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Une percée dans la production de masse des liposomes - Par : Ruben Rodrigo Lopez, Vahé Nerguizian, Ion Stiharu,

Une percée dans la production de masse des liposomes


Ruben Rodrigo Lopez
Ruben Rodrigo Lopez Profil de l'auteur(e)
Ruben Rodrigo Lopez est candidat au doctorat au Département de génie électrique de l’ÉTS et membre du laboratoire BioMEMS de l’Université Concordia. Ses recherches portent sur la production de nanoparticules à l’échelle industrielle.
Programme : Génie électrique 

Vahé Nerguizian
Vahé Nerguizian Profil de l'auteur(e)
Vahé Nerguizian est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la bio-ingénierie, la détection des cellules cancérigènes, les systèmes microfluidiques, les MEMS et les télécommunications.
Programme : Génie électrique 

Ion Stiharu
Ion Stiharu est professeur au Département de génie mécanique, industriel et aérospatial de l’Université Concordia. Ses recherches portent sur les microfluides à base de papier et la microfabrication. Il est chef du laboratoire BioMEMS.

Structure bicouche d’un liposome

L’image d’en-tête représente un liposome auto-assemblé. Les têtes hydrophiles sont en bleu et les queues hydrophobes sont de couleur orange. L’image a été achetée sur Istock.com et est protégée par des droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Les liposomes sont des nanoparticules très prometteuses pour les pharmacothérapies de nouvelle génération : grâce à leur biocompatibilité, ils sont tout désignés, entre autres, dans les systèmes avancés d’administration de médicaments. Toutefois, la production industrielle de liposomes s’avère difficile quant à répétabilité, la productivité, la taille et la répartition par taille. La présente étude vise à améliorer le procédé de production au moyen du micromélange; les résultats ont démontré une amélioration potentielle, ouvrant la voie à la production de masse de nanoparticules.

Introduction

Les thérapies nouvelle génération sont à nos portes : les nanoparticules intelligentes capables de localiser des tissus et des organes précis sont désormais une réalité grâce au travail de chimistes, de biologistes, de physiciens, de mathématiciens et d’ingénieurs. Le développement de nanoparticules regroupe différents domaines de la science pour offrir aux patients et aux chercheurs du monde entier des outils visant à comprendre et à combattre les maladies. Ces nanoparticules, appelées liposomes, peuvent être synthétisées en laboratoire; cependant, la production à plus grande échelle et la reproductibilité demeurent difficiles. De nouvelles méthodes de production à l’échelle industrielle sont à l’étude dans le but de rendre les liposomes largement accessibles et abordables. Étonnamment, la solution pour augmenter le rendement de production est de voir petit.

Brève description du liposome

Un liposome est une structure sphérique formée par des lipides. Il a une caractéristique fascinante : un côté est fortement attiré par l’eau, le côté hydrophile ou « qui aime l’eau »; l’autre, le côté hydrophobe ou « qui craint l’eau ». Cette ambivalence amène les phospholipides à former des bicouches (voir  Figure 1), leurs têtes et leurs queues étant orientées dans des directions opposées. Ces bicouches s’assemblent en sphères pour éviter l’exposition à l’eau des queues hydrophobes, laissant un espace vide au centre (figure d’en-tête). Ainsi, l’encapsulation de différentes substances dans leur noyau ou leur bicouche en fait un véhicule d’administration de médicaments sans pareil.

Bicouche lipidique

Figure 1 Bicouche lipidique, têtes et queues pointant dans des directions opposées.

Différentes applications des liposomes

Le pionnier Bangham a synthétisé des liposomes pour la première fois il y a plus de 50 ans [1]. Aujourd’hui, les liposomes servent dans une variété d’applications, les systèmes d’administration de médicaments, l’imagerie médicale, l’introduction de gènes dans les cellules (transfection) et l’analyse [2] étant parmi les plus intéressantes. Les liposomes offrent plusieurs avantages, dont leurs composants biodégradables et leur capacité à encapsuler différentes formulations [3].

La transfection est une application particulièrement intéressante : les liposomes sont utilisés pour introduire du matériel génétique à l’intérieur de cellules afin de modifier leur fonctionnement interne, par exemple, inhiber la production de protéines ciblées. La Figure 2 montre comment les liposomes, transportant du matériel génétique, sont attirés par la membrane cellulaire, par le biais d’interactions électrostatiques.

Liposomes ciblant une cellule

Figure 2 Liposome comme agent de transfection pénétrant dans la membrane cellulaire.

Des modifications chimiques à la surface des liposomes et une gestion de leur taille leur permettent de cibler des organes et des tissus précis, augmentant le temps de circulation des médicaments et améliorant leur durée thérapeutique [4-6]. La Figure 3 montre les types de modifications de surface et les substances qui peuvent être encapsulées.

La taille détermine où les liposomes s’accumuleront dans le corps humain. Les tailles dépassant 200 nm sont rapidement éliminées par la rate et le foie [4]; par conséquent, l’uniformité de la taille joue un rôle primordial. Cette uniformité assure l’accumulation aux sites ciblés.

Fonctionnement d’un liposome

Figure 3 Modèle structural, matériaux encapsulés et modification de surface d’un liposome.

Jusqu’en août 2016, plusieurs formulations de liposomes ont été approuvées par les organismes de réglementation, principalement en raison de leur meilleure biodistribution [7]. Toutefois, les méthodes de production de ces vésicules à l’échelle industrielle accusent toujours un retard, empêchant des thérapies innovantes de parvenir aux patients du monde entier. Entre autres défis, les procédés existants de production des liposomes sont difficiles à reproduire d’un lot à l’autre, difficiles à mettre à l’échelle, ont un faible taux de rendement et des coûts de fabrication élevés [8].

Comment synthétiser les liposomes?

Les liposomes peuvent être synthétisés par différentes méthodes, par exemple, en injectant une solution de lipides et de solvant organique dans un solvant aqueux. Les méthodes classiques utilisent l’approche en cuvée, en d’autres termes, les liposomes sont créés par une série d’étapes. Normalement, cette approche produit des liposomes de grande taille ou de taille variée ne convenant pas aux applications médicales, ce qui nécessite l’ajout d’étapes d’homogénéisation, augmentant de ce fait les coûts de production. Un autre inconvénient à cette approche est la difficulté de mise à l’échelle.

Les micromélangeurs, formés de canaux de la taille du micron, offrent une solution à ces problèmes. Les liposomes peuvent être produits en flux continu, améliorant ainsi la répétabilité. En outre, les canaux des micromélangeurs mesurent de 10 à 500 micromètres, permettant un écoulement laminaire; les conditions de mixage sont alors uniformes et produisent de petits liposomes de taille identique.

Néanmoins, les micromélangeurs ont généralement un faible taux de production, car ils n’utilisent qu’un seul principe de mixage pour la synthèse des liposomes parmi ceux qui existent, comme la diffusion moléculaire, l’advection chaotique ou la dispersion de Taylor. De nouvelles approches, combinant plusieurs stratégies de mixage, comme la diffusion moléculaire et l’advection chaotique, offrent un meilleur rendement [9].

De l’usine à grande échelle au banc d’essai

Une caractéristique intéressante des micromélangeurs est qu’ils sont parallélisables, ce qui signifie qu’on peut en placer plusieurs en connexion parallèle (Figure 4). Ces dispositifs peuvent être utilisés en blocs dans la production de liposomes en flux continu. Ainsi, une usine hypothétique de production de liposomes par injection d’éthanol [10] peut être remplacée par un bloc de 20 dispositifs en parallèle, installés sur un seul banc, réduisant les coûts de manipulation et permettant de mieux gérer les propriétés finales des liposomes.

Canaux microfluidiques en parallèle

Figure 4 La parallélisation des dispositifs permet d’augmenter les taux de production.

Dans l’ensemble, le micromixage offre un procédé de fabrication de liposomes hautement reproductible, une plus grande concentration finale de lipides, une excellente gestion de la taille des liposomes et de la distribution de tailles. Le petit espace requis réduit les coûts de stérilisation, le l’espace et la quantité de matériaux. Les micromélangeurs permettent d’augmenter le taux de production à l’échelle industrielle.

Améliorer le micromixage pour des taux élevés de production

Un bon mixage est étroitement lié à des taux élevés de synthèse des liposomes. Un mixage rapide, uniforme et à haute concentration peut être obtenu en ajustant la géométrie, la topologie et les dimensions des micromélangeurs pour produire des liposomes de haute qualité, prêts pour les applications médicales sans nécessiter d’étapes supplémentaires.

En ayant recours à plus d’un principe de mixage, le temps requis est réduit, ce qui améliore le procédé et donc le taux de production des liposomes. Nous avons créé un modèle numérique capable de prédire l’efficacité du mixage pour différentes géométries, topologies et dimensions.

Ce modèle confirme les conclusions antérieures de la littérature consultée [11, 12]. Par exemple, un rapport hauteur/largeur du micromélangeur élevé entraîne un profil de concentration plus uniforme en raison d’un profil de vitesse plus uniforme. La Figure 5 illustre des modèles numériques de micromélangeurs à focalisation hydrodynamique (MHF) présentant différents rapports hauteur/largeur. La concentration du mélange éthanol-lipide (en rouge) est représentée graphiquement. L’eau (en bleu) pénètre par les entrées latérales qui concentrent le mélange éthanol-lipide s’écoulant dans le canal central, de gauche à droite. Au bout, le liquide est évacué par le côté du canal central. Un canal plus profond améliore le mixage en augmentant la zone où le flux est concentré.

D’autre part, les types de mélangeurs à effet de contraction-expansion (CEA) améliorent le procédé de mixage comme le démontre le modèle numérique des micromélangeurs en Y (Figure 6). Ce concept fait courber le débit, permettant une interaction plus longue à l’interface entre l’éthanol et l’eau, ce qui améliore le mixage pour un dispositif microfluidique plus court. On peut voir qu’au bout de Figure 6 b, le mixage au bout du canal est amélioré. Nous étudions actuellement comment les types de mélangeurs avancés à effet de CEA peuvent améliorer encore plus le mixage en créant des forces de Dean et par advection chaotique.

 

Simulation de mixage dans un appareil microfluidique en T

Figure 5 Mixage d’eau (bleu) et d’éthanol (rouge) dans différents microcanaux de rapport hauteur/largeur différent. Tous les canaux mesurent 50 μm de large. Les hauteurs sont de a) 5 mm, b) 25 μm et c) 250 μm

Simulation de mixage dans un appareil microfluidique en Y

Figure 6 Éthanol (rouge) et eau (bleu). a) Mixeur en Y classique. b) Mixeur en Y de type CEA.

 

Nous avons testé partiellement notre modèle au moyen du micromélangeur à focalisation hydrodynamique (MHF). Des colorants ont servi à teinter l’eau distillée en bleu et l’éthanol, en rouge. Le rapport entre les débits d’eau et d’éthanol (FRR) a été modifié à l’aide de pompes à seringue. Figure 7 illustre un montage standard permettant d’observer le procédé de mixage. Les modèles numériques ont été validés par ce qui a été observé expérimentalement, comme présenté à la Figure 8.

 

Montage microfluidique pour les tests de mixage

Figure 7 Montage microfluidique pour les tests de mixage. Deux pompes à seringue ont servi à ajuster les débits; le dispositif microfluidique a été observé au microscope.

Comparaison entre la simulation et les tests réels

Figure 8 Comparaison entre les résultats expérimentaux et le modèle numérique pour différents débits d’éthanol et d’eau.

La vidéo montre le processus de mélange. Observez le comportement transitoire au début.

La prochaine étape sera d’optimiser les vitesses de production et l’efficacité du mixage en faisant varier la topologie, la géométrie et les dimensions des micromélangeurs, d’abord de façon numérique, puis en corroborant nos prédictions par la synthèse des liposomes. Des étapes encore plus passionnantes nous attendent. La vision d’une nanotechnologie à faible coût et largement accessible est sur le point de devenir réalité, et ce, très bientôt.

Ruben Rodrigo Lopez

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Ruben Rodrigo Lopez est candidat au doctorat au Département de génie électrique de l’ÉTS et membre du laboratoire BioMEMS de l’Université Concordia. Ses recherches portent sur la production de nanoparticules à l’échelle industrielle.

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Vahé Nerguizian

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Vahé Nerguizian est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la bio-ingénierie, la détection des cellules cancérigènes, les systèmes microfluidiques, les MEMS et les télécommunications.

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Ion Stiharu

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Ion Stiharu est professeur au Département de génie mécanique, industriel et aérospatial de l’Université Concordia. Ses recherches portent sur les microfluides à base de papier et la microfabrication. Il est chef du laboratoire BioMEMS.

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