Les opioïdes peuvent être responsables, en cas d’intoxication, d’une dépression respiratoire mortelle. Deux opioïdes ont un profil de toxicité particulier. La buprénorphine, seule, a des effets respiratoires plafonnés alors qu’administrée avec des benzodiazépines elle peut être à l’origine d’une dépression respiratoire mortelle. Le tramadol, dans un contexte d’intoxication aigue, entraine dans 20% des cas des convulsions. Les mécanismes de ces toxicités sont inconnus.L’objectif de cette thèse était d’étudier de façon multimodale les mécanismes impliqués dans ces deux types de toxicité en incluant des données pharmacodynamiques et neuropharmacocinétiques in vivo. Pour la buprénorphine, nous avons montré que la dépression respiratoire observée avec le diazépam ne résultait pas d’une interaction neuropharmacocinétique/réceptologique centrale (imagerie TEP 11C- buprénorphine). En revanche, les données physiologiques respiratoires (pléthysmographie, gaz du sang, électromyographie) et leur réversion par les antagonistes des récepteurs opioïdes et de l’acide γ-aminobutyrique (GABA) étaient en faveur d’une interaction pharmacodynamique. Pour le tramadol, nous avons montré que les convulsions n’impliquaient pas les systèmes noradrénergiques, dopaminergiques, sérotoninergiques ou opioïdergiques. Le tramadol agissait comme un modulateur allostérique négatif du site de liaison des benzodiazépines des récepteurs GABA-A (imagerie TEP 11C-flumazénil). Par cette approche multimodale in vivo chez le rat, nous avons pu déterminer que les interactions entre les opioïdes et le système GABAergique jouent un rôle majeur dans les profils de toxicité spécifique de la buprénorphine et du tramadol. / Opioids overdose may be responsible for respiratory depression. Nevertheless, two molecules exhibit particular toxicity patterns. Buprenorphine induces ceiling respiratory effects even at high doses. However, several deaths have been reported, mainly when buprenorphine was co-administered with benzodiazepines. Tramadol is a µ-opioid receptor agonist that induces seizures in 20% of poisoning cases. The exact mechanisms involved in both toxicity remain poorly understood. The aim of our investigation was to study the mechanisms involved in these two types of toxicity using a multimodal approach including pharmacodynamic data and in vivo brain neuropharmacokinetics. Regarding buprenorphine, we have shown that respiratory depression with diazepam does not result from neuropharmacokinetic/receptologic interaction (11C-buprenorphine PET imaging) Conversely, the study of respiratory parameters (plethysmography, blood gas, electromyogram) and their antagonization by opioid and gamma-aminobutyric acid (GABA) receptors antagonists supported interactions mediated by the addition of the pharmacodynamic effects of each molecule. Regarding tramadol, we showed that seizures did not involve the noradrenergic, dopaminergic, serotoninergic or opioidergic systems. Conversely, they involve the GABA-ergic system; tramadol acts as negative allosteric modulator of the benzodiazepine site of the GABA-A receptor (11C-flumazenil PET imaging). Using a multimodal in vivo approach in the rat, we have been able to determine that the interactions between opioids and the GABAergic system play a major role in mechanisms of toxicity of buprenorphine and tramadol.

La buprénorphine (BUP) peut être responsable d’une dépression respiratoire à l’origine d’intoxications graves parfois mortels. Cependant, les mécanismes exacts de ces effets respiratoires délétères ne sont pas encore clairement établis. Les objectifs de cette thèse étaient d’analyser la variabilité des effets respiratoires de la BUP en y intégrant : 1) le rôle exact de la P-glycoprotéine (P-gp) 2) le rôle de l’acquisition d’une tolérance aux opioïdes, tout en précisant les différences potentielles entre tolérance aux effets analgésiques et respiratoires et les mécanismes moléculaires mis en jeu. Pour cela, nous avons étudié en pléthysmographie les effets respiratoires de la BUP et de son métabolite actif la norbuprénorphine (NBUP) chez la souris Fvb femelle. Nous avons mesuré leur transport par la P-gp à la barrière hémato-encéphalique (BHE) en perfusion cérébrale in situ, après inhibition pharmacologique ou suppression du gène codant pour la P-gp. Nous avons étudié la part de variabilité dans ces effets, attribuable au sexe et à la souche de souris. Nous avons ainsi démontré que la P-gp exprimée à la BHE joue un rôle-clé dans la protection contre les effets respiratoires délétères induits par la BUP, en empêchant l’entrée dans le compartiment encéphalique de son métabolite, la NBUP. Nous avons observé que les souris Fvb femelles sont plus sensibles à la toxicité respiratoire de la BUP que les souris Fvb mâles qui sont, eux-mêmes plus sensibles à ces effets que les souris Swiss mâles, sans que la P-gp ne soit à aucun moment impliquée dans cette variabilité. Enfin, nous avons montré qu’une tolérance aux effets analgésiques et respiratoires de la BUP se développe de façon significativement plus réduite chez les souris Fvb déficientes en P-gp, suggérant un rôle crucial pour ce transporteur dans l’acquisition et l’expression de la tolérance à la BUP. Par ailleurs, nous avons montré qu’après administration répétée de morphine, apparait une tolérance plus faible à ses effets respiratoires qu’à ses effets analgésiques. La mise en évidence d’une superactivation de l’adénylate cyclase dans la région périaqueducale impliquée dans les effets antinociceptifs des opioïdes, et non dans le tronc cérébral qui contient les centres de régulation de la ventilation, pourrait au moins en partie, expliquer cette différence d’intensité de tolérance observée. Enfin, pour compléter nos travaux expérimentaux, nous avons réalisé deux mini-revues bibliographiques pour, d’une part faire la synthèse des mécanismes de la tolérance aux opioïdes et de leur rôle dans la dépression respiratoire et d’autre part, analyser les situations déjà rapportées d’effets cliniques nés d’interactions médicamenteuses médiées par la P-gp. / Buprenorphine (BUP) may be responsible for respiratory depression resulting in serious andsometimes fatal poisonings. However, the exact mechanisms leading to these deleterious respiratoryeffects still remain unclear. The objectives of this thesis were to study the variability of BUP-inducedrespiratory effects by focusing on: 1) the involvement of P-glycoprotein 2) the role of tolerance to opioids in addition to investigating possible differences among tolerance to opioid-related antinociceptive and respiratory effects as well as the involved molecular mechanisms. We studied the respiratory effects of BUP and its active metabolite, norbuprenorphine (NBUP) using plethysmography in female Fvb mice. We measured P-gp-related transport of BUP and NBUP at the blood-brain barrier (BBB) using in situ brain perfusion after pharmacological P-gp inhibition as well as in P-gp knock-out mice. We also studied the role of gender and mice strain in the variability of BUP-related respiratory effects. We showed that P-gp at the BBB plays a key-protective role against BUP-related respiratory effects by limiting NBUP distribution into the brain. We observed that female Fvb mice are more sensitive to BUP-induced deleterious respiratory effects than male Fvb mice thatare more sensitive than male Swiss mice. Furthermore, we assessed that gender- and strain-attributedvariability is not related to P-gp. Finally, we demonstrated that tolerance to BUP-induced antinociceptive and respiratory effects is significantly reduced in P-gp knockout mice in comparison to controls, suggesting a critical role for P-gp in tolerance to BUP. In parallel, we showed that repeated administration of morphine results in reduced tolerance to its respiratory effects in comparison to its antinociceptive effects. Adenylate cyclase super-activation that we evidenced in the periaqueductal grey matter, the area involved in opioid-related analgesia control, but not in the brainstem, the area that contains centres of ventilation regulation, may at least in part be responsible for these observed differences in tolerance. Finally, to complete our experimental researches, we performed two mini-reviews, aiming at summarizing the various mechanisms of tolerance and their involvement in respiratory depression in addition to highlighting the importance of drug-drug interactions leading to P-glycoprotein inhibition in the occurrence of deleterious clinical effects.

Les maladies bucco-dentaires sont fréquemment rapportées en médecine vétérinaire et le traitement généralement nécessite l’extraction des dents. Cependant, la procédure est invasive et une évaluation à long terme ainsi qu’une gestion de la douleur sont nécessaires. En médecine vétérinaire, les opioïdes, les blocs anesthésiques locaux et les anti-inflammatoires non stéroïdiens sont administrés en intervention analgésique péri-opératoire. Par exemple, la buprénorphine est un opioïde analgésique puissant, hautement lipophile, et est principalement utilisé pour traiter la douleur aiguë. La buprénorphine est souvent administrée dans le cadre d'une analgésie multimodale. Les signes comportementaux de la douleur induite par les maladies bucco-dentaires n'ont pas été systématiquement étudiés chez les chats, et les connaissances actuelles sont principalement basées sur des preuves anecdotiques ou des études réalisées chez d'autres espèces. On ignore comment les maladies bucco-dentaires et le traitement (c'est-à-dire l'extraction dentaire) peuvent affecter la prise alimentaire péri-opératoire, les scores de douleur, les besoins analgésiques supplémentaires et les comportements chez les chats. En outre, il serait important de savoir si l’échelle de douleur basée sur l'expression faciale (Feline Grimace Scale: FGS) pourrait également être utilisée pour l'évaluation de la douleur buccale. Les objectifs du projet étaient 1) d'identifier les comportements spécifiques associés aux maladies bucco-dentaires en utilisant une évaluation par vidéo, et de les corréler aux scores de la douleur en temps réel, 2) d'évaluer l'impact des maladies bucco-dentaires et de la douleur sur la prise alimentaire et les comportements liés à l'alimentation, 3) de déterminer les effets du traitement des maladies bucco-dentaires sur le comportement, les scores de la douleur et la prise alimentaire, 4) d’évaluer la fiabilité inter-évaluateurs du FGS et 5) pour évaluer l'efficacité analgésique et les événements indésirables d'une formulation à haute concentration de formulation de chlorhydrate de buprénorphine (Simbadol, 1,8 mg / mL) en comparaison avec une formulation standard de chlorhydrate de buprénorphine (Vetergesic, 0,3 mg / mL) dans le cadre d'un schéma multimodal chez les chats subissant des extractions dentaires. Les hypothèses étaient que 1) des comportements spécifiques pourraient être identifiés et corrélés aux scores de la douleur en temps réel, 2) les chats atteints d'une maladie bucco-dentaire sévère auraient une consommation alimentaire plus faible et des scores de douleur plus élevés et nécessiteraient une analgésie de secours comparativement aux chats qui ne sont pas / minimalement atteints par une maladie bucco-dentaire, 3) le traitement des maladies bucco-dentaires réduirait la prévalence des comportements spécifiques ainsi que les scores de douleur et améliorerait la consommation alimentaire de ces animaux, 4) les scores FGS notés par différents évaluateurs seraient fiables et 5) Simbadol et Vetergesic produiraient tous deux des scores de douleur postopératoire, des événements indésirables, ainsi que le moment et la prévalence de l'analgésie de secours similaires lors de l'utilisation du Glasgow Composite Measure Pain Scale-Feline (CMPS-F). Le projet a été divisé en deux études et quatre articles (étude 1: articles 1 à 3, étude 2: article 4): 1) article sur le score de la douleur, les besoins en analgésie de secours et la quantité de nourriture ingérée chez les chats subissant un traitement oral, 2) article sur les comportements spécifiques induits par la douleur liés à la douleur buccale chez les chats sous traitement oral, 3) article sur la fiabilité inter-évaluateurs de la FGS chez les chats sous traitement oral, et 4) comparaison détaillée de l'efficacité analgésique de deux schémas posologiques en utilisant deux concentrations différentes de buprénorphine chez les chats subissant des extractions dentaires. Dans le premier article, vingt-quatre chats ont été répartis également en deux groupes: un groupe qui représente des maladies bucco-dentaires légères (traitement dentaire minimal) et un autre sévères (extractions dentaires multiples) sur la base d'un système de notation dentaire qui impliquait le nombre et l'emplacement de l'extraction des dents et hospitalisés pendant 7 jours (admission au jour 0, examen bucco-dentaire, radiographies et traitement sous anesthésie générale le jour 1 et sortie le jour 6). Pendant l'hospitalisation, les scores de douleur basés sur l'échelle composite de Glasgow (CMPS-F), la prévalence de l'analgésie de secours (CMPS-F ≥ 5/20), la prise d'aliments secs et mous (%) pendant 3 minutes et 2 heures, l'apport quotidien d'aliments mous et les cytokines inflammatoires sériques ont été analysés. Dans le deuxième article, les chats ont été filmés à distance pendant 10 min tout au long de l'étude à différents moments (au total 36h d'enregistrement vidéo). Les vidéos se composaient de quatre parties soit les comportements généraux, de jeu, d'alimentation et post-alimentation. La durée et la fréquence des différents comportements basés sur un éthogramme ont été analysées. Dans le troixième article, quatre-vingt-onze captures d'images (c'est-à-dire des captures d'écran) à partir de vidéos filmées aux jours 1 (postopératoire 6 heures) et 6 pour l'article 2 et des vidéos filmées avant / après l'analgésie de sauvetage ont été incluses. Le FGS comprend cinq unités d'action (AU): les yeux, les oreilles, le museau, les moustaches et la position de la tête. Les scores FGS des images ont été évalués indépendamment par quatre évaluateurs en aveugle. La fiabilité inter-évaluateurs de chaque score AU et FGS total et l'effet de la présence du soignant ont été évalués. Dans l'étude 2 (article 4), vingt-trois chats subissant des extractions dentaires ont été inclus. Les chats ont reçu aléatoirement soit Simbadol (1.8 mg/mL; 0.24 mg/kg SC, toutes les 24 heures, n = 11) ou Vetergesic (0.3 mg/mL; 0.02 mg/kg IM, toutes les 8 h, n = 12) tout au long de l'étude. Ils ont été admis au jour 0, ont subi un examen oral, des radiographies et un traitement sous anesthésie générale le jour 1 et ont été libérés le jour 4. La sédation et la douleur ont été évaluées à l'aide de l'échelle visuelle analogique interactive dynamique (jour 1) et CMPS-F, respectivement. Les scores de sédation, de douleur et la prévalence de l'analgésie de secours (CMPS-F ≥ 5/20) et du ressentiment (défini comme tout type de comportement d'évitement associé à l'aversion pour l'administration de médicaments) ont été analysés statistiquement. Les études ont montré que les scores de la douleur et la prévalence de l'analgésie de secours étaient significativement élevés, ainsi que les apports d'aliments secs et mous étaient significativement diminués chez les chats atteints d'une maladie grave par rapport à ceux présentant une maladie légère. De surcroit, la maladie buccale influence les cytokines inflammatoires et induit des comportements. Par ailleurs, Le FGS est un outil fiable pour l’évaluation de la douleur buccale et n’est pas affecté par la présence du soignant. En outre, les scores de la douleur et la prévalence de l'analgésie de secours chez les chats auxquels Simbadol a été administré n'étaient pas significativement différents de ceux administrés par Vetergesic. De plus, certains chats administrés par Vetergesic ont développé un ressentiment à l'égard de l'administration du médicament, qui n'était pas significativement différent de ceux administrés par Simbadol. Une analgésie à long terme est nécessaire après des extractions dentaires chez les chats atteints d'une maladie bucco-dentaire sévère. La diminution de l'apport alimentaire et les comportements spécifiques identifiés dans les études pourraient être utilisés pour différencier entre les chats douloureux des chats indolores dans la pratique clinique. Le FGS est un outil fiable pour l'évaluation de la douleur chez les chats subissant des extractions dentaires. Simbadol a produit des effets analgésiques similaires à Vetergesic sans induire un ressentiment pendant l'administration du médicament. / Oral disease is one of the most commonly reported diseases in veterinary medicine, and tooth extractions are commonly required as the treatment. The procedure, however, is invasive, and long-term pain management is necessary. In veterinary medicine, opioids, local anesthetic blocks and nonsteroidal anti-inflammatory drugs are administered as perioperative analgesic intervention. Behavioral signs of oral disease-induced pain have not been systematically investigated in cats, and the current knowledge is mostly based on anecdotal evidence or studies performed in other species. It is not known how oral disease and the treatment (i.e. tooth extractions) can affect perioperative food intake, pain scores, additional analgesic requirements and behaviors in cats. Also, it is not known if a facial expression-based pain scale (Feline Grimace Scale: FGS) could be used for oral pain assessment as well. The objectives of this PhD program were: 1) to identify the specific behaviors associated with oral disease by using video assessment, and to verify their correlation with the real-time pain scores, 2) to assess the impact of oral disease and pain on food intake and feeding-related behaviors, 3) to determine the effects of oral disease treatment on behavior, pain scores and food intake, 4) to assess the inter-rater reliability of the FGS in cats undergoing dental extractions and 5) to evaluate the analgesic efficacy and adverse events of a high-concentration formulation of buprenorphine hydrochloride formulation (Simbadol, 1.8 mg/mL) in comparison with a standard buprenorphine hydrochloride formulation (Vetergesic, 0.3 mg/mL) as part of a multimodal regimen in cats undergoing dental extractions. The hypotheses were: 1) specific behaviors associated with oral disease would be identified and correlated with real-time pain scores, 2) cats with severe oral disease would have lower food intake and higher pain scores, and require rescue analgesia when compared with cats with no/minimal oral disease, 3) treatment of oral disease would reduce the prevalence of specific behaviors and pain scores and improve food consumption of these animals, 4) the FGS scores scored by different raters would be reliable in cats undergoing dental extractions and 5) both Simbadol and Vetergesic would produce similar postoperative pain scores, adverse events and timing and prevalence of rescue analgesia when using the Glasgow Composite Measure Pain Scale-Feline (CMPS-F). The project was divided into two studies and four articles (study 1: articles 1-3, study 2: article 4): 1) investigation of pain scores, rescue analgesia requirements and the amount of food intake in cats undergoing oral treatment, 2) investigation of the pain-induced specific behaviors related to oral pain in cats undergoing oral treatment, 3) investigation of inter-rater reliability of FGS in cats undergoing oral treatment, and 4) comparison of the analgesic efficacy of two dosage regimens using two different concentrations of buprenorphine in cats undergoing dental extractions. In article 1, twenty-four cats were equally divided into minimal (minimal dental treatment) or severe (multiple dental extractions) oral disease groups based on a dental scoring system which involved the number and location of teeth extraction and hospitalized for 7 days (admission on day 0, oral examination, radiographs and treatment under general anesthesia on day 1 and discharge on day 6). During hospitalization, pain scores based on CMPS-F, the prevalence of rescue analgesia (CMPS-F ≥ 5/20), dry and soft food intake (%) during periods of 3 minutes and 2 hours, daily soft food intake and serum inflammatory cytokines were analyzed and compared. In article 2, cats were filmed remotely for 10 min throughout the study at different time points (total of 36h of video recording). The videos consisted of four parts namely general, playing, feeding and post-feeding behaviors. The duration and frequency of different behaviors based on an ethogram were analyzed. In article 3, ninety-one image captures (i.e. screenshots) from videos filmed at days 1 (postoperative 6 hours) and 6 for article 2 and videos filmed before/after rescue analgesia were included. The FGS comprises five action units (AU): eyes, ears, muzzle, whiskers and head position. The FGS scores of the images were independently scored by four blinded raters. Inter-rater reliability of each AU and total FGS scores and the effect of the caregiver’s presence were evaluated. In study 2 (article 4), twenty-three cats undergoing tooth extractions were included. Cats randomly received either Simbadol (1.8 mg/mL; 0.24 mg/kg SC, every 24h, n = 11) or Vetergesic (0.3 mg/mL; 0.02 mg/kg IM, every 8h, n = 12) throughout the study. They were admitted on day 0, underwent oral examination, radiographs and treatment under general anesthesia on day 1 and discharged on day 4. Sedation and pain were scored using the dynamic interactive visual analog scale (day 1) and CMPS-F¬, respectively. Sedation and pain scores and the prevalence of rescue analgesia (CMPS-F ≥ 5/20) and resentment (defined as any type of escape behavior associated with aversion to drug administration) were analyzed. The studies found that the pain scores and the prevalence of rescue analgesia were significantly increased, and dry and soft food intakes were significantly decreased in cats with severe disease when compared with those with minimal disease, and the oral disease influences inflammatory cytokines and induces the specific behaviors. FGS is a reliable tool for the assessment of oral pain and is not affected by the caregiver’s presence. Pain scores and the prevalence of rescue analgesia in cats administered Simbadol were not significantly different from those administered Vetergesic, and some cats administered Vetergesic developed resentment to the administration of the drug, which was not significantly different from those administered Simbadol. Long-term analgesia is required after dental extractions in cats with severe oral disease. A decrease in food intake and specific behaviors identified in the studies could be used to differentiate painful versus pain-free cats in clinical practice. The FGS is a reliable tool for pain assessment in cats undergoing dental extractions. Simbadol produced similar analgesic effects to Vetergesic without resentment during drug administration.