Therapeutic protein aggregation at the triple interface air-liquid-solid : relevance to medical devices for drug delivery

En raison de leur haute spécificité d’interaction, les protéines thérapeutiques sont de plus en plus utilisées et représentent une part majoritaire du marché pharmaceutique. Néanmoins, ces molécules sont fragiles et leur stabilité est une problématique majeure pour l'industrie pharmaceutique. La dégradation des protéines thérapeutiques peut survenir à chaque étape de leur cycle de vie : production, stockage, transport et administration au patient. Les modifications chimiques, l'exposition à des forces de cisaillement (fort débit fluidique), la température, le pH et les interactions avec les matériaux et/ou les interfaces gazeuses sont autant de facteurs qui peuvent nuire à la stabilité de ces protéines. De plus, l'utilisation croissante de dispositifs médicaux automatisés pour la manipulation et l'injection de protéines thérapeutiques augmente drastiquement le risque de dégradation. Dans cette thèse, nous étudions l’effet et le rôle de la triple interface solide/liquide/air sur l'agrégation des protéines. Ce phénomène se produit fréquemment dans les procédés de manipulation d’une solution de protéines thérapeutiques (cavitation, agitation…). Lors d’un mouillage intermittent, les interfaces air/liquide et liquide/solide se confondent en une seule et même interface appelée triple interface ou ligne triple. La ligne triple est une zone favorisant fortement l'agrégation des protéines. Notre étude, basée sur l’insuline, montre que la ligne triple cause une accumulation progressive de protéines qui déclenche, après une période de nucléation, leur agrégation, précisément à l’endroit de cette ligne triple. Nos résultats démontrent aussi que les forces de cisaillement, seules, n’entrainent pas l’agrégation de l’insuline. De plus, nous observons que la diminution de la tension superficielle (induite par l’ajout de polysorbates) d'une solution de protéines réduit le risque de formation d’agrégats. En conclusion de ce travail, nous proposons des recommandations pour la conception des dispositifs médicaux de préparation et d’administration de protéines thérapeutiques.Due to the high specificity of their interactions, proteins are increasingly used in therapy and represent a vast majority of the global pharmaceutical market. Nevertheless, these molecules are fragile and therapeutic protein stability is a major concern in pharmaceutical industry. Protein degradation and aggregation can occur at every step during production, storage, transport and delivery. In this thesis, we interrogate the possible role of intermittent wetting in protein aggregation. Intermittent wetting frequently occurs in protocols involving pumping (cavitation), agitation, and liquid handling. During intermittent wetting, the air/liquid and liquid/solid interfaces meet at a triple line or triple interface, which is a local trigger for protein aggregation because it concentrates the mechanical action of the recessing fluid on the surface adsorbed proteins. We study the effect of surface intermittent wetting on insulin aggregation. Our results demonstrate that the triple interface line, where an air/water interface meets a hydrophobic surface, allows progressive protein accumulation, and finally triggers local insulin aggregation. We also show that shear stress, alone, is not detrimental for protein stability. Additionally, Additives such as polysorbates were tested, showing that the modification of the surface tension of a protein solution impacts its ability to form aggregates. Based on this work, we propose recommendations for the design of drug delivery and preparation devices in order to limit the risk of protein aggregation at the triple interface