L'hématopoïèse est un processus finement régulé pour permettre sa pérennité et son adaptation aux contraintes physiologiques et pathologiques. Ce potentiel repose en grande partie sur les capacités de quiescence, auto-renouvellement, division asymétrique et multipotence des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Les CSH et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH) sont principalement régulés de façon extrinsèque au sein des niches hématopoïétiques médullaires et cette régulation fait intervenir, des contacts intercellulaires et des facteurs diffusibles. Le phénotype " side-population " (SP), secondaire à l'efflux actif d'un colorant fluorescent (Hoechst 33342) par des pompes de type multidrugresistance, est une caractéristique des cellules souches de la plupart des tissus. Au sein de l'hématopoïèse, le phénotype SP est un excellent moyen pour identifier les CSH murines et est associé à leur quiescence et à leur adhésion à la niche endostéale, mais sa valeur comme marqueur des CSH est plus discutée chez l'homme. Les cellules SP, de par leur nature, sont également étudiées en oncologie, et sont associées aux cellules tumorales les plus résistantes et les plus tumorogènes. La compréhension des mécanismes régulant la fonctionnalité SP devrait permettre d'ouvrir des pistes en physiologie quand à la compréhension de la régulation des CSPH par les niches mésenchymateuses et en pathologie pour cibler les mécanismes de chimiorésistance.Dans ce travail nous montrons pour la première fois chez l'homme que l'acquisition du phénotype SP est un phénomène dynamique et versatile sous le contrôle du stroma médullaire. Le stroma médullaire est en effet capable de maintenir le phénotype SP de CSPH médullaires et d'induire le phénotype SP de CSPH circulants. L'acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes nécessite à la fois un " nichage " au sein du stroma et des facteurs diffusibles. Les cellules circulantes capables d'acquérir le phénotype SP contiennent des CSPH au regard de (i) leur expression du CD34, (ii) leur richesse en cellules quiescentes, (iii) leur capacité clonogénique et proliférative en cultures secondaires, (iv) leur expression des gènes de " nichage " et de " souchitude ", (v) leur capacité de migration en réponse à un gradient de CXCL12, (vi) leur activité LT-SRC in vivo. De plus nous avons mis en évidence, au sein de ces CSPH SP+CD34+ révélés par le stroma médullaire, une sous-population CD44-/faible qui pourrait contenir les cellules plus immatures en raison de sa quiescence et de l'intensité de son efflux du Hoechst 33342. Les études mécanistiques montrent que l'acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes est sous la dépendance de l'intégrine VLA-4 et du CD44. La transduction du signal implique des protéines G et la famille des Src-kinases. Nous montrons également que le stroma médullaire peut induire/maintenir/amplifier la fonctionnalité SP de blastes circulants de leucémie aigüe myéloblastique de façon ß1-intégrine dépendante et que cette fonctionnalité est associée à une capacité d'efflux de Mitoxantrone. Ce mécanisme de modulation de l'activité d'ABC-transporteurs par l'adhésion au stroma correspond à un mécanisme encore jamais décrit de CAM-DR.

ABCB1 (ou P-gp pour "glycoprotéine-P"), ABCC1 (ou MRP1 pour "Multidrug Resistance Protein 1") et ABCG2 (ou BCRP pour "Breast Cancer Resistance Protein") sont les trois transporteurs ABC humains les plus impliqués dans la chimiorésistance de certaines cellules cancéreuses. Deux stratégies sont possibles pour éradiquer cette résistance : 1) l'élimination ciblée des cellules surexprimant ces transporteurs, grâce au talon d'Achille qu'elles ont développé comme conséquence de leur chimiorésistance : la sensibilité collatérale (ou hypersensibilité), et 2) l'identification et l'optimisation d'inhibiteurs spécifiques. Lors de ce projet, nous nous sommes particulièrement intéressés au transporteur ABCG2. Dans un premier temps, comme la sensibilité collatérale avait été décrite dans le cas de la surexpression d'ABCB1 ou d'ABCC1, nous voulions vérifier son implication éventuelle dans le cas de la surexpression d'ABCG2. Sans pouvoir finalement conclure sur son existence, nous avons démontré que le mécanisme d'action ne pouvait pas impliquer un efflux massif de glutathion par la protéine, comme c'est le cas pour ABCC1, contrairement à certaines données de la littérature. Dans le cadre de la seconde approche, nous avons criblé différentes séries de composés, apparentés aux flavonoïdes, pour identifier des inhibiteurs spécifiques d'ABCG2. Nous avons ainsi pu mettre en évidence des relations structure-activité démontrant l'importance de certains substituants, notamment des groupements méthoxy, non seulement pour l'inhibition de l'activité du transporteur mais aussi pour la cytotoxicité des molécules. Ces études nous ont également permis de classer les inhibiteurs identifiés en 4 familles distinctes, quant à leur mécanisme d'action à la fois sur l'efflux de drogues comme la mitoxantrone et l'activité ATPasique d'ABCG2. Enfin, le meilleur inhibiteur spécifique d'ABCG2 décrit à ce jour, la chromone 6g (ou MBL-II-141) a été caractérisé plus en détails. Son efficacité in vivo pour empêcher la croissance de tumeurs humaines xénogreffées chez la souris nous incite à être optimistes sur la possibilité de proposer un inhibiteur d'ABCG2 comme candidat médicament pour de futures études précliniques

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Récemment, des études menées chez des patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA) suggèrent un rôle important de la clairance cérébrale des peptides bêta-amyloïde (Abeta) dans la physiopathologie de la MA. Les échanges de peptide Abeta entre le cerveau et le sang peuvent se faire à travers la barrière hémato-encéphalique (BHE). De nombreux transporteurs sont exprimés au niveau de la BHE, telles les protéines ABC (ATP-Binding Casette) et SLC (Solute Carriers). Il a été montré que l’influx du peptide Abeta à travers la BHE était partiellement médié par le récepteur RAGE (Receptor for Advanced Glycation End products) et son efflux par le récepteur LRP-1 (Low density lipoprotein receptor-related protein 1). De plus, l’implication de transporteurs ABC/SLC dans le passage cérébral du peptide Abeta a été suggérée. Il paraît donc important de caractériser les transporteurs ABC et/ou SLC impliqués dans le transport du peptide Abeta à travers la BHE. D’autre part, l’on peut se demander si, dans le cadre de la MA, la BHE subit des modifications, en termes d’étanchéité, d’expression de transporteurs, de mécanismes de transport, et si, dans ce cas, il y a une modification du transport du peptide Abeta à travers la BHE altérée. Nous avons d’abord montré que des transporteurs ABC et SLC étaient respectivement impliqués dans l’efflux et l’influx des peptides Abeta à travers la BHE. Concernant l’efflux, outre l’Abcb1, nous avons montré qu’Abcg2 et Abcg4 étaient impliquées dans la clairance cérébrale des peptides Abeta. Concernant l’influx, nous avons montré qu’Oatp1a4 pourrait jouer un rôle important dans la pénétration cérébrale des peptides Abeta. De plus, Abca1, principal transporteur ABC impliqué dans le transport du cholestérol, régule indirectement les taux cérébraux d’Abeta. En particulier, nous avons identifié la L-thyroxine et la rosuvastatine comme de puissants inhibiteurs respectifs de l’efflux et de l’influx cérébral d’Abeta. L’ensemble de ces transporteurs d’influx et d’efflux fixe ainsi la clairance cérébrale des peptides Abeta à travers la BHE. Or ces transporteurs sont régulés chez les souris 3xTg-AD (modèle de souris triple transgénique pour la MA exprimant à la fois les pathologies amyloïde et tau), dans des phases précoces et/ou tardives de la MA. Précocement, l’expression de Rage et d’Abca1 sont fortement augmentées au niveau de la BHE chez les souris 3xTg-AD. L’augmentation de Rage dès l’âge de 3 mois laisse supposer une augmentation très précoce de l’influx du peptide Abeta à travers la BHE. Mais cet influx semble être contre-balancé par l’augmentation concomitante d’Abcg4. Quant à Abca1, ne transportant pas directement le peptide Abeta, le rôle de son augmentation graduelle au cours du développement de la MA reste à déterminer. L’ensemble de ces régulations n’étant pas suffisantes pour empêcher l’accumulation cérébrale d’Abeta, des régulations plus tardives semblent se mettre en place, avec notamment l’augmentation de l’expression d’Abcb1 et d’Abcg2, et la diminution d’Oatp1a4. Ces mécanismes semblent donc correspondre à des phénomènes compensatoires ayant pour objectif d’augmenter la clairance cérébrale d’Abeta. Enfin, nous avons montré que l’intégrité physique de la BHE n’était pas altérée chez ces souris 3xTg-AD âgées de 3 à 18 mois. De plus, nos résultats ont montré que le volume vasculaire était diminué de manière précoce, notamment au niveau de l’hippocampe, chez les souris 3xTg-AD par rapport à leurs contrôles. Ce phénomène n’a pas été retrouvé chez les souris APP/PS1 n’exprimant que la pathologie amyloïde. Ces résultats suggèrent un rôle causal et précoce de la protéine tau hyperphosphorylée dans la pathologie de la MA. En conclusion, nos résultats soulignent l’importance de la BHE dans la physiopathologie de la MA. Ce travail de thèse ouvre des perspectives thérapeutiques, mais aussi des pistes pour la compréhension des mécanismes conduisant à une régulation de ces systèmes de transport dans la MA. / Recent studies in Alzheimer's disease (AD) patients have suggested an important role of cerebral clearance of Abeta peptide in the pathogenesis of AD. The blood-brain barrier (BBB) represents a major pathway for exchanges of Abeta between the brain and the peripheral circulation. Many transporters are expressed at the BBB, such as the ABC (ATP-Binding Casette) and SLC (Solute Carriers) proteins. It has been shown that the influx of Abeta peptide across the BBB was partially mediated by the receptor RAGE (Receptor for Advanced Glycation End products) and its efflux by the LRP-1 receptor (low density lipoprotein receptor-related protein 1). On the other hand, the involvement of ABC/SLC transporters in the brain efflux/influx of Abeta peptide has been suggested. It was therefore important to characterize the ABC/SLC transporters involved in the transport of Abeta peptide across the BBB. In addition, the disorders of the BBB have always been suggested in neurodegenerative diseases. The question is whether, in the context of AD, the BBB undergoes changes in terms of integrity, expression of transporters, transport mechanisms, and if, in this case, there is a change in the transport of Abeta peptide across the impaired BBB. We first showed that the BBB regulated the exchange of blood-brain Abeta peptides. Thus, the involvement of efflux (ABCG2 and ABCG4) and influx (Oatp1a4) transporters allows this equilibrium of Abeta peptides between the blood and the brain parenchyma. In addition, ABCA1, the main ABC transporter involved in cholesterol transport, regulates indirectly the brain levels of Abeta. We also identified the L-thyroxine and rosuvastatin as potent inhibitors of the efflux and influx transport of brain Abeta, respectively. All these influx and efflux transporters could control the transport of Abeta peptide across the BBB. However, these transporters are regulated in 3xTg-AD mice (triple transgenic mouse model for AD expressing both amyloid and tau pathologies) in the early and/or late stages of AD. Early, the expression of Abca1 and Rage are strongly increased at the BBB in 3xTg-AD mice. The high expression levels of Rage at the age of 3 months suggest an early increase in the influx transport of Abeta peptide across the BBB. But this increase seems to be compensated by the concomitant increase of Abcg4. As Abca1 does not directly mediate the transport of Abeta peptide, the role of its gradual increase in the development of AD remains to be determined. As all these regulations are not sufficient to prevent the accumulation of cerebral Abeta, the late regulations seem to develop, including increased expression of Abcb1 and Abcg2, and decreased expression of Oatp1a4. These mechanisms seem to correspond to compensatory phenomena with the objective to increase the cerebral clearance of Abeta. Finally, we have shown that the physical integrity of the BBB was not altered in 3xTg-AD mice aging from 3 to18 months. In addition, our results showed that the cerebral vascular volume was reduced early, especially in the hippocampus of 3xTg-AD mice compared to their age-matched controls. This phenomenon was not found in APP/PS1 mice expressing only the amyloid pathology. These results suggest a causal and early role of hyperphosphorylated tau in AD pathology.In conclusion, our results show the importance of the BBB and particularly of Abcg2, Abcg4 and Oatp1a4 transporters in the pathophysiology of AD. Knowledge of these transporters not only opens up therapeutic or prophylactic purposes, but also leads to the further understanding of the regulation mechanisms of these transport systems in AD.

<p>Transport into and across the cells of the human body is a prerequisite for the pharmacological action of drugs. Passive membrane permeability and active transport mechanisms are major determinants of the intestinal absorption of drugs, as well as of the distribution to target tissues and the subsequent metabolism and excretion from the body. In this thesis, the role of ATP-binding cassette (ABC) transporters and passive permeability on drug absorption and disposition was investigated. Particular emphasis was placed on defining the molecular properties important for these transport mechanisms. </p><p>The influence of different transport pathways on predictions of intestinal drug absorption was investigated using experimental models of different complexity. Experimental models that include the paracellular pathway gave improved predictions of intestinal drug absorption, especially for incompletely absorbed drugs. Further, the inhibition of the ABC transporters breast cancer resistance protein (BCRP/ABCG2) and multidrug-resistance associated protein 2 (MRP2/ABCC2) was experimentally investigated using structurally diverse datasets that were representative of orally administered drugs. A large number of previously unknown inhibitors were identified among registered drugs, but their clinical relevance for drug-drug interactions and drug-induced toxicity remains to be determined. The majority of the inhibitors affected all three major ABC transporters BCRP, MRP2 and P-glycoprotein (P gp/ABCB1), and these multi-specific inhibitors were found to be enriched in highly lipophilic weak bases. </p><p>To summarize, the present work has led to an increased knowledge of the molecular features of importance for ABC transporter inhibition and passive membrane permeability. Previously unknown ABC transporter inhibitors were identified and predictive computational models were developed for the different drug transport mechanisms. These could be valuable tools to assist in the prioritization of experimental efforts in early drug discovery.</p>

Transport into and across the cells of the human body is a prerequisite for the pharmacological action of drugs. Passive membrane permeability and active transport mechanisms are major determinants of the intestinal absorption of drugs, as well as of the distribution to target tissues and the subsequent metabolism and excretion from the body. In this thesis, the role of ATP-binding cassette (ABC) transporters and passive permeability on drug absorption and disposition was investigated. Particular emphasis was placed on defining the molecular properties important for these transport mechanisms. The influence of different transport pathways on predictions of intestinal drug absorption was investigated using experimental models of different complexity. Experimental models that include the paracellular pathway gave improved predictions of intestinal drug absorption, especially for incompletely absorbed drugs. Further, the inhibition of the ABC transporters breast cancer resistance protein (BCRP/ABCG2) and multidrug-resistance associated protein 2 (MRP2/ABCC2) was experimentally investigated using structurally diverse datasets that were representative of orally administered drugs. A large number of previously unknown inhibitors were identified among registered drugs, but their clinical relevance for drug-drug interactions and drug-induced toxicity remains to be determined. The majority of the inhibitors affected all three major ABC transporters BCRP, MRP2 and P-glycoprotein (P gp/ABCB1), and these multi-specific inhibitors were found to be enriched in highly lipophilic weak bases. To summarize, the present work has led to an increased knowledge of the molecular features of importance for ABC transporter inhibition and passive membrane permeability. Previously unknown ABC transporter inhibitors were identified and predictive computational models were developed for the different drug transport mechanisms. These could be valuable tools to assist in the prioritization of experimental efforts in early drug discovery.

Membrane transport proteins are known to influence the absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity (ADMET) of drugs. At the onset of this thesis work, only a few structure-activity models, in general describing P-glycoprotein (Pgp/ABCB1) interactions, were developed using small datasets with little structural diversity. In this thesis, drug-transport protein interactions were explored using large, diverse datasets representing the chemical space of orally administered registered drugs. Focus was set on the ATP-binding cassette (ABC) transport proteins expressed in the canalicular membrane of human hepatocytes. The inhibition of the ABC transport proteins multidrug-resistance associated protein 2 (MRP2/ABCC2) and bile salt export pump (BSEP/ABCB11) was experimentally investigated using membrane vesicles from cells overexpressing the investigated proteins and sandwich cultured human hepatocytes (SCHH). Several previously unknown inhibitors were identified for both of the proteins and predictive in silico models were developed. Furthermore, a clear association between BSEP inhibition and clinically reported drug induced liver injuries (DILI) was identified. For the first time, an in silico model that described combined inhibition of Pgp, MRP2 and breast cancer resistance protein (BCRP/ABCG2) was developed using a large, structurally diverse dataset. Lipophilic weak bases were more often found to be general ABC inhibitors in comparison to other drugs. In early drug discovery, in silico models can be used as predictive filters in the drug candidate selection process and membrane vesicles as a first experimental screening tool to investigate protein interactions. In summary, the present work has led to an increased understanding of molecular properties important in ABC inhibition as well as the potential influence of ABC proteins in adverse drug reactions. A number of previously unknown ABC inhibitors were identified and predictive computational models were developed.

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology & Toxicology Student: Beáta Repeľová Supervisor: PharmDr. Lukáš Červený, Ph.D. Title of diploma thesis: Study of effects of antiretroviral drugs on transmembrane transport of tenofovir disoproxil fumarate across MDCKII - ABCB1 cell monolayer Tenofovir disoproxil fumarate (TDF) - ester prodrug of tenofovir is considered as one of the most frequently used component of combination antiretroviral therapy. Several ways of application and good patients' tolerability is typical for this compound. TDF is a substrate of dug transporter such as P-glycoprotein (P-gp) therefore its efflux activity may limit the bioavailability after oral administration and distribution of TDF. As many of antiretroviral drugs are also substrates or inhibitors of P-gp, drug - drug interactions with TDF at the level of transmembrane transport could be expected. The aim of the diploma thesis was to describe effects of co-administered antiretroviral drugs on transfer of TDF across MDCKII cell monolayer by using bidirectional transport and concentration equilibrium setups. The results of experiments confirmed that TDF is a substrate of P-gp. High values of efflux ratio describing transmembrane transport of TDF across parental cells have been observed. This...