Development of lipid-based nanoparticles for chemo-attraction and targeting of Helicobacter pylori
Développement de nanoparticules lipidiques pour la chimio-attraction et le ciblage d'Helicobacter pylori
Résumé
Helicobacter pylori (H. pylori) is a bacterium that lives inside the human stomach. It infects more than 50% of the world's population. The infection of H. pylori may lead to peptic, gastritis, duodenal ulcers and eventually gastric cancer. While living in the stomach, H. pylori cannot live in acids. It runs away from the acid gradient and follows the urea gradient to find gastric epithelium. It then makes niches in the gastric glands, below the mucus layer, where the pH is neutral. The treatment of H. pylori is difficult due to the low activity of antibiotics in gastric acid.In this doctoral thesis, to facilitate the activity of antibiotics and improve the H. pylori treatment efficiency, we fabricated lipid nanoparticles which co-encapsulate erythromycin, a hydrophobic antibiotic, and urea, a hydrophilic chemoattractant for H. pylori. We apply the lipid nanoparticles to target survival factors of H. pylori in the stomach. The use of nanoparticles facilitates the penetration of the formulation into the mucus layer, where the bacteria locate. The urea creates a urea gradient to attract H. pylori towards the nanoparticles and facilitate the meeting between the nanoparticles and the bacteria. Erythromycin is released around the buffered environment around the bacteria. The formulation contains a chitosan coating, which adheres to the gastric mucus layer, promoting the retention of the formulation in the stomach. In addition, the chitosan also adheres to the bacteria, serving as an active targeting strategy.To encapsulate both erythromycin and urea, which have opposite solubilities, we solubilize erythromycin in the lipid matrix and stabilize the urea solution in the lipid by using a lipophilic surfactant. The lipid nanoparticles containing both molecules are stabilized in water using a hydrophilic surfactant. After the material screening process, we found the mixture of cocoa butter, acting as the lipid compartment, and sorbitan monostearate, acting as the lipophilic surfactant, is suitable for our purpose. Interestingly, sorbitan monostearate has an α-gel structure, which is a solid lamellar structure. We found that urea solution can be stabilized inside the lamellar structure. Sorbitan monostearate is monomorphic, giving the hydrated lamellar high stability over a long period of time.The lipid nanoparticles are stabilized in water by sodium dodecyl sulfate (SDS), which is a negatively charged hydrophilic surfactant. SDS can integrate well in the lipid and does not change the lyotropic lipid crystalline structure of lipid nanoparticles. SDS interacts electrostatically with chitosan, which has positive charges in acid. The electrostatic interaction ensures the coating stability in acid media.The lipid nanoparticles are fabricated by the hot high-pressure homogenization method. The fabrication is simple and scalable. After removing the non-encapsulated drug by ultra-centrifugation, chitosan is added and mixed with the lipid nanoparticles for coating. The suspension is then lyophilized to obtain a powder for the oral administration route.The final formulation has antibacterial activity in vitro from encapsulated erythromycin. The release of erythromycin and urea from the lyophilized powder is sustainable for 3-4 hours, indicating a potential for our application.
Helicobacter pylori (H. pylori) est une bactérie vivant dans l'estomac humain. Elle infecte plus de 50 % de la population mondiale. L'infection par H. pylori peut entraîner des ulcères gastriques ou duodénaux, des gastrites, et éventuellement des cancers gastriques. Dans l'estomac, H. pylori fuit le gradient d'acide et suit le gradient d'urée pour rejoindre l'épithélium gastrique. Il se crée alors des niches dans les glandes gastriques, sous la couche de mucus, où le pH est neutre. Le traitement de H. pylori est difficile en raison de la faible activité des antibiotiques dans l'acide gastrique.Dans cette thèse de doctorat, pour faciliter l'activité des antibiotiques et améliorer l'efficacité du traitement de H. pylori, nous avons fabriqué des nanoparticules lipidiques qui co-encapsulent l'érythromycine, un antibiotique hydrophobe, et l'urée, un chimioattractant hydrophile pour H. pylori. Nous appliquons les nanoparticules lipidiques pour cibler les facteurs de survie de H. pylori dans l'estomac. L'utilisation de nanoparticules facilite la pénétration de la formulation dans la couche de mucus, où se trouvent les bactéries. L'urée crée un gradient d'urée pour attirer H. pylori vers les nanoparticules et faciliter la rencontre entre les nanoparticules et les bactéries. L'érythromycine est libérée dans l'environnement tamponné autour de la bactérie. La formulation contient un revêtement de chitosan, qui adhère à la couche de mucus gastrique, favorisant la rétention de la formulation dans l'estomac. En outre, le chitosan adhère également à la bactérie, servant ainsi de stratégie de ciblage actif.Pour encapsuler l'érythromycine et l'urée, qui ont des solubilités opposées, nous solubilisons l'érythromycine dans la matrice lipidique et stabilisons la solution d'urée dans le lipide en utilisant un tensioactif lipophile. Les nanoparticules lipidiques contenant les deux molécules sont stabilisées dans l'eau à l'aide d'un tensioactif hydrophile. Pendant le processus de sélection des matériaux, nous avons trouvé que le mélange de beurre de cacao, agissant comme le compartiment lipidique, et de monostéarate de sorbitane, agissant comme tensioactif lipophile, est adapté à notre objectif. Il est intéressant de noter que le monostéarate de sorbitane a une structure α-gel, qui est une structure lamellaire solide. Nous avons constaté que la solution d'urée peut être stabilisée à l'intérieur de la structure lamellaire. Le monostéarate de sorbitane est monomorphe, ce qui confère à la structure lamellaire hydratée une grande stabilité sur une longue période.Les nanoparticules lipidiques sont stabilisées dans l'eau par le dodécylsulfate de sodium (SDS), qui est un agent de surface hydrophile chargé négativement. Le SDS s'intègre bien dans le lipide et ne modifie pas la structure cristalline lipidique lyotrope des nanoparticules lipidiques. Le SDS interagit de manière électrostatique avec le chitosan, qui a des charges positives en milieu acide. L'interaction électrostatique assure la stabilité du revêtement dans des conditions de pH bas.Les nanoparticules lipidiques sont fabriquées par la méthode d'homogénéisation à chaud et à haute pression. La fabrication est simple et évolutive. Après avoir éliminé le médicament non encapsulé par ultra-centrifugation, le chitosan est ajouté et mélangé aux nanoparticules lipidiques pour les enrober. La suspension est ensuite lyophilisée pour obtenir une poudre destinée à la voie d'administration orale.La formulation finale présente une activité antibactérienne in vitro de l'érythromycine encapsulée. La libération de l'érythromycine et de l'urée à partir de la poudre lyophilisée est durable pendant 3-4 heures, indiquant un potentiel intéressant pour notre application.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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