposite et la caractérisation de ses propriétés. Dans un premier temps, nous avons étudié l'impact de l'ajout d'un dispersant des NTC (Carboxyméthylcellulose ou CMC) sur la préparation du nanocomposite et sur ses différentes propriétés. D'autres procédés visant à améliorer et uniformiser la mise en forme des échantillons obtenus ont aussi été explorés. Nous avons ensuite évalué et comparé la capacité de ces différents nanocomposites à stocker puis restituer un principe actif en utilisant un dextran fluorescent de 4kDa comme molécule modèle (FD4). Enfin nous avons mesuré leurs propriétés mécaniques par rhéométrie ainsi que leurs propriétés de conduction électrique. L'ensemble de ces analyses a confirmé que la présence de CMC permettait une meilleure dispersion des NTC dans les nanocomposites. Cependant, la concentration massique de NTC majoritairement utilisée lors de ces travaux s'est révélée insuffisante pour engendrer des variations significatives des propriétés du matériau. La deuxième partie de ces travaux concerne l'utilisation de ces nanocomposites comme plateforme de délivrance sur des peaux de souris " hairless " ex-vivo. Premièrement, la disposition et la configuration des électrodes utilisées étant différentes de celles de la littérature relative à l'électroporation, nous avons répondu à des questions fondamentales. Nous avons démontré l'efficacité du dispositif à perméabiliser les cellules de l'épiderme de la peau, et identifié le caractère réversible de cette perméabilité induite. Dans une seconde étape, nous avons étudié l'effet des propriétés physico-chimiques (masse et charge) des molécules, ainsi que le rôle respectif des forces motrices de délivrance que sont l'électrophorèse et la diffusion passive. Ces observations nous ont permis de mettre en évidence, pour la première fois à notre connaissance, une asymétrie entre la cathode et l'anode dans la génération des chemins de perméabilisation dans le stratum corneum lors de l'électroporation. Finalement, nous avons évalué la toxicité des NTC sur plusieurs lignées cellulaires de la peau et n'avons observé aucun effet néfaste de ces derniers, dans nos conditions expérimentales. Les travaux effectués au cours de cette thèse nous ont permis de montrer la pertinence d'un dispositif deux-en-un pour la délivrance transdermique non-invasive de molécules hydrophiles par électroporation. Nous avons pu déterminer les leviers disponibles pour l'optimisation des propriétés d'électrodes et de réservoir du nanocomposite. Enfin notre compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la délivrance transdermique par électroporation a pu être approfondi, posant ainsi des bases solides pour de futurs travaux.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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