UNIVERSITÉ PARIS XI FACULTÉ DE PHARMACIE DE CHÂTENAY-MALABRY ECOLE DOCTORALE : INNOVATION THÉRAPEUTIQUE : DU FONDAMENTAL A L’APPLIQUÉ PÔLE : PHARMACOTECHNIE ET PHYSICO-CHIMIE ANNÉE 2004-2005 SÉRIE DOCTORAT N° 439013 THÈSE Présentée À L’UNITÉ DE FORMATION ET DE RECHERCHE FACULTE DE PHARMACIE DE CHATENAY-MALABRY UNIVERSITÉ PARIS XI pour l’obtention du grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PARIS XI par M. Guillaume PHAN Titre de la thèse : Approches pharmacocinétique et pharmacotechnique de la décorporation d’actinides par un agent complexant in vivo. Application à la mise au point de nouveaux traitements soutenue le : 24 mai 2005 JURY : M. le Professeur E. FATTAL (Directeur de thèse) M. le Professeur J.-M. DEVOISSELLE (Rapporteur) M. le Docteur G. N. STRADLING (Rapporteur) Mme le Docteur A. FLURY-HERARD M. le Docteur E. ANSOBORLO M. le Docteur J.-R. DEVERRE 1 A ma mère, à mon père, A mes deux frères, Qu’ils trouvent ici le témoignage de ma plus grande et éternelle reconnaissance envers leur soutien et leurs encouragements. « J’ai toujours aimé le désert. On s’assoit sur une dune de sable. On ne voit rien. On n’entend rien. Et cependant quelque chose rayonne en silence… » Antoine de Saint-Exupéry (1900-1944), Le Petit Prince. 2 J’exprime toute ma gratitude, à Monsieur Elias Fattal et à Monsieur Jean-Robert Deverre, pour m’avoir confié ce travail, pour m’avoir accordé leur confiance, pour leurs conseils, pour leur soutien et leur grande patience au cours de ces trois années de thèse. à Madame Béatrice Ramounet-Le Gall pour avoir cru aux formes galéniques nouvelles, pour son enthousiasme communicatif, pour sa gentillesse et pour m’avoir tant appris sur la décorporation des radioéléments. à Monsieur Henri Benech pour son soutien, pour sa bonne humeur en toute circonstance, et pour nos grandes discussions et réflexions «chromatographiques» et « pharmacocinétiques ». à Monsieur Jacques Grassi pour m’avoir accueilli au sein du Service de Pharmacologie et d’Immunologie pendant ces trois années. à Monsieur Eric Ezan pour m’avoir accueilli dans son Laboratoire d’Etude du Métabolisme des Médicaments. à Monsieur Jacques Delforge pour m’avoir réservé le meilleur accueil à chacune de mes visites au Laboratoire de Radiotoxicologie. à Madame Marie-Thérèse Ménager, à Monsieur Eric Ansoborlo et à Monsieur Jean- Jacques Legay de la Direction du programme de recherche inter-organisme « Toxicologie Nucléaire et Environnementale » ainsi qu’au Comité scientifique du programme pour avoir soutenu notre projet. à Madame Anne Flüry-Hérard, à Monsieur Eric Ansoborlo, à Monsieur Jean-Marie Devoisselle ainsi qu’à Monsieur Neil Stradling pour m’avoir fait l’immense honneur d’être membres du Jury et pour l’intérêt qu’ils ont bien voulu porter à ce travail. Je remercie le Commissariat à l’Energie Atomique pour le contrat de thèse dont j’ai bénéficié pendant ces trois années. 3 J’exprime ma profonde reconnaissance, à Madame Barbara Gouget et à Madame Sophie Lemaout pour m’avoir accueilli dans leur laboratoire et pour m’avoir initié à la culture cellulaire et aux études de toxicité in vitro. à Madame Florence Ménétrier pour m’avoir convié aux nombreuses tables rondes et réunions sur le sujet de la décorporation en clinique et pour m’avoir fait rencontrer des acteurs Européens dans le domaine. à Monsieur Dimitri Roumenov pour sa disponibilité et pour nous avoir aidé à traduire les articles en langue russe. à Monsieur Philippe Bérard pour m’avoir initié à la modélisation biocinétique et dosimétrique des radionucléides. J’adresse mes remerciements les plus sincères, à Monsieur Gérard Grillon, à Monsieur Etienne Rouit, à Mademoiselle Delphine Pavé et à Madame Marie-Claire Abram pour leur gentillesse et leur formidable efficacité lors de la mise en place des études de décorporation. à Madame Sandrine Matton-Rateau, à Madame Anne Van der Meeren, à Monsieur Paul Fritsch, à Monsieur Daniel Renault, à Monsieur Patrick Pochard ainsi qu’à Monsieur Jean-Claude Wilk pour leur disponibilité, leurs compétences et l’aide précieuse qu’ils ont apportée au cours des études de décorporation. à Monsieur Christophe Créminon, chef du Laboratoire d’Etude en Radio- Immunologie, pour son accueil et pour avoir mis à ma disposition les appareils de son laboratoire. Je remercie chaleureusement tous les statutaires et les stagiaires du Service de Pharmacologie et d’Immunologie ainsi que ceux du Laboratoire de Radiotoxicologie pour leur accueil et la sympathie qu’ils m’ont témoignée. 4 Mes remerciements s’adressent aussi à Monsieur Patrick Couvreur, Directeur de l’UMR- CNRS 8612, aux statutaires ainsi qu’à mes collègues thésards du laboratoire de Pharmacie Galénique, « ma maison d’origine », pour leur grand soutien et leur accueil toujours aussi chaleureux depuis mon stage de DEA il y a quatre ans. Je remercie enfin tous mes compagnons de paillasse du LEMM et plus particulièrement les « habitants » du Labo C pour leur amitié et leur soutien sans limites. J’adresse donc un grand MERCI à Sophie Cholet « ma Reine », pour ses compétences, pour ses précieux conseils, pour sa grande disponibilité tout au long de ces trois années de thèse et surtout, pour son infinie bonté, à Hélène Pélerin « ma Caille » dite aussi « la Bretonne », pour notre complicité, pour les bons moments passés ensemble ainsi que pour ses encouragements, à Amaury Herbet dit « Tounet », pour son professionnalisme, pour son « naturel » et pour sa grande amitié, à Florence Vizet, notre « Louloute », pour sa bonne humeur terriblement contagieuse à Frédéric Théodoro, le roi de la CLHP-SM/SM, pour l’admirable cinéphile qu’il est. Je remercie également Monsieur Marcel Delaforge, notre spécialiste des CYP 450, pour sa bienveillance et pour m’avoir permis de partager son bureau pendant trois ans, Monsieur Aloïse Mobondzo, notre neuropharmacologiste, pour m’avoir si aimablement proposé son covoiturage le soir et pour nos discussions scientifiques, Monsieur Christophe Junot, Monsieur Stéphane Nano et Monsieur Christophe Tiberghien pour m’avoir inculqué leurs astuces en informatique ainsi que Mikaël Levi, l’autre roi de la chromatographie, pour ses conseils avisés. Merci à nos stagiaires Marion et Alexis pour avoir contribué à maintenir une ambiance de travail aussi efficace que conviviale. J’envoie enfin un message d’encouragement à mes amis et successeurs, Hélène, Monjed, Christel, Séverine, Alexandra, Céline, Sébastien, Lucie, Cécile et Delphine en leur souhaitant le plus grand succès pour la fin de leur thèse. 5 TABLE DES MATIERES 6 INTRODUCTION GENERALE..........................................................................................12 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE............................................................................................16 1. Introduction....................................................................................................................17 2. Contamination par les actinides transuraniens...........................................................20 2.1. Propriétés physico-chimiques et utilisation des actinides transuraniens...................20 2.1.1. Le plutonium......................................................................................................23 2.1.2. Les actinides mineurs.........................................................................................25 2.1.2. a. Le neptunium..............................................................................................25 2.1.2. b. L’américium...............................................................................................26 2.2. Situations et sources potentielles d’exposition..........................................................26 2.3. Les différents modes de contamination.....................................................................27 2.3.1. Inhalation............................................................................................................27 2.3.2. Ingestion.............................................................................................................29 2.3.3. Blessures.............................................................................................................29 2.3.4. Pénétrations cutanée et oculaire.........................................................................30 2.3.5. Cas du plutonium...............................................................................................30 2.3.6. Cas du neptunium et de l’américium..................................................................31 2.4. Biocinétique et toxicologie des éléments transuraniens............................................31 2.4.1. Intérêt des études de biocinétique des actinides.................................................31 2.4.2. Les modèles biocinétiques.................................................................................32 2.4.3. Biocinétique systémique des éléments transuraniens.........................................34 2.4.4. Toxicologie des transuraniens............................................................................39 3. Traitements des contaminations...................................................................................44 3.1. Définition de la surexposition...................................................................................44 3.2. Niveaux d’intervention..............................................................................................46 3.2.1. Incorporation de formes facilement transférables..............................................46 3.2.2. Inhalation de formes faiblement transférables...................................................46 3.2.3. Blessure contaminée...........................................................................................47 3.3. Méthodes d’évaluation de l’incorporation................................................................47 3.3.1. Mesure de la radioactivité corporelle.................................................................48 3.3.2. Evaluation des contaminations par blessure.......................................................49 3.3.3. Analyse des urines..............................................................................................50 3.3.4. Analyse des faeces .............................................................................................51 3.3.5. Mesures de prélèvement d’air............................................................................51 3.3.6. Analyse des prélèvements nasaux......................................................................52 3.3.7. Etudes in vitro et in vivo....................................................................................52 3.3.8. Analyse d’aberration chromosomique................................................................52 3.4. Méthodes de traitement.............................................................................................53 3.4.1. Réduction de la translocation des radionucléides à partir de leur site d’entrée.53 3.4.2. Décontamination externe....................................................................................54 3.4.3. Augmentation de l’excrétion des radionucléides ou décontamination interne..55 7 4. Décorporation.................................................................................................................57 4.1. Principes généraux et objectifs du traitement ...........................................................57 4.2. Utilisation de l’acide diéthylène-triamine-penta-acétique (DTPA)..........................58 4.2.1. Propriétés physico-chimiques............................................................................58 4.2.2. Mécanisme de chélation des métaux en milieu aqueux.....................................59 4.2.3. Données pharmacocinétiques.............................................................................61 4.2.4. Données pharmacologiques................................................................................63 4.2.4. a. Indications thérapeutiques..........................................................................63 4.2.4. b. Formes galéniques disponibles...................................................................63 4.2.4. c. Méthodes d’administration et dosage usuel...............................................64 4.2.4. f. Toxicité et contre-indication.......................................................................67 4.2.4. g. Surveillance clinique..................................................................................68 4.3. Efficacité clinique de la décorporation......................................................................68 4.4. Limites et perspectives..............................................................................................71 4.4.1. Limites du traitement par le DTPA....................................................................71 4.4.2. Nouvelles perspectives de traitement.................................................................72 4.3.2. a. Autres acides polyaminopolycarboxyliques (PACA)................................73 4.3.2. b. Agents chélateurs analogues des sidérophores...........................................75 5. Vectorisation liposomale................................................................................................81 5.1. Liposomes de DTPA : données acquises..................................................................82 5.1.1. Données galéniques............................................................................................82 5.1.2. Effets indésirables et toxicité.............................................................................84 5.1.3. Pharmacocinétique.............................................................................................84 5.1.4. Efficacité de décorporation du Pu......................................................................85 5.1.5. Synthèse et discussion des données ...................................................................90 5.2. Actualisation des données sur la vectorisation liposomale.......................................92 5.2.1. Vecteurs de type liposomes conventionnels : ciblage passif du foie.................92 5.2.2. Vecteur de type liposomes « furtifs » : évitement du MPS et ciblage du squelette ......................................................................................................................................94 5.3. Autres utilisations potentielles des liposomes en décorporation...............................97 6. Conclusion et but du travail..........................................................................................99 TRAVAIL EXPERIMENTAL............................................................................................100 CHAPITRE 1: Etude de la pharmacocinétique de deux nouvelles formulations de liposomes de DTPA et évaluation de leur capacité à décorporer le plutonium chez le rat ......................................................................................................................................102 Résumé de la Publication n°1..........................................................................................103 PUBLICATION N°1. «Targeting of diethylene triamine pentaacetic acid encapsulated in liposomes to rat liver: an effective strategy to prevent bone deposition and increase urine elimination of plutonium in rats».........................................................................104 1. Abstract......................................................................................................................104 2. Introduction................................................................................................................105 3. Material and methods.................................................................................................106 4. Results........................................................................................................................111 8 5. Discussion and conclusion.........................................................................................119 6. References..................................................................................................................120 CHAPITRE 2: Optimisations galénique et pharmacocinétique des liposomes de DTPA en vue d’améliorer la décorporation du Pu : réduction du diamètre et allongement du temps de circulation plasmatique des liposomes...........................................................124 Résumé de la Publication n°2..........................................................................................125 PUBLICATION N°2. «Small and long circulating liposomes improve the pharmacokinetic properties of DTPA required for plutonium decorporation»........126 1. Abstract......................................................................................................................126 2. Introduction................................................................................................................126 3. Material and methods.................................................................................................128 4. Results and discussion................................................................................................132 5. Conclusion..................................................................................................................142 6. References..................................................................................................................142 CHAPITRE 3: Evaluation des nouveaux liposomes sélectionnés pour leurs propriétés pharmacocinétiques dans différents protocoles de décorporation du Pu chez le rat (traitement en doses uniques ou réitérées).....................................................................146 Résumé de la Publication n°3..........................................................................................147 PUBLICATION N°3. «Enhanced decorporation of plutonium by DTPA encapsulated in small PEG-coated liposome»...........................................................................................148 1. Abstract......................................................................................................................148 2. Introduction................................................................................................................149 3. Material and methods.................................................................................................150 4. Results........................................................................................................................153 5. Discussion..................................................................................................................162 6. References..................................................................................................................165 CHAPITRE 4: Synthèse et analyse « pharmacocinétique » des résultats de décorporation du Pu par les liposomes sélectionnés : corrélation pharmacocinétique/pharmacodynamie et exploitation des vitesses d’excrétion urinaire..............................................................................................................................170 Résumé de la Publication n°4..........................................................................................171 PUBLICATION N°4. «Predicting plutonium decorporation efficacy after intravenous DTPA formulation: study of pharmacokinetic-pharmacodynamic relationships in rats»...................................................................................................................................172 1. Abstract......................................................................................................................172 2. Introduction................................................................................................................173 3. Material and methods.................................................................................................174 4. Results and discussion................................................................................................178 5. Conclusion..................................................................................................................185 6. References..................................................................................................................186 9 DISCUSSION GENERALE................................................................................................189 CONCLUSION GENERALE.............................................................................................206 PERSPECTIVES..................................................................................................................209 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES HORS PUBLICATIONS...............................212 LISTE DES ABREVIATIONS...........................................................................................229 RESUME...............................................................................................................................231 10