Actuellement, l’injection sous-cutanée d’insuline est le seul moyen pour les diabétiques de type 1 d’équilibrer leur glycémie. Les travaux de thèse entrent dans le cadre du projet ORAIL qui vise à développer un système de délivrance orale d’insuline basé sur la double encapsulation, et à valider l’efficacité et la sécurité de ce système in vitro dans des modèles d’épithélium intestinal, et in vivo chez le rat. Le vecteur pharmaceutique développé est composé d’une gélule contenant des nanoparticules (NPs) d’insuline formulées à partir d’acide (lactique-co-glycolique) par la méthode de double émulsion eau/huile/eau. Un premier objectif de la thèse a été d’évaluer chez le rat la gastrorésistance et l’entérosolubilité de la gélule sélectionnée pour l’encapsulation des NPs, par tomodensitométrie aux rayons X et par l’étude de la biodisponibilité de l’ibuprofène et de l’acétaminophène. Les résultats de ces travaux ont montré que la gélule est résistante en conditions gastriques et se dégrade au niveau de l’intestin. Un deuxième objectif a été de synthétiser des NPs d’insuline de taille croissante (100 à 800 nm), et d’évaluer l’internalisation de ces NPs et leur sécurité dans des cultures de cellules Caco-2, et dans des co-cultures de cellules Caco-2 et HT29-MTX. Les résultats de ces travaux ont montré que les NPs sont internalisées de manière dose et temps-dépendante, et que la taille de NPs permettant une internalisation optimale est de 400 nm après 4h d’incubation. Des études mécanistiques ont suggéré l’implication de mécanismes cavéoline-dépendants dans l’internalisation des NPs. Aucune toxicité des NPs n’a été observée quels que soient les paramètres étudiés (viabilité et mort cellulaire, augmentation de perméabilité, production de mucus, sécrétion de cytokines pro-inflammatoires). Dans une dernière partie de notre travail, nous avons montré que l’administration intraduodénale de NPs d’insuline de 200 et 400 nm à des rats diabétiques permettait une diminution significative de leur glycémie sans altération morphologique de leur paroi intestinale, données confortant nos résultats in vitro. Notre vecteur basé sur la double encapsulation semble donc être un système prometteur pour l’administration orale d’insuline. Le vecteur complet doit cependant être évalué in vivo chez le rat. / Up to date, the subcutaneous injection of insulin is the sole way available on market for blood glucose control in type 1 diabetic patients. This doctoral thesis is part of in ORAIL project, which aim is to develop a system for oral insulin delivery using double encapsulation, and validate its efficiency and safety in vitro, using an intestinal epithelium model, and in vivo in rats. The pharmaceutical carrier developed here in, comprises a capsule containing nanoparticles (NPs) of insulin formulated from poly (lactide-co-glycolide)- acid using the double emulsion water/oil/water method. The first goal of this thesis was to evaluate the gastric resistance and enteric solubility of the selected capsule in rats, using X-ray tomodensitometry and by assessing the bioavailability of ibuprofen and acetaminophen. These results have shown that this capsule is resistant to gastric conditions and degrades in the intestine. The second objective of this thesis was to synthesize insulin NPs of increasing size (100 to 800 nm), and to evaluate their internalization and security in cultured Caco-2 cells, and in co-cultures of Caco-2 cells together with HT29-MTX cells. The results of these studies have shown that NPs are internalized in a dose and time-dependent manner and that the optimal size of NPs for internalization was 400 nm after 4 h of incubation. Mechanistic studies have suggested the involvement of caveolin-dependent mechanisms in NPs internalization. No toxicity of NPs was observed regardless of the studied parameters (viability and cell death, increased permeability, mucus production, secretion of pro-inflammatory cytokines). In the last part of this thesis, we have shown that intraduodenal administration of insulin NPs of 200 nm and 400 nm, respectively, in diabetic rats, allowed a significant reduction in blood glucose level without any alteration of the intestine’s structure, therefore confirming the obtained results in vitro. In conclusion, our vector based on double encapsulation seems to be a promising system for oral administration of insulin. Furthermore, the whole vector must be evaluated in vivo in rats.

Les douleurs neuropathiques sont secondaires à une maladie ou à une lésion affectant le système nerveux somatosensoriel et sont mal soulagées par les antalgiques usuels. Dans notre travail préclinique, nous avons étudié l’effet de différentes molécules, dont des antidépresseurs et antiépileptiques recommandés dans le traitement des douleurs neuropathiques. Dans un modèle murin de neuropathie traumatique, nous avons étudié l’influence de la période de traitement, précoce ou tardif, sur l’allodynie mécanique. Un traitement précoce par gabapentine ou par carbamazépine permet d’observer un effet préventif sur la chronicisation de l’allodynie. Dans un modèle murin de neuropathie diabétique, nous avons caractérisé l’action anti-allodynique d’un traitement par nortriptyline et par terbutaline. En clinique, nous avons réalisé un travail d’enquête rétrospective sur des patients opérés par thoracotomie. L’analyse des résultats montre une diminution significative du risque de présenter des douleurs chroniques avec des caractéristiques neuropathiques chez les patients traités par β2-agonistes au long cours. / Neuropathic pain is caused by a lesion or disease of the somatosensory nervous system and is badly relieved by usual antalgics. In our preclinical work, we studied the effect of various molecules, in particular antidepressant and anticonvulsant drugs wich are recommended in the treatment of neuropathic pain. In a murine model of traumatic neuropathy, we studied the influence of the period of treatment, early or late, on the mechanical allodynia. An early treatment with gabapentin or carbamazepine leads to a preventive effect on sustained allodynia. In a murine model of diabetic neuropathy, we characterized the antiallodynic action of nortriptyline and terbutaline. In our clinical work, we realized a retrospective survey on patients operated by thoracotomy. The analysis of the results show a significant decrease of the risk to suffer from chronic pain with neuropathic characteristics in patients treated with long-term β2- agonists.

Le carisbamate est la 1ère molécule à avoir un effet modificateur de l’épileptogenèse, dont environ 50% des animaux traités développent des crises d’absence, au lieu des crises limbiques normalement observées dans le modèle de la pilocarpine. Le principal objectif de cette thèse a été celui d’étudier les altérations qui se produisent par le traitement par le carisbamate. Pour cela nous avons effectué une cartographie de l’activité cérébrale, avec un immunomarquage de la protéine c-Fos, et nous avons vérifié les concentrations des monoamines et acides aminés dans l’hippocampe, le thalamus et dans le cortex piriforme par HPLC, 4h après le début du status epilepticus (SE). Enfin, nous avons vérifié le profil d’expression protéique dans l’hippocampe, 2 mois après le SE par électrophorèse bidimensionnelle.Les résultats indiquent que le carisbamate augmente l’activité des noyaux MD et LD du thalamus. Les résultats suggèrent aussi que la dopamine, la noradrenaline, le GABA et la sérotonine peuvent participer à la significative neuroprotection et à l’effet modificateur de l’épileptogenèse du carisbamate. L’étude de protéomique suggère également une réduction globale du métabolisme énergétique cellulaire chez les rats traité par le carisbamate qui développent des crises d’absence. / The carisbamate is the 1st molecule showing an epileptogenesis modifying effect, that about 50% of treated animals develops absence instead limbic seizures, commonly seen in the pilocarpine model. The aim of this thesis was to study the changes that follows carisbamate treatment. Therefore, we made a brain activity cartography, by labelling c-Fos protein, and we quantified the concentrations of amino acids and monoamines in hippocampus, thalamus and piriform cortex, 4h after the status epilepticus (SE). Moreover, we studied the protein expression profile in the hippocampus, 2 month after SE, by two-dimensional electrophoresis.The results points towards an increased activity of MD and LD thalamic nuclei in carisbamate treated rats. Furthermore, dopamine, noradrenaline, GABA and serotonin appears to play a role in neuroprotection and in the epileptogenesis modifying effect of carisbamate. The proteomic study revealed a global reduction of cellular energetic metabolism of carisbamate treated rats that develops absence seizures.

Le but du présent travail est d’évaluer le potentiel d’oméga-3 à induire la fonction endothélial, et à inhiber la contraction des artères coronaires en réponse aux plaquettes activées.L’induction des relaxations dépendantes de l’endothélium est affecté à la fois par le ratio et la pureté des formulations, avec un effet maximal obtenu pour la formulation EPA:DHA 6:1 à haut degré de pureté via une activation redox-sensible des voies de signalisation PI3-kinase/Akt et/ou MAPKs menant à l’activation de eNOS. La formulation EPA:DHA 6:1 inhibe les contractions induites par les plaquettes impliquant la sérotonine dans les artères coronaires de porc, et les contractions à la sérotonine dans les artères coronaires porcines et mammaires internes humaines, principalement par une augmentation de la formation endothéliale de NO. Ces résultats indiquent que la formulation optimisée EPA:DHA 6:1 exerce un effet bénéfique sur le système cardiovasculaire via l’activation de la fonction endothéliale. / The aim of the present work was to evaluate both the potency of omega-3 formulations to induce the endothelial function and the effect of omega-3 on the platelet-induced coronary artery contraction.The endothelium-dependent relaxations induced by EPA:DHA formulations is dependent on both the ratio and the purity of the formulation, with the maximal effect obtained with a highly purified EPA:DHA 6:1 ratio through a redox-sensitive activation of PI3-kinase/Akt and/or MAPKs pathways and subsequent activation of eNOS. The EPA:DHA 6:1 formulation inhibits the platelet-induced serotonin-mediated contraction of porcine coronary rings and the 5HT-induced contraction in both porcine coronary artery and human internal mammary artery rings, mainly due to an increased endothelial formation of NO. Taken together, the present findings indicate that the optimized EPA:DHA 6:1 formulation is able to exert potent beneficial cardiovascular effects through the activation of the endothelial function.

Les ADN topoisomérases de type 2 (Top2) sont des protéines universelles et essentielles à la vie cellulaire. Elles ont pour fonction de réguler de manière fine l’équilibre topologique de l’ADN. Chez l’homme, les Top2 (HsTop2) sont des cibles thérapeutiques de première importance en oncologie. Des molécules telles que l’étoposide et la doxorubicine font partie des traitements anticancéreux les plus utilisés en clinique à l’heure actuelle, elles agissent en stabilisant les complexes Top2/ADN/inhibiteurs qui sont transformés en lésions permanentes dont l’accumulation entraîne la mort cellulaire. Mon travail de thèse porte sur la caractérisation fonctionnelle et structurale des isoformes des HsTop2 entières en complexe avec des composés thérapeutiques. Mon projet de thèse comporte trois axes principaux et complémentaires : (i) La production et la caractérisation fonctionnelle in vitro des isoformes recombinantes. Nous avons optimisé et simplifié les protocoles de surexpression des deux isoformes dans la levure et avons également mis au point leur expression dans les cellules de mammifère. (ii) une étude structurale par cryo-microscopie électronique sur les HsTop2 entières en complexe avec des composés thérapeutiques et des oligonucléotides. Ces premiers travaux ont permis l’obtention d’une carte tridimensionnelle de l’enzyme entière qui servira de base pour l’étude de l’architecture des HsTop2 au sein de complexes protéiques de plus grande taille. (iii) des expériences de protéomique chimique permettant de mettre à jour les cibles secondaires potentielles de l’étoposide et de la doxorubicine dans des extraits cellulaires de lignées cancéreuses. / The type 2 DNA topoisomerases are universal proteins essential for cell survival. These enzyme fine tune the topological equilibrium of the DNA in cells. The human proteins are major targets of therapeutics drugs used in oncology. Molecules like etoposide and doxorubicin are among the most effective anticancer drugs used in chemotherapy treatments; they form stable Top2/DNA/drugs complexes which are then transformed in permanent DNA damages. This thesis project focuses on the functional and structural characterization of these complexes using 3 main strategies:(i) the production and the in vitro functional characterization of the recombinant isoforms. We optimized and simplified the production and purification procedures and overexpressed both isoforms in mammalian cells. (ii) a structural study by cryoelectron microscopy on the full enzyme complex with DNA and therapeutic drugs. We obtained a 3D density map that will be used for further studies on the architecture of large HsTop2 associated complexes. (iii) ChemoProteomic experiments on cancer cell lines to highlight the potential etoposide and doxorubicin secondary targets.

La morphine constitue l'un des analgésiques les plus utilisés en milieu hospitalier pour soulager les douleurs aiguës et chroniques. Elle exerce ses effets analgésiques en se liant aux récepteurs opioïdes μ (MOR) présents au niveau central et périphérique et possède des effets secondaires, incluant la tolérance, qui limitent son usage à long terme. La première partie de mes travaux avait pour objectif d'étudier le phénomène de tolérance à la morphine et d'en déterminer les mécanismes sous-jacents. A l'heure actuelle, ce phénomène est décrit comme résultant d'une désensibilisation des MOR conduisant à leur endocytose. Nos résultats montrent qu'en cas de tolérance, le catabolisme de la morphine est exacerbé au niveau du système nerveux central. Mes travaux ont également porté sur la caractérisation de la Créatine Kinase (CK) comme étant une protéine liant la morphine à très haute affinité. Nos résultats montrent que la CK possède 2 sites de liaison pour la morphine avec des affinités similaires. En étudiant l'effet potentiel de la CK sur l'analgésie induite par la morphine in vivo, nous avons mis en évidence, que les peptides correspondant aux 2 sites de liaison à la morphine étaient par eux-mêmes analgésiques et que cette analgésie semblait dépendre des récepteurs opioïdes. / Morphine is one of the most used analgesics in hospitals to relieve acute and chronic pain. Morphine exerts its analgesic effects by binding central and peripheral μ opioid receptors (MORs) and has many side effects that limit its long-term use including tolerance. The first part of my thesis was aimed to study the phenomenon of morphine tolerance and to determine the underlying mechanisms. Previously, this phenomenon was explained as resulting !rom MORs desensitization by endocytosis. However, our results show that in case of tolerance, the catabolism of morphine is exacerbated in the central nervous system in particular in astocytes. The second part of my work has focused on the characterization of the Creatine Kinase (CK) as a novel protein that binds morphine with a high affinity. Our results showed that CK has two binding sites with a similar affinity for morphine. Surprisingly, by studying the potential effect of CK on morphine-induced analgesia in vivo, we noticed that the two peptides corresponding to morphine binding sites are analgesics and such analgesia seems to be mediated by opioid receptors.

De nombreuses études ont indiqué que la consommation régulière d’aliments riches en polyphénols comme le vin rouge, le thé, ou les fruits est associée à une réduction du risque de pathologies cardiovasculaires chez l’homme et les animaux. L’effet bénéfique des polyphénols sur le système cardiovasculaire est dû, au moins en partie, à leur action directe sur les vaisseaux sanguins en améliorant la fonction endothéliale. En effet, de nombreuses études indiquent que les polyphénols induisent des relaxations dépendantes de l’endothélium dans les artères isolées en stimulant la formation endothéliale de monoxyde d’azote (NO). La comparaison des relaxations induites par 13 jus et purées de fruits différents dans les artères coronaires de porc a permis de sélectionner l’Aronia melanocarpa en raison de sa grande activité et de sa forte teneur en polyphénols. L’Aronia melanocarpa est un puissant inducteur de relaxations dépendantes de l’endothélium en stimulant la formation endothéliale de NO. Cette formation accrue de NO implique l’activation rédox-sensible de la voie Src/PI3-kinase/Akt qui va phosphoryler la NO synthase sur son site activateur entraînant une formation rapide de NO. A plus long terme, l’Aronia melanocarpa stimule l’expression de la NO synthase via un mécanisme rédox-sensible impliquant les voies PI3-kinase/Akt, JNK, et p38 MAPK, et entraînant la phosphorylation inactivatrice des facteurs de transcription FoxO1 et Fox3a; cet effet prévient la régulation négative de l’expression de la NO synthase endothéliale. En conclusion,nos études révèlent le potentiel d’Aronia melanocarpa à améliorer la protection vasculaire par la stimulation soutenue de la formation de NO. / Many studies indicated that the regular consumption of drink or food rich in polyphenols like red wine, green tea, fruits, vegetables and chocolate is associated with a reduction of the risk of cardiovascular pathologies in human and animals. The beneficial effect of polyphenols, well known as antioxidants, on the cardiovascular system is due at least partly to their direct action on the blood-vessels by improving the endothelial function. Indeed, many studies indicate that the polyphenols induce the endothelium-dependent vasorelaxation in the isolated arteries by stimulating the formation of endothelial nitric oxide (NO). Comparing the endothelium-dependent relaxations induced by 13 different fruit juices and purees in the isolated porcine coronary arteries, Aronia melanocarpa was selected due to its high activity and the highest polyphenol content. Aronia melanocarpa is a potent inducer of endothelium-dependent relaxation in coronary artery by stimulating the formation of endothelial NO. This increased formation of NO involves the redox-sensitive activation of the Src/PI3-kinase/Akt pathway leading to the phosphorylation of eNOS at the activation site, Ser1177, during the rapid formation. Further for the long-term, Aronia melanocarpa stimulates the expression of eNOS via a redox-sensitive mechanism involving PI3-kinase/Akt, JNK, p38 MAPK pathways and the subsequent inactivation of transcription factors FoxO1 and FoxO3a by phosphorylation; this effect prevents their negative regulation of eNOS expression. In conclusion, our studies reveal the potential of Aronia melanocarpa to improve vascular protection by stimulating in a constant way the formation of endothelial NO.

Ce travail de recherche montre que les différentes sources de polyphénols (polyphénols de vin rouge, jus d'aronia melanocarpa, jus de cassis) ont de puissants effets chemothérapeutiques et chemopréventifs sur différentes lignées de culture cellulaires, mais également in vivo sur un modèle de tumorigenèse. Ces polyphénols inhibent la prolifération des cellules cancéreuses (leucémie lymphoblastique aigüe, cellules souches) en induisant un arrêt du cycle cellulaire et l'apoptose. Les effets anti-cancéreux sont dépendants de l' induction du stress oxydatif mettant en jeu les anions superoxydes et le peroxyde d·hydrogène qui à son tour, activent les voies de signalisation conduisant à une surexpression des gènes suppresseurs de tumeurs comme p73 et p53 et ainsi que caspase 3. Celle étude montre également que les polyphénols contrôlent la prolifération des cellules cancéreuses au niveau épigénétique en diminuant l'expression d'UHRF1 (un intégrateur épigénétique de prolifération). Cependant l'effet anticancéreux de ces polyphénols est sélectif et agit sur les cellules cancéreuses et non sur les cellules normales. Le fractionnement de ces sources riches en polyphénols et les études menées en utilisant des composés purs montrent que les effets anticancéreux sont attribués à plusieurs composés différents. Cette étude montre l' identification de cyanidine-3-glucoside et de cyanidine-3-rutinoside comme source de composés anticancéreux actifs. / This research work shows that different sources of polyphenols (RWPs, AMJ and blackcurrant) have strong chemotherapeutic and chemopreventive effects on several cancer cells lines (acute lymphoblastic leukemia and cancer stem cells) and also in vivo in a model of tumorigenesis in mouse. These polyphenols inhibit the proliferation of various cancer cells by inducing cell cycle arrest and apoptosis. The anti-cancer effect is dependent on the induction of oxidative stress involving superoxide anions and hydrogen peroxide which, in turn, activate the signaling pathways leading to the re-expression of tumor suppressor genes such as p73 and p53 and executor of apoptosis such as caspase 3. This study also shows that polyphenols control the proliferation of cancer cells at epigenetic level by decreasing the expression of UHRF1 (an epigenetic integrator of proliferation). Moreover, the anticancer effect of these polyphenols is selective towards cancer cells and not in normal cells. Fractionation of these rich sources of polyphenols and studies on the commercially available pure products shows that anti-cancer effects of these polyphenols involve several different compounds. This study leads to the identification of cyaniding-3-O-glucoside and cyaniding-3-O-rutinoside as active anticancer compounds.

The majority of drugs available on the market are intended to be administered through the oral route. To achieve the desired therapeutic effect, an orally administered drug must first reach the systemic circulation and then its site of action. The fraction of the administered drug that reaches the systemic circulation is known as oral bioavailability and it is the product of the absorption and first-pass metabolism processes occurring in both the GI tract and the liver. The factors controlling bioavailability are manifold –both drug and physiologically related - and their complex interplay is key to defining a drug’s oral bioavailability. In drug discovery and development it is therefore pivotal to anticipate and understand the bioavailability of a drug candidate; a far from simple task, considering the multifactorial nature of the process. For that reason, the overall aim of this thesis was to provide different modelling and simulation (M&S) strategies that can be used for the prediction of oral bioavailability that can be of use in drug discovery and development. The first part of this thesis was focused on the evaluation of the use of bioavailability data obtained from pre-clinical species as a predictor of the human value, in a more traditional approach. In particular, the aim was to evaluate models that can quantitatively and qualitatively provide a relationship between animal and human bioavailability, by analysing trends in a large bioavailability dataset. This section demonstrated that although pre-clinical species cannot quantitatively predict bioavailability, the data obtained from them can be used for qualitative prediction of the human value. Nevertheless, such a modelling approach does not provide a mechanistic rationale of the factors affecting the bioavailability differences. Consequently, the second part of this thesis was focused on such mechanistic predictions. Particularly, we investigated the impact that drug release patterns can have on drug absorption and intestinal first pass metabolism, taking into account the physiological differences observed across the length of the human gastrointestinal (GI) tract. These release patterns are suspected to lead to bioavailability differences due to changes in the first-pass metabolism, especially for CYP3A substrates. Therefore we investigated this phenomenon applying a physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) M&S approach: firstly, from the discovery point of view, using PBPK models in a prospective fashion to investigating the drug-related factors that might lead to such differences and secondly, from the development point of view, to predict the mechanistic differences in absorption and metabolism of oxybutynin, a drug known for its higher bioavailability when formulated as a modified release (MR) product. The latter was done by developing and applying a novel simplified PBPK model to predict such differences. The results of this work showed that the intestinal metabolism can be significantly reduced when having MR formulations of CYP3A substrates which, in some cases, can lead to higher relative bioavailability. Additionally, this thesis provided novel methods and models that have the potential to improve bioavailability predictions when using PBPK models, in particular for drugs formulated as MR.

Pharmacokinetic and pharmacodynamic models can be applied to clinical study data using various modelling approaches depending on the aim of the analysis. In population pharmacokinetics for instance, simple compartmental models can be employed to describe concentration-time data, identify prognostic factors and interpolate within well-defined experimental conditions. The first objective of this thesis was to illustrate such a ‘semi-mechanistic’ pharmacokinetic modelling approach using mavoglurant as an example of a compound under clinical development. In particular, methods to accurately characterise complex oral pharmacokinetic profiles and evaluate the impact of absorption factors were investigated. When the purpose of the model-based analysis is to further extrapolate beyond the experimental conditions in order to guide the design of subsequent clinical trials, physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) models are more valuable as they incorporate information not only on the drug but also on the system, i.e. on mammillary anatomy and physiology. The combination of such mechanistic models with statistical modelling techniques in order to analysis clinical data has been widely applied in toxicokinetics but has only recently received increasing interest in pharmacokinetics. This is probably because, due to the higher complexity of PBPK models compared to conventional pharmacokinetic models, additional efforts are required for adequate population data analysis. Hence, the second objective of this thesis was to explore methods to allow the application of PBPK models to clinical study data, such as the Bayesian approach or model order reduction techniques, and propose a general mechanistic modelling workflow for population data analysis. In pharmacodynamics, mechanistic modelling of clinical data is even less common than in pharmacokinetics. This is probably because our understanding of the interaction between therapeutic drugs and biological processes is limited and also because the types of data to analyse are often more complex than pharmacokinetic data. In oncology for instance, the most widely used clinical endpoint to evaluate the benefit of an experimental treatment is survival of patients. Survival data are typically censored due to logistic constraints associated with patient follow-up. Hence, the analysis of survival data requires specific statistical techniques. Longitudinal tumour size data have been increasingly used to assess treatment response for solid tumours. In particular, the survival prognostic value of measures derived from such data has been recently evaluated for various types of cancer although not for pancreatic cancer. The last objective of this thesis was therefore to investigate different modelling approaches to analyse survival data of pancreatic cancer patients treated with gemcitabine, and compare tumour burden measures with other patient clinical characteristics and established risk factors, in terms of predictive value for survival.