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Le paludisme est une maladie parasitaire tropicale menaçant les populations dans les zones tropicales et sub-tropicales, en particulier les jeunes enfants en Afrique. En raison des résistances aux médicaments antipaludiques qui se sont propagées dans le monde entier au cours des 50 dernières années, de nouveaux médicaments sont vraiment nécessaires. La plasmodione (série benzylmenadione) a été identifiée comme un médicament-candidat antipaludique puissant, agissant selon une bioactivation rédox sur les stades sanguins asexués et sexués jeunes, mais son métabolisme est inconnu. Par conséquent, afin d'identifier les structures des métabolites actifs générés par la plasmodione antipaludique, la synthèse complète de la plasmodione 13C18-enrichie a été conçue et réalisée en 10 étapes. En outre, le procédé d'extraction pour l'étude du métabolisme de la molécule a été établi à partir de globules rouges parasités traités par la plasmodione 13C18-enrichie. D'autre part, la préparation de dérivés oxétane et N-alkylaryl de plasmodione avec une solubilité potentielle améliorée a également été réalisée par substitution nucléophilie aromatique (SNAr) et réaction de couplage Buchwald-Hartwig catalysée par le palladium, respectivement. Enfin, un complexe d'or (I) phosphole, connu comme un inhibiteur irréversible et puissant de la thiorédoxine réductase séléno-dépendante humaine, a été synthétisé et son profil antiparasitaire a été étudié sur de nombreux parasites pathogènes pour l’homme, protozoaires et helminthes en cultures. / Malaria is a tropical parasitic disease threatening populations in tropical and sub-tropical areas, especially young children in Africa. Due to the drug resistance spread all over the world in the past 50 years, new drugs are urgently needed. Plasmodione (benzylmenadione series) had been identified as a potent anti-malarial early lead drug, acting through a redox bioactivation on asexual and young sexual blood stages, but its drug metabolism is unknown. Therefore, in order to identify the structures of the active drug metabolites generated from the antimalarial plasmodione, fully 13C18-enriched-plasmodione synthesis was designed and performed in 10 steps. Furthermore, the extraction method for the drug metabolism study was established from 13C18-enriched plasmodione-treated parasitized red blood cells. On the other hand, the preparation of oxetane and N-alkylaryl derivatives of plasmodione with potential improved solubility was also investigated through aromatic nucleophilic substitution (SNAr) and palladium-catalyzed Buchwald-Hartwig coupling reaction, respectively. Finally, a gold(I) phosphole complex, known as an irreversible and potent inhibitor of the human seleno-dependent thioredoxin reductase, was synthetized and its antiparasitic profile investigated against a panel of parasites, protozoans and helminthes in cultures.

La bio-transformation naturelle des médicaments peut produire des métabolites toxiques; l’identification de ces métabolites est essentielle dans la stratégie de choix de molécules thérapeutiques. En appliquant les technologies de fermentation en bioréacteur des cellules hétérologues (souches d’E. coli recombinantes exprimant une iso-enzyme de cytochrome P450 humain avec la réductase humain), la bioconversion du substrat (principe actif) en ses métabolites de dégradation, a été réalisée à grande échelle (& / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce projet de recherche comporte deux parties principales qui possèdent comme lien unificateur l’amélioration des méthodes et techniques utilisées actuellement pour évaluer aussi bien l’activité que l’expression des cytochromes P450 (CYP450s) et menant par la suite à leur application en clinique. Le premier volet de ce projet de recherche porte sur le développement de méthodes LC-MS/MS pour un cocktail de 7 substrats marqueurs des CYP450s. Notre objectif est de développer et valider une méthode LC-MS/MS spécifique et sensible permettant l’évaluation des activités des CYP1A2, 2B6, 2C9, 2C19, 2D6, 3A4/5 et 2E1 suivant l’administration orale et à faible dose d’un cocktail de substrats marqueurs chez des patients et sujets sains. Les méthodes développées peuvent être utilisées pour évaluer les mécanismes de variabilité interindividuelle comme l’impact de polymorphismes génétiques, de facteurs environnementaux et de maladies dans le processus de métabolisme et d’élimination des médicaments, mais également pour investiguer les interactions médicamenteuses. Ce cocktail a été appliqué avec succès, dans un projet clinique portant sur l’évaluation des effets du diabète sur la capacité métabolique par les CYP450s. Le deuxième volet de ce projet de recherche vise à développer des méthodes analytiques par LC-HRMS afin de caractériser et quantifier les CYP1A1, 1A2, 1B1, 2B6, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6, 2E1, 2J2, 3A4, 3A5, 3A7 et 4F2 dans l’intestin grêle humain. Notre hypothèse suggère que les CYP450s retrouvés le long de l’intestin grêle peuvent affecter significativement l’effet de premier passage de certains médicaments administrés par voie orale et influencer leurs concentrations plasmatiques et conséquemment, leurs effets pharmacologiques et/ou toxiques. Ma participation à ce projet a permis d’identifier des peptides protéotypiques par digestion in silico et in vitro et de développer des méthodes de quantification absolue par LC-HRMS. Ce projet est une première étape dans la caractérisation des CYP450s majeurs le long de l'intestin grêle. Il permettra de mieux comprendre les mécanismes de variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments associés au processus d'absorption intestinal et de mieux prédire la variabilité dans la biodisponibilité des médicaments et de développer des modèles pharmacocinétiques plus complexes. / This research project is divided into two sections, both aiming at the development of sensitive and specific LC-MS methods to evaluate activity and expression of CYP450 and finally, looking at their clinical application. The first section of this research project focuses on the development of analytical methods by LC-MS/MS for a seven CYP450 probe-drug cocktail. Although these cocktails have shown value they also suffer from many limitations. Our objective was to develop and validate highly sensitive and selective LC-MS/MS assays allowing the determination of CYP1A2, 2B6, 2C9, 2C19, 2D6, 3A4/5 and 2E1 activities following administration of low oral doses of a modified CYP450 probe-drug cocktail in patients. These methods can be used to phenotype CYP450 activities, evaluate inter-individual variabilities, study the impact of pathological conditions on drug metabolism and elimination, and evaluate drug-drug interactions. Our CYP450 cocktail assays have been successfully applied to phenotype CYP450 activities in type 2 diabetic patients. The second section of this project aims at the development of a LC-HRMS method for the characterization and absolute quantification of CYP1A1, 1A2, 1B1, 2B6, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6, 2E1, 2J2, 3A4, 3A5, 3A7 and 4F2 in the human small intestine. Our hypothesis suggests that CYP450 isoenzymes found along the small intestine can significantly affect the first-pass effect of certain drugs administered orally and thus influence their pharmacological and/or toxic effects. My participation in this project allowed to identify proteotypic peptides by in silico and in vitro digestion and to develop LC-HRMS methods allowing the absolute quantification of CYP450. This project is a first step in the characterization of the main CYP450 along the small intestine. This project will allow a better understanding of inter-individual variability in drug response associated with intestinal absorption of drugs, a better prediction of variability in drug bioavailability and to develop more complex pharmacokinetic models.

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology & Toxicology Student: Kryštof Dobečka Supervisor: PharmDr. Tomáš Smutný, Ph.D. Advisor: prof. PharmDr. Petr Pávek, Ph.D. Title of diploma thesis: Experimental approaches for studying hepatic enzyme induction mediated by pregnane X receptor The thesis focuses on hepatic pregnane X receptor (PXR)-mediated induction of biotransformation enzymes. Emphasis is placed on experimental models and methods which are used for the assessment of enzyme induction. In addition to summarizing its well- established role as a xenobiotic-sensing receptor, PXR is also presented as a transcription factor with an important role in endogenous pathways. Furthermore, cell and animal models are evaluated in terms of expression and function of PXR and its target xenobiotic-metabolising enzymes. Primary human hepatocytes in 2D cultures are considered to be the gold standard of in vitro hepatic models. However, 3D technologies are expected to be increasingly used in the future. The use of animal models is limited due to pronounced interspecies differences in PXR activation. Thus, humanized models have been established to overcome these limitations. Next, this thesis comments screening methods for an assessment of interaction between PXR and...

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<p>This thesis presents novel approaches for structural investigation of glucuronides using chemical derivatization in combination with liquid chromatography-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (LC-ESI-MSⁿ).</p><p>Today, LC-ESI-MSⁿ is the dominant technique for quantitative as well as qualitative analyses of metabolites, due to its high sensitivity and selectivity. However, for compounds without an easily ionizable group, e.g., steroids, the sensitivity is limited. In the work presented in this thesis, a derivatization procedure forming a basic oxime significantly increased the detection sensitivity for the altrenogest glucuronide. </p><p>Furthermore, in structural evaluations of glucuronides, the limitation of LC-MSⁿ becomes evident due to the initial neutral loss of 176 u, i.e. monodehydrated glucuronic acid, which often makes it impossible to elucidate the structures of the conjugates. To solve this problem, the main part of the work described in this thesis was devoted to chemical derivatization as a means of facilitating the determination of the site of conjugation. </p><p>For the first time, the isomeric estriol glucuronides were evaluated using a combination of three reagents 2-chloro-1-methylpyridinium iodide (CMPI), 1-ethyl-3-(3-dimethyl- aminopropyl)-carbodiimide (EDC), and 2-picolylamine (PA). Interestingly, the derivatization gave a selective fragmentation pattern leading to differentiation of the isomers. </p><p>Another derivatization reagent, 1,2-dimethylimidazole-4-sulfonyl chloride (DMISC), was also tested for the first time in structural investigations. The isomeric glucuronides of morphine, formoterol, and hydroxypropranolol were evaluated. They can all be conjugated in aliphatic as well as aromatic positions. DMISC was proven to be useful in two ways. Firstly, the morphine and formoterol glucuronides that contained a free phenol could be differentiated from those that were conjugated in the aromatic position based on different reactivity. Secondly, for the aromatic <i>O</i>-glucuronide of 4’-hydroxypropranolol, DMISC was proven to react with the amine. This product gave a different fragmentation pattern compared to the corresponding derivative of the aliphatic glucuronide. </p>

La kétamine est un antagoniste des récepteurs NMDA fréquemment utilisée pour des procédures anesthésiques et moins fréquemment pour traiter la douleur chronique. Des travaux de notre laboratoire ont montré que l’utilisation de la kétamine en combinaison avec la xylazine chez des rats âgés d’environ deux ans pouvait prolonger la durée d’anesthésie. Considérant que les patients gériatriques présentent des caractéristiques physiologiques demandant des adaptations au niveau de la pharmacothérapie, que cette classe de patient requiert fréquemment des anesthésies afin de réaliser des interventions chirurgicales et qu’elle représente la sous-population qui consomme le plus de médicaments pour traiter des problèmes de douleur aiguë et chronique, il convient alors d’investiguer l’impact que l’âge peut avoir sur le métabolisme des médicaments. Le but de ce projet est donc d’évaluer l’impact de l’âge sur le métabolisme de la kétamine à l’aide de fractions cellulaires (in vitro) et d’une technique de chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. En premier lieu, nous avons dû confirmer la voie métabolique principale de formation de la norkétamine en utilisant le substrat et l’inhibiteur de référence de la voie métabolique du CYP3A qui sont respectivement le midazolam et le kétoconazole. De plus, nous avons caractérisé l’interaction métabolique de la kétamine fréquemment combinée au midazolam. Ensuite, nous avons comparé les profils de dégradation de la kétamine par des fractions S9 hépatiques de rats âgés de 3, 6, 12 et 18 mois. Les valeurs (±ÉT) de Vmax obtenues étaient respectivement de 2.39 (±0.23), 2.61 (±0.18), 2.07 (±0.07) pour les plus jeunes comparé à 0.68 (±0.02) pour le groupe de 18 mois (p < 0.001). Ces résultats suggèrent donc que le CYP3A est rapidement saturé par la présence de kétamine. De plus, la valeur de Km a diminué de 6 à 7 fois pour le groupe de 18 mois comparé aux autres groupes (p < 0.05). Ainsi, on peut émettre l’hypothèse que l’enzyme subit une modification de sa conformation tridimentionnelle, ce qui résulte en une diminution de formation de norkétamine. Finalement, nous avons tenté d’évaluer la contribution du métabolisme cérébral au métabolisme de la kétamine. Toutefois, nous n’avons pas trouvé de différence significative dans les concentrations de kétamine ou de midazolam entre le début de la réaction et 60 minutes plus tard. Le même constat a été observé pour d’autres substrats du CYP3A et CYP2D (dextromethorphan et codéine). D’autres expériences sont nécessaires afin d’arriver à des conclusions définitives. Les différences observées entre les différents groupes d’âge suggèrent que la voie métabolique hépatique du CYP3A est détériorée de façon importante. Les protocoles anesthésiques pour patients âgés devraient donc tenir compte de cette importante diminution d’activité métabolique étant donné que l’exposition aux concentrations systémiques risque d’être significativement augmentée. / Ketamine is a NMDAR antagonist widely used for anesthetic procedures and less often to treat chronic pain. Work in our laboratory showed that the use of ketamine combined to xylazine is a poor anesthetic choice for aged rats of approximately 2 years. Considering that geriatric patients present physiological characteristics demanding adaptations of the pharmacotherapy, that this class of patients frequently needs anesthesia to perform surgeries and that they represent the subpopulation that uses many drugs to treat acute and chronic pain, it is relevant to investigate the impact of aging on drug metabolism. The goal of this project was to assess the impact of aging on ketamine metabolism using cellular fractions (in vitro) and liquid chromatography tandem mass spectrometry. First, we needed to confirm the main metabolic pathway of norketamine formation using well-established reference substrate and inhibitor of CYP3A metabolic pathway which are respectively midazolam and ketoconazole. Furthermore, we also characterized the metabolic interaction of ketamine frequently combined with midazolam. Second, we compared the degradation profiles of ketamine in liver S9 fractions of rats aged of 3, 6, 12 and 18 months. Vmax values (±SD) were respectively of 2.39 (±0.23), 2.61 (±0.18), 2.07 (±0.07) for the younger groups compared to 0.68 (±0.02) for the 18 month older group (p < 0.001). Those results suggest that CYP3A is quickly saturated by the presence of ketamine. Moreover, Km value showed a 6 to 7 fold decrease for the oldest group compared to the younger one (p < 0.05). Therefore, we hypothesized that the enzyme undergoes conformational changes, which results in a decrease of norketamine formation. Finally, we intend to assess the contribution of brain metabolism to the overall ketamine metabolism. Unfortunately, we did not find any significative difference in ketamine or midazolam concentrations between the beginning of the reaction and 60 minutes later. The same ascertainment has been observed with other susbstrates of CYP3A and CYP2D (dextromethorphan and codeine). Other experiences are needed to definetely conlude that brain metabolism is negligible. The differences observed between age groups suggest that the hepatic metabolic pathway of CYP3A is severely impaired. Anesthetic protocols for aging patients should take into consideration the diminished metabolic activity since it may lead to a significant increase of exposition to systemic drug concentrations.

Introduction : Les modèles murins sont grandement utilisés dans l’étude des maladies rénales et des pathologies associées. La concentration de la créatinine sérique est un bon indicateur de la filtration glomérulaire et en présence d’insuffisance rénale chronique (IRC), les concentrations de créatinine sérique (et la clairance) reflètent la sévérité de l’IRC. De plus, il a été démontré que l’IRC modifie le métabolisme des médicaments en diminuant l’activité et l’expression des enzymes hépatiques du cytochrome P450 (CYP450). Afin d’étudier la modulation du P450 par l’IRC avec un modèle murin et de confirmer nos résultats chez le rat, nous devons 1) développer un modèle d’IRC chez la souris, 2) mettre au point une technique de dosage des marqueurs de l’IRC et, 3) évaluer l’expression protéique du CYP450 en présence IRC. Matériel et Méthode : Trois modèles chirurgicaux d’IRC chez la souris ont été développés. Une méthode du dosage de la créatinine par chromatographie liquide à haute performance (CLHP) a été mise au point chez la souris et l’expression protéique du P450 a été mesurée par immunobuvardage de type Western. Résultats : Plusieurs paramètres de CLHP comme le pH, la concentration et le débit de la phase mobile modifient le pic d’élution et le temps de rétention de la créatinine. Concernant le modèle expérimental, on observe une perte de poids et une augmentation de la concentration plasmatique de la créatinine chez les souris avec une IRC. De plus, l’expression protéique de plusieurs isoformes du cytochrome P450 est modulée par l’IRC. Nous observons une diminution du CYP 2D de 42% (p < 0,01), du CYP 3A11 de 60% et du CYP 1A de 37% (p <0,01) par rapport aux souris témoins. On ne dénote aucun changement significatif au niveau de l’isoforme 2E1. Conclusion : Il est possible d’induire une insuffisance rénale chronique chez la souris suite à une néphrectomie. La technique de dosage de la créatinine par CLHP est précise et exacte et permet de caractériser la sévérité de l’IRC chez la souris. L’expression protéique du CYP450 est régulée à la baisse dans le foie des souris atteintes d’IRC. / Background: Mice models are widely used in renal studies. Seric creatinine concentration is used to evaluate glomerular filtration rate and is a good marker of chronic renal failure (CRF). It has been shown that CRF diminishes drug metabolism in the rat because of a downregulation of hepatic cytochrome P450 (CYP450) isoforms. To study CYP450 regulation in the mouse model, we needed to 1) develop a model of CRF in the mouse, 2) define a method of dosage of CRF markers, and 3) evaluate CYP450 protein expression in the liver of mice with CRF. Methods: Models of CRF were tested and sub-total nephrectomy was selected because of the efficacy and reproducibility to induce CRF. A high pressure liquid chromatography (HPLC) method for the dosage of creatinine in mice sera was developed. Liver protein expression of CYP1A1, CYP3A11, CYP2D and CYP2E1 was assessed by Western Blot analysis. Results: HPLC parameters such as pH, mobile phase concentration and flow rate modified the elution profile. Weight loss and high seric creatinine concentrations are seen in mice with CRF. Furthermore, protein expression of CYP1A, CYP3A11 and CYP2D was decreased in liver microsomes of mice with CRF by 37%, 60% and 42%, respectively (p<0.01) compared to sham-operated mice. We found no significant difference in the expression of CYP2E1. Conclusions: CRF models are reproducible in the mouse. The HPLC method for creatinine determination is precise and accurate, and can assess the severity of CRF. Hepatic protein expression of CYP450 is modulated in presence of CRF as in the rat.