La maladie de Parkinson (MP) provient de la dégénérescence des cellules du locus nigerproduisant de la dopamine. La barrière hémato-encéphalique (BHE) est un véritable obstacle pour le traitement de la MP car elle empêche ou réduit le passage d’un grand nombre de substances pharmacologiques vers le cerveau. L’encapsulation de ces substances dans des liposomes ou des niosomes avant leur libération intra-cérébrale représente une alternative de choix en raison de la biocompatibilité, la biofragmentation, la non-toxicité et les capacités de ciblage de ces systèmes. A l’heure actuelle le traitement de la MP reste un défi, malgré l’existence de nombreux projets de recherche dans ce domaine. Notre hypothèse est que l’administration de pramipexoleencapsulé dans des liposomes et/ou des niosomes pourrait représenter une approche thérapeutique pertinente. Dans le cadre de la thèse, la caractérisation et la cinétique de diffusion des liposomes et niosomescontenant du pramipexole ont été réalisées. La validation de différentes formulations a été réalisée sur un modèle de BHE constitué de co-cultures cellulaires. Les effets du pramipexoleencapsulé dans des liposomes ou desniosomesont ensuite été étudiés dans un modèle de MP chez le rat obtenu par lésion de la voie dopaminergique nigro-striée à l’aide de 6-hydroxydopamine (6-OHDA). Pour cela, nous avons évalué le comportement rotatoire induit par l’amphétamine et l’expression du transporteur de la dopamine (DAT) par autoradiographie quantitative chez des animaux lésés traités ou non par les nanocapsules. Toutes les formulations que nous avons réalisées ont montré une capacité d’encapsulation d’environ 10% pour une taille de 100 nm, avec une cinétique de dispersion compatible avec une utilisation in vivo. Dans notre modèle de co-culture cellulaire, nous avons déterminé que nos formulations permettent le franchissement de la BHE. Chez les animaux lésés à la 6-OHDA, la quantification du DAT indique que l’administration de pramipexole réduit l’intensité de la lésion, que la substance soit administrée seule ou encapsulée dans des niosomes. Ces travaux montrent l’intérêt potentiel de l’administration de principe actif encapsulé pour le traitement de la MP, et devront être poursuivis afin d’optimiser cette approche thérapeutique, notamment au niveau des doses. / Parkinson’s Disease (PD) is degeneration of dopamine producing cells in substantia nigra. Blood-brain barrier (BBB) is a strong obstacle in PD therapy. More penetration and accumulation in the target tissue can be obtained by preventing RES uptake via “stealth effect”. Liposomes and niosomes are the promising systems for being biodegredable, bioavailable, non-toxic and targetable. Although CNS disorders are the first to endorse at their research in the diagnosis and therapy with several framework projects in Europe and over the world, there is still a huge gap in CNS drug delivery and the success of PD therapy. Although different studies have performed with pramipexole, evaluation of penetration and antiparkinsonian effect of pramipexole encapsulated liposomes and niosomes has never been studied before. Among this thesis, nanosized, polyethylene glycol (PEG) coated, neutral and positively charged, pramipexole encapsulated liposomes and noisomes were formulated, characterized and release kinetics of the systems were evaluated. In vitro penetration of all formulations was evaluated in BBB cell co-culture model. Therapeutic efficacy of neutral, pramipexole encapsulated liposomes and niosomes were evaluated in 6-hydroxydopamine (6-OHDA) lesioned rats by rotometer test and autoradiography. All formulations have approximately 10% encapsulation efficiency, around 100 nm particle sizes and fitted to first-order release kinetics. All formulations were found BBB permeable at in vitro cell culture studies. Nanosized, neutral niosomes designated similar but slightly better effect than pramipexole solution in autoradiograhy studies in 6-OHDA lesioned rats. This pramipexole dose is approximately 9 times lesser doses applied with conventional pramipexole tablets for humans in Neurology clinics. Nanosized, pramipexole encapsulated, neutral niosomes showed potential PD therapeutic effect in PD animal model depending on non-ionic surfactant properties of niosomes. / Uzm. Ecz. Mine Silindir Gunay, Parkinson Hastalığı’nın Teşhis ve Tedavisi İçin Kullanılacak Nanoboyutlu Teragnostik İmmünolipozom/İmmunoniozomlar Üzerine İn Vitro İn Vivo Çalışmalar, Hacettepe Üniversitesi – François Rabelais de Tours University, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Radyofarmasi Programı, UMR Inserm U 930, Ekip 3, Moleküler Görüntüleme ve Beyin Programı, Doktora Tezi, Ankara-Tours, 2016. Parkinson Hastalığı (PH) substantia nigra’daki dopamin üreten hücrelerin dejenerasyonundan kaynaklanmaktadır. Kan-beyin bariyeri (KBB) PH’nın tedavisinin önünde kuvvetli bir engeldir. Hedef dokudaki yüksek penetrasyon ve tutulum “stealth etki” ile RES tutulumunun engellenmesi ile sağlanabilir. Lipozom ve niozomlar biyoparçalanırlıkları, biyouyumlulukları, non-toksik ve hedeflendirilebilir olmaları nedeniyle en çok tercih edilen sistemlerdendir. Santral sinir sistemi hastalıklarının araştırılması Avrupa ve tüm dünyada yapılan pekçok çerçeve projelerinde ilk sırada olmasına rağmen, halen beyne ilaç taşınması ve PH’nin tedavi başarısı konusunda büyük boşluklar bulunmaktadır. Pramipeksol ile pek çok çalışma yapılmasına karşılık, bizim çalışmamız pramipeksol enkapsüle edilmiş lipozom ve niozomların beyin penetrasyonunun ve antiparkinson etkisinin değerlendirilmesi konusunda yenidir. Tez kapsamında, nanoboyutlu, PEG kaplı, nötral ve pozitif yüklü lipozom ve niozomların formüle edilmiş, karakterizasyon ve salım kinetikleri değerlendirilmiştir. Tüm formülasyonların KBB geçirgenliği, hücre KBB ko-kültürü çalışmalarında incelenmiştir. Nötral, pramipeksol enkapsüle edilen lipozom ve niozomların tedavi etkinliği in vivo olarak 6-hidroksidopamin (6-OHDA) ile lezyon yapılarak PH modeli oluşturulan sıçanlarda rotametre ve otoradyografi çalışmaları ile incelenmiştir. Tüm formülasyonlar yaklaşık %10 enkapsülasyon etkinliği ve 100 nm civarında partikül boyutu dağılımı ve birinci derece salım kinetiği göstermiştir. Hücre kültürü çalışmalarında, tüm formülasyonların KBB’nden penetre olabildiği saptamıştır. 6-OHDA lezyonlu sıçanlarda Parkinson hastalığının tedavisinde nanoboyutlu, nötral, pramipeksol enkapsüle edilen niozomlar, aynı dozdaki pramipeksol çözeltisi ile benzer hatta biraz daha iyi sonuçlar göstermiştir. Bu doz Nöroloji kliniklerinde Parkinson tedavisinde rutin olarak kullanılan konvansiyonel pramipeksol tabletlerindeki dozun yaklaşık olarak 9 kat düşük dozlarıdır. Nanoboyutlu, pramipeksol enkapsüle edilen, nötral niozomlar, niozomların non-iyonik sürfaktan özellikleri nedeniyle PH modeli sıçanlarda potansiyel bir antiparkinson terapötik etki göstermiştir.

Le méthylphénidate est un des médicaments les plus prescrits pour les patients ayant un trouble déficitaire de l’attention (TDAH). Comme la réponse au méthylphénidate peut varier d’un patient à l’autre, l’optimisation de la dose passe souvent par une période de titration. Au cours de cette titration, le clinicien, guidé par son expertise, prescrit différents niveaux de dose jusqu’à trouver celle qui convienne au patient. Ceci en fait un processus lourd pour le patient. L’individualisation des doses de méthylphénidate peut donc être améliorée par l’utilisation d’approches pharmacométriques. Ces approches cristallisent les informations connues sur le médicament dans un langage condensé basé sur les mathématiques et statistiques. Ainsi, leur utilisation dans le contexte du méthylphénidate fournit un outil numérique permettant de comprendre sa pharmacocinétique (ce que le corps fait au méthylphénidate) et sa pharmacodynamie (ce que le méthylphénidate fait au corps). Cette thèse se met à la quête de l’enrichissement de ces approches pharmacométriques en trois volets. La première problématique abordée concerne la grande variabilité interindividuelle dans le traitement du méthylphénidate. Le début de la thèse s’attaque à l’interchangeabilité des médicaments novateurs et génériques ayant une grande variabilité interindividuelle. Une nouvelle méthode est proposée pour comparer efficacement les médicaments selon leur pharmacocinétique. Celle-ci se base sur une méthode établie qui tient compte non seulement de la réponse moyenne d’une population à un médicament, mais aussi de la variabilité interindividuelle dans cette réponse. Cette nouvelle méthode ajoute un paramètre modulable selon le médicament étudié et corrige les problèmes de permissivité des méthodes actuelles. La pharmacodynamie du méthylphénidate est étudiée dans les deuxième et troisième volets de cette thèse. Il a été rapporté que l’efficacité du méthylphénidate décroît en fin de journée, malgré des concentrations plasmatiques similaires aux premières heures d’administration. Ainsi, suite à la prise de méthylphénidate, une tolérance aigüe se développe dans une même journée. Ce phénomène, observé sur des échelles de mesure cliniques mesurant la réduction des symptômes du TDAH, a déjà été décrit par des approches pharmacométriques. La deuxième partie de cette thèse explore la présence de cette tolérance aigüe au niveau des cibles thérapeutiques du méthylphénidate : les transporteurs de dopamine et norépinéphrine. Un modèle pharmacométrique est créé, décrivant l’interaction du méthylphénidate avec les transporteurs de dopamine et de norépinéphrine. Ce modèle est utilisé pour calculer la performance de différents régimes posologiques et explore le rôle de la norépinéphrine sur les doses nécessaires pour le traitement du TDAH. Finalement, le troisième volet ajoute la pharmacodynamie sur une échelle clinique, notamment celle du score SKAMP. Grâce au modèle pharmacométrique du deuxième volet, la dernière partie de cette thèse cherche à répondre à la question : comment l’interaction du méthylphénidate avec les transporteurs de dopamine se traduit en effet clinique? Nos résultats indiquent que l’interaction avec les transporteurs se traduit partiellement en effet clinique et que la relation entre ces deux éléments est plus significative en début de journée comparativement au soir. En somme, cette thèse a exploré les différentes facettes des méthodes pharmacométriques et leur application dans les prescriptions du méthylphénidate chez les patients atteints de TDAH. Les résultats de cette recherche démontrent l’utilité des approches pharmacométriques et ouvrent la porte à une recherche plus poussée afin de guider l’individualisation du méthylphénidate. / Methylphenidate is one of the most prescribed medications for patients with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). Because the response to methylphenidate varies greatly among patients, dose optimization often involves a titration period. During this titration period, the clinicians, guided by their expertise, prescribes different levels of dose until they find the one that works best for the patient. This makes it a burdensome process for the patient. Individualization of methylphenidate doses can be improved by using pharmacometric approaches. These approaches crystallize the known information about the medication into a condensed language based on mathematics and statistics. Thus, their use in the context of methylphenidate provides a digital tool for understanding its pharmacokinetics (what the body does to methylphenidate) and its pharmacodynamics (what methylphenidate does to the body). This thesis seeks to enrich these pharmacometric approaches in three parts. The first part of this dissertation concerns the high interindividual variability in methylphenidate response. The beginning of the thesis tackles the interchangeability of innovative and generic drugs with high interindividual variability. A new method is proposed to effectively compare drugs based on their pharmacokinetics. This method is based on an established method that takes into account not only the average response of a population to a drug, but also the interindividual variability in that response. This new method adds a modifiable parameter depending on the drug being studied and corrects the problems of permissiveness in current methods. The pharmacodynamics of methylphenidate are studied in the second and third parts of this thesis. It has been reported that the efficacy of methylphenidate decreases at the end of the day, despite similar plasma concentrations to those in the early hours of administration. Thus, after taking methylphenidate, acute tolerance develops within the same day. This phenomenon, observed on clinical measurement scales measuring the reduction of ADHD symptoms, has already been described by pharmacometric approaches. The second part of this thesis explores the presence of this acute tolerance at the therapeutic targets of methylphenidate: dopamine and norepinephrine transporters. A pharmacometric model is created, describing the interaction of methylphenidate with dopamine and norepinephrine transporters. This model is used to calculate the performance of different dosage regimens and explore the role of norepinephrine in the doses needed for ADHD treatment. Finally, the third part adds pharmacodynamics on a macroscopic scale, particularly the clinical effect of methylphenidate. Using the pharmacometric model from the second part, the end of this thesis seeks to answer the question: how does the interaction of methylphenidate with dopamine transporters translate into clinical effects? Our results indicate that the interaction with transporters partially translates into clinical effects and that the relationship between these two elements is more significant in the morning compared to the evening. Overall, this thesis has explored the various facets of pharmacometric methods and their application in the prescriptions of methylphenidate for patients with ADHD. The results of this research demonstrate the utility of pharmacometrics approaches and open the door to further research to guide the individualization of methylphenidate.

Repetitive Störungen manifestieren sich als Leitsymptom in der Zwangsstörung und dem Tourette-Syndrom. Die Symptome werden als enthemmte Stereotypien eines desinhibierten Basalganglien-thalamo-kortikalen (BGTC) Regelkreises verstanden. Überdies wird als neurochemisches Korrelat ein dysregulatives Dopamin (DA)-System innerhalb dieser Kerngebiete nahegelegt, welches über ein überaktives Dopamintransporter (DAT)-System erklärt werden könnte. In der Induktion repetitiver Erkrankungen ist die Interaktion des BGTC Regelkreises und des DA-Systems dennoch unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden daher anhand von zwei Pathologiemodellen (Ratte) mit unterschiedlich induzierter Dysregulation des DA-Systems (transgen versus pharmakologisch) die dysfunktionalen Einheiten im BGTC Regelkreises vergleichend untersucht. Im transgenen Modell führte die zentralnervöse DAT-Überexpression: (1) zu einer verstärkten Genexpression des vesikulären Monoamintransporter 2 (VMAT2) sowie des DA-Rezeptors 1 und DA–Rezeptors 2 (DRD1, DRD2), (2) zu einem reduzierten DA-Spiegel mit erhöhter DA-Umsatzrate und veränderten serotonergen- und GABAergen-System, und (3) zu perserverativen Verhalten. Im Gegensatz dazu zeigte die chronische Applikation mit dem D2-Agonisten Quinpirol im pharmakologischen Modell: (1) eine Reduktion des DAT, VMAT2 und DRD2, (2) eine reduzierte DA-Umsatzrate und (3) zwanghaftes Kontrollverhalten. Die Ergebnisse legen nahe, dass die unterschiedlichen klinischen Subtypen der Zwangsstörung unterschiedlichen neurobiologischen Veränderungen zugrunde liegen könnten. Ferner bietet das hier vorgestellte transgene Modell erfolgsversprechende Ansatzpunkte um als neues valides Tiermodell der repetitiven Störungen etabliert zu werden. / Repetitive disorders manifest as the cardinal symptom in obsessive-compulsive disorder and Tourette syndrome. The symptoms are understood as disinhibited stereotypies of a basal ganglia-thalamo-cortical (BGTC) circuit. Furthermore, it is suggested that a dysregulated dopamine (DA) system within this circuit is the underlying neurochemical correlate which could be explained by an overactive dopamine transporter (DAT). At this point, it is still unclear how the BGTC circuit and the DA system interact in the induction of repetitive disorders. Therefore we investigated the dysfunctional unities within the BGTC circuit by comparing two pathological rat models (transgenic versus pharmacologic) with different induced dopaminergic dysregulation. The DAT overexpressing rat model showed: (1) increased gene expression of the vesicular monoamine transporter 2 (VMAT2), DA receptor D1 (DRD1) and DA receptor D2 (DRD2), (2) lower levels of DA with an increased DA metabolism and alterations in the serotonin- and GABA system, and (3) perseverative behavior. In contrast, the chronic application of the D2 receptor agonist quinpirole resulted in the pharmacologic model in: (1) lower gene expressions of the DAT, VMAT2 and DRD2, (2) reduced DA-turnover and (3) compulsive control behavior. These results suggest that different clinical subtypes of obsessive-compulsive disorder caused by different neurobiological alterations. In addition, the presented transgenic model provides the opportunity to be established as a new valid animal model of repetitive disorders.

The dissertation describes a novel method for plant drug discovery based on mutation and selection of plant cells. Despite the industry focus on chemical synthesis, plants remain a source of potent and complex bioactive metabolites. Many of these have evolved as defensive compounds targeted on key proteins in the CNS of herbivorous insects, for example the insect dopamine transporter (DAT). Because of homology with the human DAT protein some of these metabolites have high abuse potential, but others may be valuable in treating drug dependence. This dissertation redirects the evolution of a native Lobelia species toward metabolites with greater activity at this therapeutic target, i.e. the human DAT. This was achieved by expressing the human DAT protein in transgenic plant cells and selecting gain-of-function mutants for survival on medium containing a neurotoxin that is accumulated by the human DAT. This created a sub-population of mutants with increased DAT inhibitory activity. Some of the active metabolites in these mutants are novel (i.e. not detectable in wild-type cells). Others are cytoprotective, and also protect DAergic neurons against the neurotoxin. This provides proof-of-concept for a novel plant drug discovery platform, which is applicable to many different therapeutic target proteins and plant species.