Stability study of therapeutics monoclonal antibodies at the liquid-solid interface

Au cours des étapes de production, purification, conservation dans les conditionnements primaires et administration, le maintien de la stabilité des anticorps monoclonaux est un véritable challenge, notamment au niveau des interfaces liquide-solide sur lesquelles la molécule peut s'adsorber.Les industriels vont pouvoir limiter les problèmes d'adsorption et d'agrégation des protéines au cours de l'étape de formulation pharmaceutique en ajoutant des tensioactifs. Trois sont fréquemment utilisés, le Polysorbate 80, Polysorbate 20 et Poloxamer 188. Cependant les mécanismes exacts par lesquels les tensioactifs stabilisent les protéines thérapeutiques aux interfaces ne sont pas encore bien compris. Cette étude se propose de mieux comprendre les mécanismes d'adsorption des protéines et des tensioactifs afin de pouvoir développer une nouvelle méthode de "screening" qui permettra le contrôle rapide de la compatibilité entre une formulation et un matériau.Durant ma thèse, j'ai optimisé un protocole expérimental basé sur la technique de surface plasmon resonance imaging (SPRi) afin de déterminer la constante d'association de différentes molécules sur une surface nue, dans le but d'évaluer la compatibilité médicament/matériau. Nous avons démontré que la constante d'association des mAbs sur une surface modèle hydrophobe est trois fois supérieur à la constante d'assiociation des tensioactifs. Nous avons aussi démontré, en étudiant la cinétique de désorption des 3 tensioactifs fréquemment utilisés en industrie pharmaceutique, que, pour le polysorbate 80 et 20, la dynamique de désorption dépend de la surface occupée par les monomères, ce qui n'est pas le cas pour le Poloxamer 188.Nous avons ensuite étudié par SPRi, ELISA et Quartz Crystal Microbalance (QCM-d), la cinétique d'adsorption et de désorption des mAbs et tensioactifs sur une surface hydrophobe "modèle" (en hexadécane) et sur du polystyrène. Nous avons alors démontré une différence significative de l'effet protecteur des tensioactifs en fonction des matériaux. Nous avons comparé différents plastiques rencontrer fréquemment durant le cycle de vie du médicament et démontré que, au delà de l'hydrophobicité, la nature des matériaux affecte le rôle protecteur des tensioactifs. De la même manière, en comparant différentes classes de tensioactifs, nous avons démontré que le rôle protecteur des tensioactifs dépendait de leur structure.Ces résultats démontrent que les matériaux doivent être pris en compte dans le processus de formulation. L'effet protecteur des tensioactifs n'est pas seulement dû à une compétition cinétique avec le mAb sur une surface hydrophobe, la nature du matériau semble jouer un rôle majeur. Cette thèse montre donc l'importance des matériaux sur la stabilité des médicaments.During the production, purification, storage, transportation and delivery of monoclonal antibodies (mAbs), the stability of the drug is challenged in many ways, particularly by its exposure to diverse interfaces to which it can adsorb. Pharmaceutical industries address protein adsorption and aggregation issues during drug formulation optimization by adding surface-active excipients, such as polysorbate 80, polysorbate 20 and poloxamer. However, the precise mechanism(s) by which surfactants stabilize therapeutic proteins at interfaces is not well understood. There is a need to better understand adsorption of proteins and surfactants at interfaces and provide new screening methods to assess material compatibility of early drug candidates.During my thesis, I have optimized an experimental Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi)-based protocol to determine apparent adsorption rate constants of biomedically relevant molecules on bare surfaces in order to predict a drug/surface compatibility. We showed that mAbs have apparent adsorption rate constants for a model hydrophobic surface that are three orders of magnitude faster than the ones measured for commonly used polysorbates and poloxamer. We also showed, following the desorption kinetics of 3 different surfactants frequently used in pharmaceutical formulations, that, for Polysorbate 80 and 20, the desorption dynamic depends on surface occupancy whereas this is not the case for poloxamer.We used SPRi, ELISA and Quartz Crystal Microbalance (QCM-d), as techniques to measure the absorption and desorption kinetics of mAbs and surfactants on a model hydrophobic surface (hexadecane SAM) and on polystyrene. We demonstrated a significant difference of the protective role of surfactants as a function of the material surface. We compared different materials frequently encountered during the production and storage of mAbs and demonstrated that, beyond hydrophobicity, the nature of the material surface affects the protective role of the surfactant. In a similar way, when comparing different classes of surfactants, we showed that the protective role of surfactants depends on their structure.These results demonstrate that it is necessary to consider the material in formulation optimization. The protective role of surfactants is not by simple kinetic competition with the mAb on a hydrophobic surface and the nature of materials seems to play an important role. This thesis shows the importance of the material surface in drug stability